無機/有機廢水的納米技術一體化處理裝置

王圣洋

指導老師：吳慶生 （同濟大學）

1.背景

1.1 廢水的分類

在現實應用中，“廢水”和“污水”兩個術語的用法比較混亂。從科學角度而言，“廢水”是指廢棄外排的水，強調其“廢棄”的一面；“污水”是指被臟物污染的水，強調其“臟污”的一面。但是，有不少的生產排水并不是臟的（比如冷卻水等），因此用“廢水”這一術語統稱所有的廢水比較合適。

表1 廢水分類

1.2 目前工業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行分離或者將各種污染物進行降解，從而達到凈化廢水的過程。常規工業廢水處理方法主要分為：物理處理、化學處理、物理化學處理和生物處理方法等。從表2中可以了解工業廢水的常規處理方法。

表2 常規工業廢水的主要處理方法

表3 工業廢水的新處理方法

2.設計思路

經過對廢水的種類以及廢水的處理方法的綜合調研，了解到支撐液膜技術與納米光催化技術特點后，針對無機/有機廢水提出了以下的設計思路：

圖1

利用支撐液膜來處理無機廢水中的陰陽離子，得到納米光催化材料，實現“變廢為寶”。同時以制備好的納米光催化材料作為光催化劑，通過紫外燈照射徹底降解有機廢水，實現“以廢治廢”，達到對無機/有機廢水的徹底一體化處理并對環境無二次污染。

2.1 變廢為寶

本設計的主要處理對象有重金屬陽離子,如:Zn2+、Cd2+、Hg2+、Cu2+、Ag+、Fe2+、Pb2+等；重金屬陰離子以及非金屬類陰離子，如CrO、MoO、S2-、OH-等。首先利用支撐液膜法制備納米材料，并處理陰陽離子無機廢水。例如，Pb2++CrO→PbCrO4，Pb2+通過與支撐液膜里的載體結合從支撐液膜的一側運輸到支撐液膜的另一側與CrO反應生成PbCrO4，從而實現了回收Pb和Cr。PbCrO4是一種優良的半導體材料，可以作為下一步光催化處理有機物的催化劑，實現“變廢為寶”。

2.2 實現“以廢治廢”

生成的PbCrO4納米粒子通過曝氣器的鼓泡作用分散在溶液當中，通過紫外燈的照射，可以催降解有機污染物，有機污染物分解成CO2和H2O等。此處理過程中無需加入其它種類化學試劑，實現真正的“以廢治廢”，無二次污染，符合當前綠色化學的時代潮流，更有利于促進可持續發展。

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，以實現在同一裝置中同時處理無機陰陽離子廢水與有機廢水的效果。我們先以一個廢水處理單元為例。

（1）首先利用支撐液膜法處理無機陰陽離子廢水，由于支撐液膜中含有載體，而載體對金屬陽離子有很強的選擇性，因此能富集金屬陽離子，使其較容易的與陰離子形成沉淀，從而輕易的實現廢水中的陰陽離子的低濃度排放，同時沉淀下來的重金屬鹽能較容易的實現分離與回收。

（2）在處理單元中安裝紫外光燈管，當紫外光照射處理單元時，有機污染物通過支撐液膜形成的納米光催化劑可以得到徹底降解。這樣的設計是免去了從支撐液膜上取下納米材料的過程，由此直接原位對有機物進行降解。最后，有機物被徹底降解成CO2和H2O，所得產物均對環境無毒無害。

由此，我們在同一裝置中實現了無機有機廢水的同時處理，并且工序簡單，操作方便。該過程充分利用了廢水中的廢物，體現了“綠色化學”的理念。

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

3.裝置設計

3.1 裝置的AutoCAD圖

圖2 裝置的AutoCAD圖

3.2 裝置的操作流程

本發明涉及一種無機/有機廢水的納米技術一體化處理裝置。首先我們將工業排放的有機廢水（例如羅丹明B）分別與工業排放的重金屬離子（例如Pb2+）、陰離子（例如CrO）進行混合并儲蓄于儲水單元的左側與右側。當儲水單元的重金屬離子有機廢水（Pb2+、羅丹明B）與陰離子有機廢水（CrO、羅丹明B）分別經過出水管道閥門1/2流出，并經過進水管道閥門3/4流入第一個廢水處理單元的左側與右側后，重金屬離子（Pb2+）通過支撐液膜與陰離子（CrO）形成半導體納米光催化材料（PbCrO4），實現“變廢為寶”，形成的半導體納米光催化材料（PbCrO4）通過紫外燈的照射催化降解有機廢水（羅丹明B）并徹底分解成CO2和H2O，最后實現“以廢治廢”。然后當重金屬離子有機廢水（Pb2+、羅丹明B）與陰離子有機廢水（CrO、羅丹明B）分別經過出水管道閥門5/6流出，并經過進水管道閥門7/8流入第二個廢水處理單元的左側與右側后，第二個廢水處理單元的作用與第一個廢水處理單元的作用是相同的，只是進入第二個廢水處理單元的廢水含量更低，因為有支撐液膜的存在，重金屬離子（Pb2+）與陰離子（CrO）形成半導體納米光催化材料（PbCrO4）完全不受影響。本實用新型中廢水處理單元只設計了二個，實際上可以根據具體情況進行增減。接著當重金屬離子有機廢水（Pb2+、羅丹明B）與陰離子有機廢水（CrO、羅丹明B）分別經過出水管道閥門9/10流出，并經過進水管道閥門11/12流入過濾處理單元的左側與右側后，進行過濾沉降。最后當重金屬離子有機廢水（Pb2+、羅丹明B）與陰離子有機廢水（CrO、羅丹明B）分別經過出水管道閥門13/14流出，并經過進水管道閥門15/16流入廢水含量檢測單元的左側與右側后，分別檢測離子和有機物質含量是否達到國家排放標準，如果不能達標，通過泵B1/B2可以把廢水循環返回儲水單元，然后再次進行處理，如果能達標，直接排放。

