納米TiO與納濾膜在水處理中的應(yīng)用

1、納MTiO2與納濾膜在水處理中地應(yīng)用 熊蓉春 雷曉東 來源：論文天下論文網(wǎng) i/ h- z5 k5 # V摘要：介紹了納M科技特別是納MTiO2光催化氧化技術(shù)和納濾膜技術(shù)地原理及其在水處理中地作用及應(yīng)用方法,認(rèn)為嶄新地納M水處理技術(shù)地應(yīng)用已為期不遠(yuǎn).+ r& # - T8 Bg% W* q. O。 v關(guān)鍵詞：納M 納濾膜 光催化氧化技術(shù) 納M科技研究在0.1100 nm尺度范圍內(nèi)物質(zhì)具有地特殊 性能及如何利用這些性能1.廣義上,納M材料是指在三維空間中,至少有一維達(dá) 到納M尺度范圍或以它們?yōu)楦締卧鶚?gòu)成地材料.納M材料在機(jī)械性能、磁、光、電、熱 等方面與普通材料有很大地不同,它具有輻射、吸收

2、、催化、吸附等新特性.許多科學(xué)家研 究了納M材料地這些特性及其對水體中地某些污染物地作用,說明納M科技 可能將使水處理技術(shù)發(fā)生突破性地變化. f3 q3 A1 F+ q6 c d 1納MTiO2光催化氧化技術(shù) 2 x1 p$ X( C ?% + | 1.1原理和特點(diǎn) , h0 T+ C7 o% y D* f 自1976年J.H.Cary等人2報(bào)道了在紫外光照射下納MTiO2可以使難降解地 多氯聯(lián)苯脫氯以來,迄今已發(fā)現(xiàn)有數(shù)百種有機(jī)污染物可通過光催化處理.其作用原理3是,在紫外光照射下,納MTiO2外表會(huì)產(chǎn)生氧化能力極強(qiáng)地羥基自由基(OH,使水中 地有機(jī)污染物氧化降解為無害地CO2和水.納MTiO

3、2光催化氧化技術(shù)地優(yōu)點(diǎn)是： 降解速度快,一般只需幾十分鐘到幾小時(shí)即可取得良好地廢水處理效果；降解無選擇性 ,幾乎能降解任何有機(jī)物,尤其適合于氯代有機(jī)物、多環(huán)芳烴等；氧化反響條件溫和,投 資少,能耗低,用紫外光照射或暴露在陽光下即可發(fā)生光催化氧化反響；無二次污染,有 機(jī)物徹底被氧化降解為CO2和H2O；應(yīng)用范圍廣,幾乎所有地污水都可以采用. 1.2實(shí)驗(yàn)研究情況 - L A4 J& C8 C5 : b( p+ o$ J* F% g: e- v+ X (1有機(jī)磷農(nóng)藥廢水處理.20世紀(jì)70年代開展起來地有機(jī)磷農(nóng)藥占我國農(nóng)藥產(chǎn)量地80%以上 ,其生產(chǎn)過程中有大量地有毒廢水產(chǎn)生.目前對有機(jī)磷農(nóng)藥廢水地處理

4、多采用生化法,處理后廢水中有 機(jī)磷地含量仍然高達(dá)30 mg/L,迄今尚無理想地解決方法.據(jù)報(bào)道4,采用納MTiO2*.SiO2負(fù)載型復(fù)合光催化劑,利用其光催化活性及高效吸附性,能使有機(jī)磷農(nóng)藥在其 外表迅速富集,隨光照時(shí)間地延長,有機(jī)磷農(nóng)藥地光解率逐漸升高,光照80 min,實(shí)驗(yàn)用敵 百蟲已完全降解. (2毛紡染整廢水處理.把外表 涂覆有納MTiO2膜地玻璃填料填充于玻璃反響器內(nèi),通過潛水泵使廢水在反響器內(nèi)循環(huán)進(jìn) 行光催化氧化處理5.由于納MTiO2具有巨大地比外表積,與廢水中地有機(jī)物 接觸更為充分,可將它們最大限度地吸附在其外表,并迅速將有機(jī)物分解成CO2和H2O, 處理效果優(yōu)于生物處理和懸浮

5、光催化氧化處理,COD去除率和脫色率均較高.催化劑能連續(xù) 使用,不需要?jiǎng)e離回收,便于工業(yè)應(yīng)用., j4 G! U, n* I+ T6 O/ I( i, U。 D( p (3氯代有機(jī)物廢水處理.日本東京大學(xué)野口真用納MTiO2光催化劑與臭氧聯(lián)合進(jìn)行水 地凈化處理6.在模擬廢水處理地實(shí)驗(yàn)中,以16 mg/L 3-氯-酚地水溶液為模 擬廢 水,分別采用納MTiO2光催化劑與臭氧聯(lián)合、單獨(dú)用光催化劑納MTiO2和單獨(dú)用O3三 種方法對其進(jìn)行處理.納MTiO2光催化劑與臭氧聯(lián)合處理2 h后,3-氯酚地殘留濃度已為0 ,效果明顯高于其他兩種方法.用內(nèi)外表涂覆納MTiO2光催化劑地陶瓷圓管處理5.5 mg/

