無(wú)機(jī)/有機(jī)廢水的納米技術(shù)一體化處理裝置

王圣洋

指導(dǎo)老師：吳慶生 （同濟(jì)大學(xué)）

1.背景

1.1 廢水的分類(lèi)

在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中，“廢水”和“污水”兩個(gè)術(shù)語(yǔ)的用法比較混亂。從科學(xué)角度而言，“廢水”是指廢棄外排的水，強(qiáng)調(diào)其“廢棄”的一面；“污水”是指被臟物污染的水，強(qiáng)調(diào)其“臟污”的一面。但是，有不少的生產(chǎn)排水并不是臟的（比如冷卻水等），因此用“廢水”這一術(shù)語(yǔ)統(tǒng)稱(chēng)所有的廢水比較合適。

表1 廢水分類(lèi)

1.2 目前工業(yè)廢水的主要處理方式

廢水處理是將廢水中所含有的各種污染物與水進(jìn)行分離或者將各種污染物進(jìn)行降解，從而達(dá)到凈化廢水的過(guò)程。常規(guī)工業(yè)廢水處理方法主要分為：物理處理、化學(xué)處理、物理化學(xué)處理和生物處理方法等。從表2中可以了解工業(yè)廢水的常規(guī)處理方法。

表2 常規(guī)工業(yè)廢水的主要處理方法

表3 工業(yè)廢水的新處理方法

2.設(shè)計(jì)思路

經(jīng)過(guò)對(duì)廢水的種類(lèi)以及廢水的處理方法的綜合調(diào)研，了解到支撐液膜技術(shù)與納米光催化技術(shù)特點(diǎn)后，針對(duì)無(wú)機(jī)/有機(jī)廢水提出了以下的設(shè)計(jì)思路：

圖1

利用支撐液膜來(lái)處理無(wú)機(jī)廢水中的陰陽(yáng)離子，得到納米光催化材料，實(shí)現(xiàn)“變廢為寶”。同時(shí)以制備好的納米光催化材料作為光催化劑，通過(guò)紫外燈照射徹底降解有機(jī)廢水，實(shí)現(xiàn)“以廢治廢”，達(dá)到對(duì)無(wú)機(jī)/有機(jī)廢水的徹底一體化處理并對(duì)環(huán)境無(wú)二次污染。

2.1 變廢為寶

本設(shè)計(jì)的主要處理對(duì)象有重金屬陽(yáng)離子,如:Zn2+、Cd2+、Hg2+、Cu2+、Ag+、Fe2+、Pb2+等；重金屬陰離子以及非金屬類(lèi)陰離子，如CrO、MoO、S2-、OH-等。首先利用支撐液膜法制備納米材料，并處理陰陽(yáng)離子無(wú)機(jī)廢水。例如，Pb2++CrO→PbCrO4，Pb2+通過(guò)與支撐液膜里的載體結(jié)合從支撐液膜的一側(cè)運(yùn)輸?shù)街我耗さ牧硪粋?cè)與CrO反應(yīng)生成PbCrO4，從而實(shí)現(xiàn)了回收Pb和Cr。PbCrO4是一種優(yōu)良的半導(dǎo)體材料，可以作為下一步光催化處理有機(jī)物的催化劑，實(shí)現(xiàn)“變廢為寶”。

2.2 實(shí)現(xiàn)“以廢治廢”

生成的PbCrO4納米粒子通過(guò)曝氣器的鼓泡作用分散在溶液當(dāng)中，通過(guò)紫外燈的照射，可以催降解有機(jī)污染物，有機(jī)污染物分解成CO2和H2O等。此處理過(guò)程中無(wú)需加入其它種類(lèi)化學(xué)試劑，實(shí)現(xiàn)真正的“以廢治廢”，無(wú)二次污染，符合當(dāng)前綠色化學(xué)的時(shí)代潮流，更有利于促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展。

