一种光催化-纳滤陶瓷膜深度净水处理装置及其制备方法与流程

本发明涉及水处理
技术领域：
，具体涉及一种光催化-纳滤陶瓷膜深度净水处理技术。
背景技术：
：纳滤陶瓷膜是一种介于反渗透和超滤之间的压力驱动膜，以无机陶瓷材料经特殊工艺制备而成，管式陶瓷膜管壁密布微孔，在压力作用下，待处理溶液在膜管内或膜外侧流动，小分子物质(或液体)透过膜，大分子物质(或固体)被膜截留，从而达到分离、纯化和环保等目的。纳滤陶瓷膜截留有机物的分子量大约为150-500左右，截留溶解性盐的能力为2-98％之间，与有机纳滤膜相比，具有化学稳定性好、耐酸碱、耐有机溶剂、耐菌、耐高温、抗污染、机械强度高、再生性能好、分离过程简单、能耗低、操作维护简便、使用寿命长等众多优势，但随着过滤精度的提高其加工难度和成本也随之急剧提高。光催化技术是半导体催化剂(tio2等)在光照(紫外光/可见光)下产生的光生电子或光生空穴等活性中间产物与水中的水分子或溶解氧等结合生成具有强氧化性的羟基自由基(·oh)和活性氧类物质(·o2-，·ooh，h2o2等)将水体中的微量有机污染物进行氧化降解的一个过程，同时，强氧化基团还会无选择性的与微生物细胞结合，穿透破坏其外层，而后造成细胞膜、胞内代谢物质及遗传物质的氧化破坏，最终导致其彻底死亡。不同于传统的吸附或膜分离技术(污染物转移)，光催化技术是一种分解技术，可将水体中的微量有机污染物矿化成co2、h2o、无机盐等无毒无害的小分子无机物，同时在净水处理中还会充分保留其矿质元素，在深度净化和高效杀菌消毒的同时，不会造成二次污染。技术实现要素：本发明所要解决的第一个技术问题是：针对现有技术存在的不足，提供一种光催化-纳滤陶瓷膜深度净水处理装置，将陶瓷膜过滤、光催化杀菌降解反应和纳滤层除盐技术进行整合，在处理地下水或自来水中的微量有机污染物、致病菌，降低硬度的同时保留部分矿物质，保障了水质安全，节约了水资源，提高了水处理效果。本发明所要解决的第二个技术问题是：针对现有技术存在的不足，提供一种光催化-纳滤陶瓷膜深度净水处理装置的制备方法，制备得到的水处理装置将陶瓷膜过滤、光催化杀菌降解反应和纳滤层除盐技术进行整合，在处理地下水或自来水中的微量有机污染物、致病菌，降低硬度的同时保留部分矿物质，保障了水质安全，节约了水资源，提高了水处理效果。为解决上述第一个技术问题，本发明的技术方案是：一种光催化-纳滤陶瓷膜深度净水处理装置，包括壳体，所述壳体内依次套设有陶瓷膜滤芯和石英管，并将所述壳体的内腔分割为外腔体和内腔体；所述陶瓷膜滤芯至少包括上段、中段、下段三段，且所述上段、中段、下段与所述壳体和石英管之间分别通过外隔断和内隔断将所述外腔体和内腔体分割为包括外层下腔体、外层上腔体、内层下腔体和内层上腔体的至少四个独立腔体；所述陶瓷膜滤芯的内表面复合有纳米光催化剂层；所述陶瓷膜滤芯的上段外表面复合有纳滤层。作为改进的一种技术方案，所述纳米光催化剂层为二氧化钛纳米光催化剂层；所述纳滤层为二氧化钛纳滤层。作为改进的一种技术方案，所述陶瓷膜滤芯的上段的孔径为1～20nm；中段的孔径为20～100nm；下段的孔径为100～1000nm。作为改进的一种技术方案，所述壳体的下部外层下腔体处设有进水口；所述壳体的顶部内层上腔体处设有出水口；所述壳体的底部外层下腔体处设有第一反冲洗口；所述壳体的上部外层上腔体处设有第二反冲洗口。