6、 L苯酚和三氯乙烯水溶液地實(shí)驗(yàn)說明,苯酚在1.5 h后完全分解,三氯乙烯也在2 h內(nèi)完 全分解.! e$ $ P$ y4 J7 T5 l1 _0 Z! P: C/ e2 a* X2 6 p (4含油廢水處理.含油廢水中所含地脂肪烴、多環(huán)芳烴、有機(jī)酸類、酚類等有機(jī)物 很難降解,使用納MTiO2,利用 其光催化降解功能,可以迅速地降解這些有機(jī)物7.3 s# W: b. j8 Y。 E N5 Z. xx# h4 h, p 1.3應(yīng)用前景 納MTiO2光催化氧化技術(shù)在徹底降解水中地有機(jī)污染物和可以利用太陽能等方面有著突 出地優(yōu)點(diǎn),特別是當(dāng)水中地有機(jī)污染物濃度很高或用其他方法難以處理時(shí),具有更明顯地優(yōu)

7、勢, 是其他傳統(tǒng)方法無法比較地,尤其是近年來高效率地光催化劑、納M粒子負(fù)載和金屬摻雜、 光電結(jié)合地催化方法以及太陽能技術(shù)地研究開發(fā),使納MTiO2光催化氧化應(yīng)用于水處理領(lǐng) 域有著良好地前景.目前,日本、美國、加拿大等國家已嘗試把納MTiO2光催化氧化技術(shù) 用于水處理,但大都處于實(shí)驗(yàn)室研究階段,關(guān)于工業(yè)規(guī)模地應(yīng)用開發(fā)鮮有報(bào)道.如何盡快實(shí) 現(xiàn)工程化,有待各相關(guān)領(lǐng)域地研究人員進(jìn)一步努力., w5 ?! q6 A( n 2納濾(M膜技術(shù) R+ N5 h S a( I8 A( ( . x9 l6 |# 2.1原理和特點(diǎn) 4 b( 4 g8 D D! I0 Q( u# V + k: p w! p1 u5

8、Z 膜別離是利用膜對混合物中各組分地選擇滲透作用性能地差異,以外界能量或化學(xué)位差為 推動(dòng)力對雙組分或多組分混合地氣體或液體進(jìn)行別離、分級、提純和富集地方法.膜孔徑處 于納M級,適宜于別離分子量在2001000,分子尺寸約為1 nm地溶解組分地膜工藝被 稱為納濾(NF.NF膜別離需要地跨膜壓差一般為0.52.0 MPa,比用反滲透膜到達(dá)同樣地 滲透能量所必需施加地壓差低0.53 MPa.根據(jù)操作壓力和別離界限,可以定性地將NF排 在反滲透和超濾之間,有時(shí)也把NF稱為低壓反滲透或疏松反滲透.20世紀(jì)70年代J. E. Cadotte研究NS-300膜,即為研究NF膜地開始8.當(dāng)時(shí),以色列脫鹽公司用

9、 混合過濾(Hybrid Filtration來表示介于反滲透與超濾之間地膜別離過程,后來美國地F ilm*.Tech公司把這種膜技術(shù)稱為納濾,一直沿用至今.之后,NF開展得很快,膜組件于80 年代中期商品化.目前,NF已成為世界膜別離領(lǐng)域研究地?zé)狳c(diǎn)之一.! k8 ( e/ V+ H! B! n NF別離是一種綠色水處理技術(shù),在某些方面可以替代傳統(tǒng)費(fèi)用高、工藝繁瑣地污水處理方 法.其技術(shù)特點(diǎn)是：能截留分子量大于100地有機(jī)物以及多價(jià)離子,允許小分子有機(jī)物和單 價(jià)離子透過；可在高溫、酸、堿等苛刻條件下運(yùn)行,耐污染；運(yùn)行壓力低,膜通量高,裝置 運(yùn)行費(fèi)用低；可以和其他污水處理過程相結(jié)合以進(jìn)一步降低費(fèi)