2.3 一體化

基于以上“變廢為寶”和“以廢治廢”兩種思想的提出，我們由此想到將其合二為一，以實(shí)現(xiàn)在同一裝置中同時(shí)處理無(wú)機(jī)陰陽(yáng)離子廢水與有機(jī)廢水的效果。我們先以一個(gè)廢水處理單元為例。

（1）首先利用支撐液膜法處理無(wú)機(jī)陰陽(yáng)離子廢水，由于支撐液膜中含有載體，而載體對(duì)金屬陽(yáng)離子有很強(qiáng)的選擇性，因此能富集金屬陽(yáng)離子，使其較容易的與陰離子形成沉淀，從而輕易的實(shí)現(xiàn)廢水中的陰陽(yáng)離子的低濃度排放，同時(shí)沉淀下來(lái)的重金屬鹽能較容易的實(shí)現(xiàn)分離與回收。

（2）在處理單元中安裝紫外光燈管，當(dāng)紫外光照射處理單元時(shí)，有機(jī)污染物通過(guò)支撐液膜形成的納米光催化劑可以得到徹底降解。這樣的設(shè)計(jì)是免去了從支撐液膜上取下納米材料的過(guò)程，由此直接原位對(duì)有機(jī)物進(jìn)行降解。最后，有機(jī)物被徹底降解成CO2和H2O，所得產(chǎn)物均對(duì)環(huán)境無(wú)毒無(wú)害。

由此，我們?cè)谕谎b置中實(shí)現(xiàn)了無(wú)機(jī)有機(jī)廢水的同時(shí)處理，并且工序簡(jiǎn)單，操作方便。該過(guò)程充分利用了廢水中的廢物，體現(xiàn)了“綠色化學(xué)”的理念。

問(wèn)題3：定理的逆命題,即“若函數(shù)y=f(x)在區(qū)間[a,b]上的圖象是一條不間斷的曲線,且函數(shù)y=f(x)在區(qū)間(a,b)上有零點(diǎn),則f(a)·f(b)<0”成立嗎？

3.裝置設(shè)計(jì)

3.1 裝置的AutoCAD圖

圖2 裝置的AutoCAD圖

3.2 裝置的操作流程

本發(fā)明涉及一種無(wú)機(jī)/有機(jī)廢水的納米技術(shù)一體化處理裝置。首先我們將工業(yè)排放的有機(jī)廢水（例如羅丹明B）分別與工業(yè)排放的重金屬離子（例如Pb2+）、陰離子（例如CrO）進(jìn)行混合并儲(chǔ)蓄于儲(chǔ)水單元的左側(cè)與右側(cè)。當(dāng)儲(chǔ)水單元的重金屬離子有機(jī)廢水（Pb2+、羅丹明B）與陰離子有機(jī)廢水（CrO、羅丹明B）分別經(jīng)過(guò)出水管道閥門(mén)1/2流出，并經(jīng)過(guò)進(jìn)水管道閥門(mén)3/4流入第一個(gè)廢水處理單元的左側(cè)與右側(cè)后，重金屬離子（Pb2+）通過(guò)支撐液膜與陰離子（CrO）形成半導(dǎo)體納米光催化材料（PbCrO4），實(shí)現(xiàn)“變廢為寶”，形成的半導(dǎo)體納米光催化材料（PbCrO4）通過(guò)紫外燈的照射催化降解有機(jī)廢水（羅丹明B）并徹底分解成CO2和H2O，最后實(shí)現(xiàn)“以廢治廢”。然后當(dāng)重金屬離子有機(jī)廢水（Pb2+、羅丹明B）與陰離子有機(jī)廢水（CrO、羅丹明B）分別經(jīng)過(guò)出水管道閥門(mén)5/6流出，并經(jīng)過(guò)進(jìn)水管道閥門(mén)7/8流入第二個(gè)廢水處理單元的左側(cè)與右側(cè)后，第二個(gè)廢水處理單元的作用與第一個(gè)廢水處理單元的作用是相同的，只是進(jìn)入第二個(gè)廢水處理單元的廢水含量更低，因?yàn)橛兄我耗さ拇嬖?，重金屬離子（Pb2+）與陰離子（CrO）形成半導(dǎo)體納米光催化材料（PbCrO4）完全不受影響。本實(shí)用新型中廢水處理單元只設(shè)計(jì)了二個(gè)，實(shí)際上可以根據(jù)具體情況進(jìn)行增減。接著當(dāng)重金屬離子有機(jī)廢水（Pb2+、羅丹明B）與陰離子有機(jī)廢水（CrO、羅丹明B）分別經(jīng)過(guò)出水管道閥門(mén)9/10流出，并經(jīng)過(guò)進(jìn)水管道閥門(mén)11/12流入過(guò)濾處理單元的左側(cè)與右側(cè)后，進(jìn)行過(guò)濾沉降。最后當(dāng)重金屬離子有機(jī)廢水（Pb2+、羅丹明B）與陰離子有機(jī)廢水（CrO、羅丹明B）分別經(jīng)過(guò)出水管道閥門(mén)13/14流出，并經(jīng)過(guò)進(jìn)水管道閥門(mén)15/16流入廢水含量檢測(cè)單元的左側(cè)與右側(cè)后，分別檢測(cè)離子和有機(jī)物質(zhì)含量是否達(dá)到國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)，如果不能達(dá)標(biāo)，通過(guò)泵B1/B2可以把廢水循環(huán)返回儲(chǔ)水單元，然后再次進(jìn)行處理，如果能達(dá)標(biāo)，直接排放。