作为改进的一种技术方案，所述外隔断和内隔断与壳体、陶瓷膜滤芯和石英管之间分别通过螺纹活动连接；并通过胶圈密封。作为优选的一种技术方案，所述陶瓷膜滤芯的内壁与石英管外壁之间的间距为0.5～10cm。作为优选的一种技术方案，所述石英管设置于壳体轴心位置，所述石英管两端与壳体密封，所述石英管内部安置汞灯光源，汞灯光源功率为10～300w。作为优选的一种技术方案，所述壳体上下两端使用螺纹连接与所述石英管密封并防止紫外光外泄；所述外隔断和所述内隔断使用旋盖密封螺纹与所述壳体和所述石英管连接，便于拆卸；侧面底部进水口位置低于所述内隔断所在位置；第一反冲洗口位于所述壳体侧面中下部且略高于内隔断所在位置；出水口位置在顶部上层内腔体处；第二反冲洗口在底部的外层下腔体处。所述壳体长度及直径等尺寸需与所选用陶瓷膜滤芯和汞灯光源的尺寸相匹配。为解决上述第二个技术问题，本发明的技术方案是：光催化-纳滤陶瓷膜深度净水处理装置的制备方法，其中，在所述陶瓷膜滤芯的内表面复合纳米光催化剂层的方法包括以下步骤：(1)去掉内隔断，使内层下腔体和内层上腔体两个腔体连通为一个内腔体；去掉外隔断，使外层下腔体、外层上腔体两个腔体连通为一个外腔体；(2)关闭进水口和第一反冲洗口，将所述装置倒置；从出水口注入二氧化钛浸渍溶液，所述浸渍溶液注入量为内腔体容积的100％；在第二反冲洗口处提供负压，使得外腔体和内腔体之间形成压差：第二反冲洗口处负压压力-0.09～-0.1mpa，出水口压力为0.1～0.15mpa；浸渍时间1～10s，浸渍次数为2～5次，每次浸渍后在20～100℃干燥；(3)从出水口处注入二氧化钛浸渍溶液至外隔断处，在第二反冲洗口处提供负压，使得外腔体和内腔体之间形成压差；第二反冲洗口处负压压力-0.09～-0.1mpa；浸渍时间1～10s，浸渍次数为2～5次，每次浸渍后在20～100℃干燥；(4)从出水口处注入二氧化钛浸渍溶液至外隔断处，在第二反冲洗口处提供负压，使得外腔体和内腔体之间形成压差；第二反冲洗口处负压压力-0.09～-0.1mpa；浸渍时间1～10s，浸渍次数为2～5次，每次浸渍后在20～100℃干燥；(5)将所述陶瓷膜滤芯进行煅烧，在温度200～600℃热处理1～5h。作为改进的一种技术方案，所述二氧化钛浸渍溶液中含有纳米二氧化钛、ptfe和peg-200；其中纳米二氧化钛浓度为0.1～5g/l，ptfe和peg-200的含量分别为0.1～0.3wt％。作为改进的一种技术方案，在所述陶瓷膜滤芯的上段外表面复合纳滤层的方法包括以下步骤：(1)将所述陶瓷膜滤芯的上段和下段互换，将上段置于最下部、下段置于最上部，关闭进水口和出水口；(2)自第二反冲洗口处注入二氧化钛溶胶，注满外层下腔体，所述第二反冲洗口处的注入压力为0～0.15mpa，在第一反冲洗口处保持负压为-0.09～0mpa，浸渍时间1～10s，浸渍次数为2～5次，每次浸渍后在20～100℃干燥；(3)将所述陶瓷膜滤芯进行煅烧，在温度200～600℃热处理1～5h。作为改进的一种技术方案，所述二氧化钛溶胶是以钛酸酯为前驱体，在酸催化条件下通过聚合溶胶法制备所得。