10、用和提高處理效果.在水處理 中,NF膜主要用于含溶劑廢水地處理,能有效地去除水中地色度、硬度和異味.NF膜以其 特殊地別離性能已成功地應(yīng)用于制糖、制漿造紙、電鍍、機(jī)械加工以及化工反響催化劑地回 收等行業(yè)地廢水處理.。 Q。 C2 r Z( jk& % v 2.2實(shí)驗(yàn)研究及應(yīng)用情況 , M+ Z. c。 W6 E2 F (1日用化工廢水處理.用NF膜處理日用化工廢水地應(yīng)用研究說明9,NF膜耐酸堿,有優(yōu)良地截留率,對重金屬有很好地去除率,不存在膜污染問題.據(jù)估計(jì),由于NF膜地 運(yùn)行費(fèi)用低于反滲透技術(shù),對有機(jī)小分子有良好地脫除率,可能會(huì)覆蓋90%以上地日用化工 廢水處理. p9 m9 J. e+ w

11、O. w (2石油工業(yè)廢水處理.# l% L* D/ F t 石油工業(yè)廢水主要包括石油開采和煉制過程中產(chǎn)生地含各種無機(jī)鹽和有機(jī)物地廢水,其成分 非常復(fù)雜,處理難度大.采用膜法特別是NF法與其他方法相給合,既可有效處理廢水還可以 回收有用物質(zhì).例如,先用NF膜將原油廢水別離成富油地水相和無油地鹽水相,然后把富油 相參加到新鮮地供水中再進(jìn)入洗油工序,這樣既回收了原油又節(jié)約了用水.以前多采用反滲 透 和相別離結(jié)合地方法處理石油工業(yè)廢水,但存在著膜污染嚴(yán)重地問題,如果在反滲透前加一 NF膜,就可以解決膜污染地問題.石油工業(yè)地含酚廢水中主要含有苯酚、甲基酚、硝基酚以 及各類取代酚,此類物質(zhì)地毒性很大,必

12、須脫除后才能排放,假設(shè)采用NF技術(shù),不僅酚地脫除 率可達(dá)95%以上,而且在較低壓力下就能高效地將廢水中地鎘、鎳、汞、鈦等重金屬高價(jià)離 子脫除,其費(fèi)用比反滲透等方法低得多10 . S5 U$ - U. Y! C4 N7 i1 R f& E, N6 U9 u l8 E% (3殺蟲劑廢水處理.一般地水處理方法不能除去污染水中地低分子有機(jī)農(nóng)藥.通過研究NF膜對不含酚殺蟲劑地截留性能11,發(fā)現(xiàn)除了二氯化物以外,其他殺蟲劑地截留 率均高于96.7%,所有殺蟲劑在NF膜上地吸附能力均受其疏水性地影響.采用NF處理含有酚 類殺蟲劑地廢水也十分有效./ _# u% j+ D。 J9 W5 q E (4化纖、印染

13、工業(yè)廢水處理.NF可以用于印染過程排水中染料及助劑地脫除和回用.處 理染料聚合漿料時(shí),由于大多數(shù)染料地分子量在幾百到幾千,NF膜可以讓一些無機(jī)鹽或小分 子通過,而對較大地染料分子進(jìn)行截取,粗染料漿液經(jīng)NF系統(tǒng)后,染料可以富集,而無機(jī)鹽 地濃度下降,脫鹽率大于98%,染料損失率小于0.1%,而且可以在高溫下運(yùn)行.此外,NF還 可以用于纖維加工過程中地含油廢水地處理及回收再利用12?.8 D- W. _ R* Z2 s r (5生活污水處理.采用常用地生物降解和化學(xué)氧化相結(jié)合地方法處理生活污水時(shí),氧化 劑地消耗很大,殘留物多.如果在它們之間增加一個(gè)NF系統(tǒng),讓能被微生物降解地小分子( 分子量小于1

14、00通過,不能生物降解地有機(jī)大分子(分子量大于100被截留下來經(jīng)化學(xué)氧化 后再生物降解,這樣就可以充分發(fā)揮生物降解地作用,節(jié)省氧化劑或活性炭地用量,降低最 終殘留物地含量13 . (6熱電廠二次廢水地治理及回收利用.熱電廠地二次廢水主要來自沖灰、除塵及冷卻系統(tǒng),此類廢水中含有大量地懸浮固體、灰份 及高含量地鹽份和局部有機(jī)物.利用NF可以把這一類廢水處理成工業(yè)回用水.首先用微濾除 去水中地全部懸浮顆粒,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99%地BOD、98%地COD、73%地總氮和17%地總磷,同時(shí)將 水中地菌落總數(shù)降到34個(gè)/L,然后加酸降低pH以除去CO2,最后再經(jīng)NF脫鹽,到達(dá)鍋 爐用水地質(zhì)量.澳大利亞太平洋熱電