3.3 裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了在處理過(guò)程中更加高效可控，我們?cè)谘b置結(jié)構(gòu)上提出以下細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)：

（1）在整個(gè)處理過(guò)程中，根據(jù)具體需要建立多個(gè)重復(fù)處理單元，實(shí)現(xiàn)對(duì)廢水的多重處理，使廢水得到充分處理。

（2）相鄰處理單元之間使用獨(dú)特的玻璃管連接設(shè)計(jì)，使得處理單元中的水面能與支撐液膜上端相平，讓支撐液膜完全浸沒(méi)在水中，充分利用支撐液膜。

（3）玻璃管和處理單元連接處裝有可控閥門(mén)。通過(guò)調(diào)整閥門(mén)打開(kāi)程度，可以控制裝置中廢水的流速，必要時(shí)，可使廢水靜止，從而保證廢水在裝置中得以充分處理。

（4）考慮到在處理過(guò)程中光催化反應(yīng)的完成度，我們?cè)诿總€(gè)處理單元中安裝了曝氣器，向水中鼓氣泡，使溶液達(dá)到均勻，同時(shí)使形成的納米光催化材料均勻分布在廢水中，提高光催化反應(yīng)效率，同時(shí)也可以提高水中的氧氣含量，使水質(zhì)更佳。

（5）在更換部件上突出靈活性、簡(jiǎn)便性和實(shí)用性。在光催化反應(yīng)器部分，裝有紫外光燈管的濾池頂板為可拆卸式，方便紫外燈管的替換。支撐液膜過(guò)濾層部分則在濾池的隔板中間。考慮到支撐液膜相對(duì)較短的使用壽命，將其設(shè)計(jì)成了可從濾池上方抽出的滑框，支撐液膜固定在處理單元的中央。在框與濾池的連接部分使用到了橡膠墊層來(lái)填補(bǔ)滑框和濾池池壁之間的縫隙，避免膜兩側(cè)的液體混合。

4.實(shí)驗(yàn)探索與實(shí)驗(yàn)進(jìn)展

圖3 裝置實(shí)物運(yùn)行圖

圖4 利用紫外分光光度計(jì)檢測(cè)濃度

我們根據(jù)設(shè)計(jì)圖制作出了相應(yīng)的模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。使用裝置對(duì)含20mg/L的羅丹明B與5mg/L的硫化鋅廢水進(jìn)行處理，用紫外分光光度計(jì)測(cè)定在不同時(shí)間段，在裝置出水處前的兩個(gè)處理單元內(nèi)的廢水的有機(jī)物濃度情況?？梢?jiàn)在處理至1小時(shí)后，吸光度在最大吸收波長(zhǎng)處大幅下降。