由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：本发明的光催化-纳滤陶瓷膜深度净水处理装置，陶瓷膜滤芯至少包括上段、中段、下段三段，且所述上段、中段、下段与所述壳体和石英管之间分别通过外隔断和内隔断将外腔体和内腔体分割为包括外层下腔体、外层上腔体、内层下腔体和内层上腔体的至少四个独立腔体；所述陶瓷膜滤芯的内表面复合有纳米光催化剂层；所述陶瓷膜滤芯的上段外表面复合有纳滤层。陶瓷膜滤芯的三段设计和四个独立腔体的设计，三段滤芯与隔断可自由组合排布；有利于污染物的逐级过滤，四个独立腔体的设置使所处理水中大颗粒、胶体等不溶物和除盐所形成的疏松垢层分别在陶瓷膜滤芯的下段外壁和上段外壁处各自累积，避免了难处理复合污染层的形成；减少了昂贵的精密陶瓷膜的使用，降低了成本和精密陶瓷膜易堵塞及被污染的负荷；而且本发明陶瓷膜过滤功能、光催化剂层杀菌降解功能和纳滤层除盐功能的组合，实现了一个装置同时降解有机毒性物质、杀菌消毒和去除高价盐离子的深度净水功能。本发明的光催化-纳滤陶瓷膜复合滤芯的深度净水处理装置，以无机tio2纳滤层代替有机纳滤膜，可将水体中的微量有机污染物矿化成co2、h2o、无机盐等无毒无害的小分子无机物，同时在净水处理中还会充分保留其矿质元素，在深度净化和高效杀菌消毒的同时，不会造成二次污染。本发明的陶瓷膜滤芯的上段的孔径为1～20nm；用于纳滤层、纳米光催化剂层的载体和进一步过滤；中段的孔径为20～100nm；用于纳米光催化剂层的载体和进一步过滤，减轻上段膜层的污染负荷，降低成本和技术难度；下段的孔径为100～1000nm，用于纳米光催化剂层的载体和过滤，减轻后续膜层的污染负荷，降低成本和技术难度。采用精度不同的三段陶瓷膜滤芯过滤，在符合作为纳米二氧化钛光催化剂层(20-1000nm)和纳滤层(1-20nm)载体精度的前提下，极大的降低了成本，独立腔体的分级过滤，也降低了高过滤精度下滤芯易被污染和堵塞的负荷。本发明的四个独立腔室的设计，和两个反冲洗口的设计，以及两个隔断的螺纹活动连接，关闭进水口和第二反冲洗口，从出水口进水，第一反冲洗口出水，尤其针对处理高硬度水时可单独反冲洗陶瓷膜滤芯上段外层的疏松垢层；关闭第一反冲洗口(或出水口)和进水口，从出水口(或第一反冲洗口)进水，从第二反冲洗口出水，可反冲洗陶瓷膜滤芯下段外层的颗粒物污染层；当污染层较厚时可先拆卸壳体，取出滤芯，手工打磨去除上下段外壁表面的污染层，再进行反冲洗操作。本发明采用压差浸渍在三段陶瓷膜内壁设置纳米光催化剂层，采用溶胶-凝胶、压差浸渍-热处理工艺在上段陶瓷膜外壁设置纳滤层，相比普通浸渍法，压差浸渍获得的纳米光催化剂层和纳滤层负载的更加牢固，寿命更长。附图说明下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。图1是本发明实施例的结构剖视图；图中，1.壳体；11.进水口；12.出水口；13.第一反冲洗口；14.第二反冲洗口；2.陶瓷膜滤芯；21.上段；22.中段；23.下段；24.纳米光催化剂层；25.纳滤层；3.石英管；4.外隔断；5.内隔断；6.外层下腔体；7.外层上腔体；8.内层上腔体；9.内层下腔体；10.螺纹。具体实施方式下面结合附图和实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。