3.3 裝置的結構設計

為了在處理過程中更加高效可控，我們在裝置結構上提出以下細節設計：

（1）在整個處理過程中，根據具體需要建立多個重復處理單元，實現對廢水的多重處理，使廢水得到充分處理。

（2）相鄰處理單元之間使用獨特的玻璃管連接設計，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。通過調整閥門打開程度，可以控制裝置中廢水的流速，必要時，可使廢水靜止，從而保證廢水在裝置中得以充分處理。

（4）考慮到在處理過程中光催化反應的完成度，我們在每個處理單元中安裝了曝氣器，向水中鼓氣泡，使溶液達到均勻，同時使形成的納米光催化材料均勻分布在廢水中，提高光催化反應效率，同時也可以提高水中的氧氣含量，使水質更佳。

（5）在更換部件上突出靈活性、簡便性和實用性。在光催化反應器部分，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。支撐液膜過濾層部分則在濾池的隔板中間。考慮到支撐液膜相對較短的使用壽命，將其設計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填補滑框和濾池池壁之間的縫隙，避免膜兩側的液體混合。

4.實驗探索與實驗進展

圖3 裝置實物運行圖

圖4 利用紫外分光光度計檢測濃度

我們根據設計圖制作出了相應的模型進行實驗驗證。使用裝置對含20mg/L的羅丹明B與5mg/L的硫化鋅廢水進行處理，用紫外分光光度計測定在不同時間段，在裝置出水處前的兩個處理單元內的廢水的有機物濃度情況。可見在處理至1小時后，吸光度在最大吸收波長處大幅下降。

5.探索不同無機陰陽離子有機廢水的處理

5.1 Cd2+/OH-、羅丹明B

圖5

通過以上數據分析，通過支撐液膜法生成的Cd(OH)2比直接沉淀法生成的Cd(OH)2的降解率高達40%，證明重金屬離子廢水、堿性廢水、有機廢水能夠通過本裝置得到應用。

5.2 Pb2+/S2-

圖6

5.3 Cd2+/S2-

6.應用前景

由于目前科學技術不夠發達，許多工業生產過程有仍大量廢水排出，其中存在以重金屬離子和有機物為主的對環境有害的物質。

目前大部分的工業廠家都有著分別獨立處理廢水的多個裝置。然而在現今我國土地資源緊張的狀況下，更需要節省占地和建造成本的處理裝置。而本裝置正擁有這一特點。其全面一體化的處理效果，使過去繁瑣的分類廢水處理工序得到優化。不僅提高效率，并且只需一個處理池裝置，節約土地和建造成本。

基于以上的優點，此裝置還可以被各地工業園區參考利用，用于其整體規劃的價值。可將排出無機廢水為主的廠家如電鍍廠和排出有機廢水為主的廠家如農藥廠統籌規劃在同一區域，減少了過去分別處理所帶來的人力與物力上的多余消耗，一步即可同時為多個不同種類廠家解決廢水處理問題。具有良好的經濟前景和價值。

另一方面，本裝置“變廢為寶”的優點，可使本來棄之不用的重金屬離子得到回收利用。既可以作為工廠的副產品增加收入和利潤，同時也可作為本身工序中需要的物質，比如就在本處理裝置中，可作為光催化劑處理有機物，達到了“以廢治廢”的良好效果。充分利用原料中的金屬離子，也是當今所倡導的綠色化學的理念體現。

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格的PH值規定，所以在處理前需要將廢水的PH值控制在允許范圍內。而這一點限制了本裝置對于強酸強堿廢水的處理應用。同時，由于支撐液膜的利用，導致進水水速不能過快，否則會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，需要通過其他裝置來實現。

綜上，本裝置以“變廢為寶”、“以廢治廢”和一體化處理的三個概念為設計思路。對于處理綜合性的化學廢水有著優秀地處理能力。在未來的工業應用方面將會有很大的利用空間。同時，本裝置獨特的治理廢水的方案也值得以后的同行所借鑒，提供了新穎的設計思路。

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