5.探索不同無(wú)機(jī)陰陽(yáng)離子有機(jī)廢水的處理

5.1 Cd2+/OH-、羅丹明B

圖5

通過(guò)以上數(shù)據(jù)分析，通過(guò)支撐液膜法生成的Cd(OH)2比直接沉淀法生成的Cd(OH)2的降解率高達(dá)40%，證明重金屬離子廢水、堿性廢水、有機(jī)廢水能夠通過(guò)本裝置得到應(yīng)用。

5.2 Pb2+/S2-

圖6

5.3 Cd2+/S2-

6.應(yīng)用前景

由于目前科學(xué)技術(shù)不夠發(fā)達(dá)，許多工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程有仍大量廢水排出，其中存在以重金屬離子和有機(jī)物為主的對(duì)環(huán)境有害的物質(zhì)。

目前大部分的工業(yè)廠家都有著分別獨(dú)立處理廢水的多個(gè)裝置。然而在現(xiàn)今我國(guó)土地資源緊張的狀況下，更需要節(jié)省占地和建造成本的處理裝置。而本裝置正擁有這一特點(diǎn)。其全面一體化的處理效果，使過(guò)去繁瑣的分類(lèi)廢水處理工序得到優(yōu)化。不僅提高效率，并且只需一個(gè)處理池裝置，節(jié)約土地和建造成本。

基于以上的優(yōu)點(diǎn)，此裝置還可以被各地工業(yè)園區(qū)參考利用，用于其整體規(guī)劃的價(jià)值?？蓪⑴懦鰺o(wú)機(jī)廢水為主的廠家如電鍍廠和排出有機(jī)廢水為主的廠家如農(nóng)藥廠統(tǒng)籌規(guī)劃在同一區(qū)域，減少了過(guò)去分別處理所帶來(lái)的人力與物力上的多余消耗，一步即可同時(shí)為多個(gè)不同種類(lèi)廠家解決廢水處理問(wèn)題。具有良好的經(jīng)濟(jì)前景和價(jià)值。

另一方面，本裝置“變廢為寶”的優(yōu)點(diǎn)，可使本來(lái)?xiàng)壷挥玫闹亟饘匐x子得到回收利用。既可以作為工廠的副產(chǎn)品增加收入和利潤(rùn)，同時(shí)也可作為本身工序中需要的物質(zhì)，比如就在本處理裝置中，可作為光催化劑處理有機(jī)物，達(dá)到了“以廢治廢”的良好效果。充分利用原料中的金屬離子，也是當(dāng)今所倡導(dǎo)的綠色化學(xué)的理念體現(xiàn)。

然而，本裝置仍存在一些弊端。首先由于支撐液膜及光催化劑的使用是有著較嚴(yán)格的PH值規(guī)定，所以在處理前需要將廢水的PH值控制在允許范圍內(nèi)。而這一點(diǎn)限制了本裝置對(duì)于強(qiáng)酸強(qiáng)堿廢水的處理應(yīng)用。同時(shí)，由于支撐液膜的利用，導(dǎo)致進(jìn)水水速不能過(guò)快，否則會(huì)影響到支撐液膜分離重金屬離子的效果。所以本裝置在水速控制上有著一定的要求，需要通過(guò)其他裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)。

綜上，本裝置以“變廢為寶”、“以廢治廢”和一體化處理的三個(gè)概念為設(shè)計(jì)思路。對(duì)于處理綜合性的化學(xué)廢水有著優(yōu)秀地處理能力。在未來(lái)的工業(yè)應(yīng)用方面將會(huì)有很大的利用空間。同時(shí)，本裝置獨(dú)特的治理廢水的方案也值得以后的同行所借鑒，提供了新穎的設(shè)計(jì)思路。

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