如图1所示，图中，一种光催化-纳滤陶瓷膜深度净水处理装置，包括壳体1，所述壳体1内依次套设有陶瓷膜滤芯2和石英管3，并将所述壳体1的内腔分割为外腔体和内腔体；所述陶瓷膜滤芯2至少包括上段21、中段22、下段三段23，且所述上段21、中段22、下段23与所述壳体1和石英管3之间分别通过外隔断4和内隔断5将所述外腔体和内腔体分割为包括外层下腔体6、外层上腔体7、内层下腔体9和内层上腔体8的至少四个独立腔体；所述陶瓷膜滤芯2的内表面复合有纳米光催化剂层24；所述陶瓷膜滤芯2的上段外表面复合有纳滤层25。所述壳体1的下部外层下腔体处6设有进水口11；所述壳体1的顶部内层上腔体8处设有出水口12；所述壳体1的上部外层上腔体7处设有第一反冲洗口13；所述壳体的底部外层下腔体6处设有第二反冲洗口14。所述外隔断4和内隔断5与壳体1、陶瓷膜滤芯2和石英管3之间分别通过螺纹10活动连接。实施例1一种光催化-纳滤陶瓷膜深度净水处理装置，包括壳体1，所述壳体1内依次套设有陶瓷膜滤芯2和石英管3，所述陶瓷膜滤芯的内壁与石英管外壁之间的间距为0.5～10cm；并将所述壳体1的内腔分割为外腔体和内腔体；所述陶瓷膜滤芯2至少包括上段21、中段22、下段三段23，上段的孔径为1～20nm；中段的孔径为20～100nm；下段的孔径为100～1000nm；且所述上段21、中段22、下段23与所述壳体1和石英管3之间分别通过外隔断4和内隔断5将所述外腔体和内腔体分割为包括外层下腔体6、外层上腔体7、内层下腔体8和内层上腔体9的至少四个独立腔体；所述陶瓷膜滤芯2的内表面复合有纳米光催化剂层24；所述陶瓷膜滤芯2的上段外表面复合有纳滤层25。所述纳米光催化剂层为二氧化钛纳米光催化剂层；所述纳滤层为二氧化钛纳滤层。所述壳体1的下部外层下腔体处6设有进水口11；所述壳体1的下部外层下腔体处6设有进水口11；所述壳体1的顶部内层上腔体8处设有出水口12；所述壳体1的上部外层上腔体7处设有第一反冲洗口13；所述壳体的底部外层下腔体6处设有第二反冲洗口14。所述外隔断4和内隔断5与壳体1、陶瓷膜滤芯2和石英管3之间分别通过螺纹10活动连接。实施例2一种光催化-纳滤陶瓷膜深度净水处理装置，包括壳体1，所述壳体1内依次套设有陶瓷膜滤芯2和石英管3，所述陶瓷膜滤芯的内壁与石英管外壁之间的间距为2cm；并将所述壳体1的内腔分割为外腔体和内腔体；所述陶瓷膜滤芯2至少包括上段21、中段22、下段三段23，上段的平均孔径为5nm；中段的平均孔径为50nm；下段的平均孔径为1000nm；且所述上段21、中段22、下段23与所述壳体1和石英管3之间分别通过外隔断4和内隔断5将所述外腔体和内腔体分割为包括外层下腔体6、外层上腔体7、内层下腔体8和内层上腔体9的至少四个独立腔体；所述陶瓷膜滤芯2的内表面复合有纳米光催化剂层24；所述陶瓷膜滤芯2的上段外表面复合有纳滤层25。所述纳米光催化剂层为二氧化钛纳米光催化剂层；所述纳滤层为二氧化钛纳滤层。所述壳体1的下部外层下腔体处6设有进水口11；所述壳体1的顶部内层上腔体8处设有出水口12；所述壳体1的上部外层上腔体7处设有第一反冲洗口13；所述壳体的底部外层下腔体6处设有第二反冲洗口14。