15、廠地Eraring發(fā)電站目前已用NF對此類廢水進(jìn)行處理, 每天處理1 00015 000 m3廢水,既減輕了市政供水系統(tǒng)地負(fù)荷,每年又可為熱電廠節(jié)約 操作費(fèi)用80萬美元.該熱電廠準(zhǔn)備擴(kuò)大發(fā)電規(guī)模,用水量也相應(yīng)增大,估計(jì)到2021年,處理 此類廢水量將達(dá)5 000 m3/d,效益極其可觀14?. (7酸洗廢液處理.鋼廠地酸洗工序是將鋼材浸入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%左右地硫酸酸洗槽中進(jìn)行 酸洗.隨著酸洗地進(jìn)行,硫酸濃度逐漸降低,硫酸亞鐵濃度不斷增高,當(dāng)溶液中硫酸地質(zhì)量 分?jǐn)?shù)降至6%8%、生成地硫酸亞鐵濃度超過200250 g/L時(shí),酸洗速率下降,必須更 換酸洗液,排放酸洗廢液.酸洗好地鋼材必須用清水進(jìn)行沖

16、洗以除去外表地酸性物質(zhì),又造 成了廢酸水地外排.為了保護(hù)環(huán)境,節(jié)約資源,可采用NF工藝處理酸洗廢液.利用NF膜對硫酸和硫酸亞鐵截留率地不同,先將硫酸亞鐵截留在濃縮液中,然后將濃縮液送入冷卻結(jié)晶罐, 冷卻結(jié)晶出FeSO47H2O；透過液再經(jīng)能截留硫酸地另一NF膜組件,截留后濃縮為20%地 硫酸,再生酸液回收利用,透過液那么排至廢酸水站,進(jìn)一步處理排放或回收.這一工藝回收 了硫酸和硫酸亞鐵,同時(shí)實(shí)現(xiàn)了酸洗廢液地回收綜合利用和廢酸水達(dá)標(biāo)排放地目地15 .% I/ _- E% _+ a+ S4 f7 Z Z/ q1 f (8造紙廢水處理.采用NF膜技術(shù)替代傳統(tǒng)地化學(xué)處理 法能更為有效地除去深色木質(zhì)素.

17、木漿漂白過程產(chǎn)生地氯化木質(zhì)素 是帶負(fù)電地,容易被帶負(fù)電性地NF膜截留,并且對膜不會(huì)產(chǎn)生污染.另外,因?yàn)檎?個(gè)處理過程中對陽離子(Na+地脫除率并沒有嚴(yán)格要求,采用反滲透技術(shù)就顯得沒有必要 .采用超濾/納濾處理牛皮紙制造廢水有很好地效果16 .7 l1 | W2 u7 a3 M D. N2 U YY 2.3前景 0 k C0 m& d+ U% o1 U# B NF膜對水中分子量為幾百地有機(jī)小分子具有別離性能,對色度、硬度和異味有很好地去除 能力,并且操作壓力低,水通量大,因而將在水處理領(lǐng)域發(fā)揮巨大地作用.目前,在NF膜 地制備、表征和別離機(jī)理方面,還有大量地技術(shù)問題需要解決,尚需要開發(fā)廉價(jià)而性能

18、優(yōu)良 地膜,并能提供應(yīng)用戶各種準(zhǔn)確地膜性能參數(shù),這些都是納濾技術(shù)在廢水處理及其他應(yīng)用中 地關(guān)鍵.- C/ _& z! ( T4 w$ K* 3 V, 0 R& 0 x2 P% h7 : C 3可用于水處理地其他納M技術(shù) 除了納MTiO2和NF技術(shù)之外,還有許多其他納M技術(shù)也可用于水處理17.例 如,一些廢水中含有貴金屬金、釕、鈀、鉑等對人體非常有害地物質(zhì),其排放不僅污染環(huán)境, 也是對資源地浪費(fèi),采用納M技術(shù)可以將廢水中地貴金屬完全提煉出來,變害為寶.一種新 型地納M凈水劑具有很強(qiáng)地吸附能力和絮凝能力,是AlCl3地1020倍,可以將廢水中 地懸浮物完全吸附并沉淀下來.采用納M磁性物質(zhì),能有效地

19、去除水中地鐵銹、泥沙等污染物和 異味+ w+ V+ D* m* g$ $ A% t/ z9 o- M9 u。 n# D7 D 4結(jié)語 納M科技是一門新興地學(xué)科,其在水處理中地應(yīng)用才剛開始,但已初顯端倪.可以預(yù)見 ,隨著研究工作地不斷深入和實(shí)用化水平地提高,納M水處理技術(shù) 將在21世紀(jì)得到開展,并對解決全球性地水荒和水體污染問題起到十分重要地作用.- Q! n3 : q% |0 r V 參考文獻(xiàn) 8 v8 M8 F$ l6 G! |1 K! u7 x 3 w+ I& B9 J- L$ 4 a7 W+ L0 B 1張立德,牟季美.納M材料和納M結(jié)構(gòu).北京：科學(xué)出版社,2001.2 9 j( r0

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