一体式光催化膜分离反应器膜污染影响因素的研究

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1、一体式光催化－膜分离反应器膜污染影响因素的研究1,21解立平，王能亮（1.天津工业大学材料科学与化学工程学院，天津300160；2.天津工业大学中空纤维膜材料与膜过程教育部重点实验室，天津300160）摘要:通过利用颗粒状TiO2催化剂（平均粒径0.258μm）对酸性红B模拟废水的催化降解实验，对一体式光催化氧化-膜分离三相流化床反应器的膜污染特性进行了研究。结果表明，TiO2是造成膜污染的主要污染物，且TiO2浓度愈大，膜污染愈严重；本实验体系TiO2的适-13-1宜浓度为2g.L。反应区曝气量在3.6m.h时

2、膜污染最小；膜组件底部的曝气装置可大大3-1减轻膜污染，且其曝气量以0.6m.h为宜。表面冲洗、气体反冲洗、碱洗均可有效地清除膜表面和膜孔内的污染物，使膜通量恢复至90％以上；表面冲洗＋反冲洗”的清洗方法能够有效地恢复膜通量。关键词：膜污染；光催化氧化；膜分离；反应器引言光催化氧化技术以其催化活性高、稳定性好、无二次污染以及成本低等特点而成为废水（尤其是难降解废水）处理的有效方法，并得到了初步的应用；其中TiO2被广泛地用作光催化剂。然而，催化剂粒子的分离和回收问题制约着该技术的进一步应用，并使之成为该领[1-2

3、]域的研究热点之一。基于此，一些研究者通过将光催化氧化与膜技术耦合以解决催化剂的分离、回收问题。由于有机膜表面长时间被紫外灯照射并在光催化剂作用下会造成膜材料[2-4]的分解，使得有机膜分离与光催化耦合工艺均为分置式的，而一体式耦合工艺中则普遍[5-6]采用无机膜；同时由于在一体式耦合工艺中多使用粉末态催化剂，使得催化剂容易沉积[5-7]在膜孔道内，造成严重的膜污染。[8]基于有机膜具有分离效率高、设备简单、易操作、能耗少等优点，而一体式耦合工艺则具有结构简单、投资小、占地面积少等特点，我们开发了新型一体式光催化

4、氧化－膜分离三相流化床反应器，其中的膜组件由有机膜构成，并通过在膜组件底部设置曝气装置，同时采用颗粒状催化剂，以期减轻膜污染，提高反应器处理能力。本文通过利用颗粒状TiO2催化剂对酸性红B的降解实验，对一体式反应器的膜污染特性进行了研究。基金项目：天津工业大学中空纤维膜材料与膜过程教育部重点实验室开放基金项目(060514)作者简介：解立平(1963-)，男，博士，副教授。E-mail:xielp368@263.net电话：1375214011311实验内容1.1实验装置一体式光催化－膜分离反应器的结构、实验装置

5、和流程如图1所示。#5针型阀压力表1#针型阀2#流量计配水箱空气压缩机3#针型阀4真#针型阀3#A3空流水位表量浮球阀水箱中计6#针型阀空纤7#针型阀2#针型阀维A4#A2隔膜泵8针型阀膜组件反冲水箱9#针型阀1#流量计曝气装置A1高压汞灯A5曝气装置球阀图1实验工艺流程图Fig.1Flowchartofexperimentalprocess反应器分为上下2个区,下部为光催化氧化反应区A1，设有高压汞灯，光催化剂在曝气气流作用下悬浮在该反应区内；上部为膜分离区A3，出水口与膜组件相连，入水口设在反应装置底部；2个

6、区由倒Z形导流板D得以分开，避免反应区的紫外光进入膜分离区而使有机膜被分解。2个反应区均设有曝气装置并实现分别控制。反应器的工作原理为：在曝气气流作用下，由水位水箱经入水口进入下部光催化氧化反应区A1的废水与光催化剂迅速混合，催化剂、废水、气体在A1反应区形成均匀的三相流化床反应体系，使光催化剂与废水中的污染物充分接触，并在光的照射下污染物被氧化分解；同时在导流板的作用下，被降解的废水在曝气气流裹挟下在A2区形成上升水流，并进入膜分离区A3。膜组件底部曝气装置产生的曝气气流使膜丝抖动，膜丝表面在汽泡剪切力的作用下

7、可避免或减轻光催化剂、污染物等的附着，从而减轻膜污染。在膜分离区经截留后的废水和光催化剂混合液进入A4区域并形成下降水流而进入反应器的A5区域，水流通过A5区进入A1区后继续进行光催化氧化反应，由此形成一个A1→A2→A3→A4→A5→A1的水流流动和循环。水流下降过程中在膜组件底部曝气气流的作用下一部分下降废水进入膜组件底部，并随曝气气流一起向上流动经过膜组件。膜组件将上升水流中的光催化剂截留，经膜分离后的水则由出水口排出。2由于汞灯产生的热量将使整个反应体系的温度升高，故在汞灯外设置了中空石英玻璃冷阱套，既保

8、证了紫外光的透过性，又可通过循环冷却水使反应系统的温度保持恒定。反应器的水位由配水箱、高位水箱控制。反应器水位降低时，浮球阀自动打开，配水箱中的酸性红B模拟废水经高位水箱进入反应器；当反应器中的水位和高位水箱水位一致时，浮球阀自动关闭。膜分离区和反应区的曝气量由阀1#、2#针型阀控制。膜出水时关闭5#、7#、8#针型阀，开启3#、4#、6#、9#针型阀，其中由4#针型阀控