所述外隔断4和内隔断5与壳体1、陶瓷膜滤芯2和石英管3之间分别通过螺纹10活动连接。实施例3一种光催化-纳滤陶瓷膜深度净水处理装置，包括壳体1，所述壳体1内依次套设有陶瓷膜滤芯2和石英管3，所述陶瓷膜滤芯的内壁与石英管外壁之间的间距为5cm；并将所述壳体1的内腔分割为外腔体和内腔体；所述陶瓷膜滤芯2至少包括上段21、中段22、下段三段23，上段的平均孔径为8nm；中段的平均孔径为60nm；下段的平均孔径为500nm；且所述上段21、中段22、下段23与所述壳体1和石英管3之间分别通过外隔断4和内隔断5将所述外腔体和内腔体分割为包括外层下腔体6、外层上腔体7、内层下腔体8和内层上腔体9的至少四个独立腔体；所述陶瓷膜滤芯2的内表面复合有纳米光催化剂层24；所述陶瓷膜滤芯2的上段外表面复合有纳滤层25。所述纳米光催化剂层为二氧化钛纳米光催化剂层；所述纳滤层为二氧化钛纳滤层。所述壳体1的下部外层下腔体处6设有进水口11；所述壳体1的顶部内层上腔体8处设有出水口12；所述壳体1的上部外层上腔体7处设有第一反冲洗口13；所述壳体的底部外层下腔体6处设有第二反冲洗口14。所述外隔断4和内隔断5与壳体1、陶瓷膜滤芯2和石英管3之间分别通过螺纹10活动连接。实施例4实施例2所述的装置，其中在所述陶瓷膜滤芯的内表面复合纳米光催化剂层的方法包括以下步骤：(1)去掉内隔断，使内层下腔体和内层上腔体两个腔体连通为一个内腔体；去掉外隔断，使外层下腔体、外层上腔体两个腔体连通为一个外腔体；(2)关闭进水口和第一反冲洗口，将所述装置倒置；从出水口注入二氧化钛浸渍溶液，所述二氧化钛浸渍溶液中含有纳米二氧化钛、ptfe和peg-200；其中纳米二氧化钛浓度为1g/l，ptfe和peg-200的含量分别为0.1wt％；所述浸渍溶液注入量为内腔体容积的100％；在第二反冲洗口处提供负压，使得外腔体和内腔体之间形成压差：第二反冲洗口处负压压力-0.09mpa，出水口压力为0mpa；浸渍时间5s，浸渍次数为3次，每次浸渍后在60℃干燥；(3)从出水口处注入二氧化钛浸渍溶液至外隔断处，在第二反冲洗口处提供负压，使得外腔体和内腔体之间形成压差；第二反冲洗口处负压压力-0.05mpa；浸渍时间10s，浸渍次数为3次，每次浸渍后在60℃干燥；(4)从出水口处注入二氧化钛浸渍溶液至外隔断处，在第二反冲洗口处提供负压，使得外腔体和内腔体之间形成压差；第二反冲洗口处负压压力-0.01mpa；浸渍时间10s，浸渍次数为3次，每次浸渍后在60℃干燥；(5)将所述陶瓷膜滤芯进行煅烧，在温度350℃热处理2h。其中，在所述陶瓷膜滤芯的上段外表面复合纳滤层的方法包括以下步骤：(1)将所述陶瓷膜滤芯的上段和下段互换，将上段置于最下部、下段置于最上部，关闭进水口和出水口；(2)自第二反冲洗口处注入二氧化钛溶胶，所述二氧化钛溶胶是以钛酸酯为前驱体，在酸催化条件下通过聚合溶胶法制备所得；注满外层下腔体，所述第二反冲洗口处的注入压力为0.1mpa，在第一反冲洗口处保持负压为-0.05mpa，浸渍时间5s，浸渍次数为3次，每次浸渍后在60℃干燥；(3)将所述陶瓷膜滤芯进行煅烧，在温度350℃热处理2h。实施例5实施例3所述的装置，其中在所述陶瓷膜滤芯的内表面复合纳米光催化剂层的方法包括以下步骤：(1)去掉内隔断，使内层下腔体和内层上腔体两个腔体连通为一个内腔体；去掉外隔断，使外层下腔体、外层上腔体两个腔体连通为一个外腔体；(2)关闭进水口和第一反冲洗口，将所述装置倒置；从出水口注入二氧化钛浸渍溶液，所述二氧化钛浸渍溶液中含有纳米二氧化钛、ptfe和peg-200；其中纳米二氧化钛浓度为0.25g/l，ptfe和peg-200的含量分别为0.15wt％；所述浸渍溶液注入量为内腔体容积的100％；在第二反冲洗口处提供负压，使得外腔体和内腔体之间形成压差：第二反冲洗口处负压压力-0.06mpa，出水口压力为0.12mpa；浸渍时间8s，浸渍次数为2次，每次浸渍后在70℃干燥；(3)从出水口处注入二氧化钛浸渍溶液至外隔断处，在第二反冲洗口处提供负压，使得外腔体和内腔体之间形成压差；第二反冲洗口处负压压力-0.07mpa；浸渍时间8s，浸渍次数为2次，每次浸渍后在70℃干燥；(4)从出水口处注入二氧化钛浸渍溶液至外隔断处，在第二反冲洗口处提供负压，使得外腔体和内腔体之间形成压差；第二反冲洗口处负压压力-0.02mpa；浸渍时间8s，浸渍次数为2次，每次浸渍后在70℃干燥；(5)将所述陶瓷膜滤芯进行煅烧，在温度400℃热处理2.5h。其中，在所述陶瓷膜滤芯的上段外表面复合纳滤层的方法包括以下步骤：(1)将所述陶瓷膜滤芯的上段和下段互换，将上段置于最下部、下段置于最上部，关闭进水口和出水口；(2)自第二反冲洗口处注入二氧化钛溶胶，所述二氧化钛溶胶是以钛酸酯为前驱体，在酸催化条件下通过聚合溶胶法制备所得；注满外层下腔体，所述第二反冲洗口处的注入压力0.12mpa，在第一反冲洗口处保持负压为-0.1mpa，浸渍时间8s，浸渍次数为2次，每次浸渍后在70℃干燥；(3)将所述陶瓷膜滤芯进行煅烧，在温度400℃热处理2.5h。试验例1使用实施例2的装置进行水净化处理，以水质cod＝200mg/l(使用苯酚配制目标降解液模拟)，tds＝600mg/l，菌落总数＝1500cfu/ml的水样为原水，处理后得到的水质如表1所示。对比试验例1使用对比装置1进行水净化处理，对比装置1与实施例2的不同之处在于，陶瓷膜滤芯的内表面和上段外表面复合的均为有机纳滤膜，以水质cod＝200mg/l(使用苯酚配制目标降解液模拟)，tds＝600mg/l，菌落总数＝1500cfu/ml的水样为原水，处理后得到的水质如表1所示。对比试验例2使用对比装置1进行水净化处理，对比装置1与实施例2的不同之处在于，不设有内隔断和外隔断，以水质cod＝200mg/l(使用苯酚配制目标降解液模拟)，tds＝600mg/l，菌落总数＝1500cfu/ml的水样为原水，处理后得到的水质如表1所示。对比试验例3使用对比装置2进行水净化处理，对比装置2与实施例2的不同之处在于，陶瓷膜滤芯的上段、中段、下段的平均孔径相同，均为50nm，以水质cod＝200mg/l(使用苯酚配制目标降解液模拟)，tds＝600mg/l，菌落总数＝1500cfu/ml的水样为原水，处理后得到的水质如表1所示。表1项目原水试验例1对比试验例1对比试验例2对比试验例3cod/(mg/l)20661146245tds/(mg/l)643139192639156菌落总数150031604041当前第1页12