低压浸没式膜-光催化反应器运行影响因素

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1、低压浸没式膜-光催化反应器运行影响因素摘要经一批动力学试验发现，以低压浸没式膜-光催化技术技术协同净化BPA废水，其影响因素有pH、曝气量、二氧化钛（TiO2）浓度和BPA浓度。研究发现，对于连续流浸没式膜光催化系统（SMPR）而言，pH值为4、二氧化钛浓度为0.5g/L、曝气量为0.5L/min时为系统最佳运行条件。初始BPA浓度在5–50ppm时反应符合L–H动力方程。在2h停留时间内，当渗透通量为100L/(m2.h)时，反应进行90min，初始浓度为10ppmBPA可降解97%；反应进行120min，初始浓度为10ppmBPA可矿化9

2、0%以上。试验同时研究了渗透通量以及间歇渗透方式对废水的处理效果、SMPR的效率、膜运行的稳定性的影响。在简单的CSTR模型中，我们明确了BPA初始浓度的对SMPR系统运行的影响，但这种成功是有限的。对于低浓度的有机污染物的去除，SMPR系统有望成为一种更有效的方法。1引言二氧化钛（TiO2）光催化已成为一个非常活跃的研究领域。当波长小于385nm时，波附带的光子被二氧化钛的吸收。电子从化学价带进入导带，在价带形成空穴。这些空穴具有强氧化作用，可氧化许多被吸附的有机物或者从在水中产生羟基自由基为以后氧化反应作准备。但是这些电荷载体也会因为互相

3、结合而降低光催化过程的效率。二氧化钛因为自身的光化学性质、物理性质和化学稳定性已被认为是一个良好的光催化剂，若要大规模投入应用，亚微米大小的光催化剂的回收仍然是工程学关心主要的问题。在底物中固定二氧化钛微粒可避免光催化剂的补充，然而这样通常会影响物质传输。曾多次尝试在悬浮光催化系统中回收颗粒催化剂，如对TiO2进行pH值的调整、在磁场中对二氧化钛磁性涂层强化其分离等。这些方法提高了沉降性能，可促进催化剂在批处理过程中的回收。然而，但这些方法都存在一定的局限性：在氧化过程中，如若回收所有TiO2颗粒物则不能连续回收处理水。膜技术可以通过从处理水

4、中强化分离TiO2颗粒，它将改进光催化氧化过程。这样，就可以取得更大的产水量。Molinari、Sun等人曾尝试在一个小模块中将光催化和膜技术结合在一起应用。Molinari证明在系统压力为6bar时，联合使用光催化系统和纳滤技术，可降解胡敏酸、有机染料和4-亚硝基苯酚。他们研究发现使用纳滤膜可在光催化反应中，同时将系统中的光催化剂和氧化物截留。但是，在光催化过程中形成的小分子物质仍然可以穿过膜孔，从而降低了综合效率。Sun等人在报告中指出通过无机的陶瓷膜和以TiO2-Fe2O3为催化剂的光催化系统能钝化埃希氏菌属大肠菌(大肠埃希氏菌)，它们

5、的钝化率高达90%。光催化反应中膜选择Molinari等使用的高压纳滤膜或者低压微滤膜(MF)和超滤膜(UF)。纳滤膜可以截留低分子物质的优点，但微滤膜和超滤膜比纳滤膜更节省，通常作为浸没式膜使用。由于浸没膜制作和运行成本较低，现已广泛应用于膜生物反应器（MBR）。浸没式膜组件的主要特征包括以曝气为主要机械方法提供膜清洗和以抽吸方式从系统中回收渗透水，操作中要防止系统压力过大。常压开放式系统可以降低整体营运成本。Fu等人描述了浸没式膜-光催化反应器（SMPR）降解黄腐酸的过程。反应器由过滤单元和光催化氧化单元组成。一个'内室'合成二氧化钛，据

6、报道，它还可以强化二氧化钛的分离和由于二氧化钛粒径较大可以保持系统在高通量下渗滤运行。研究还表明经2小时的紫外线照射，73％的总有机碳得到了去除。2试验2.1材料和试验方法用于试验的TiO2P25型纳米二氧化钛是由德国DegussaAG生产。所使用的高纯度的BPA的物理和化学性质如表1所示。通过氢氧化钠和高氯酸调节pH值。净化后的空气作为实验氧气来源。除非另外说明，所有试验采用18.2兆欧的纯水。微滤膜材质为PVDF，由中国蓝星生产制造，平均孔径为0.2微米，外径1毫米基于我们以往的研究我们选择聚偏氟乙烯膜。表1BPA性质化学名称双酚A分子式

7、C15H16O2分子量228溶解性120-30025℃蒸汽压力<122℃密度（g/cm3）1.195化学结构2.2光接触反应器一批接触反应器试验在硼硅玻璃光反应器（图1）中进行。紫外线A照射提供了4个为8W黑光荧光灯位于光反应器四侧。灯的发射波长300至420纳米的范围，峰值355nm左右。准备800mL的TiO2悬浮液，按照预先确定的数量加入二氧化钛和BPA，随后使用高氯酸和氢氧化钠进行pH值调整。二氧化钛的浓度是从0.2〜2g/L不等，研究中pH的取值为4，第7和10时。最后将初始浓度为10ppm的BPA在启动光反应器前10分钟加入。在所

8、有试验中，除非另有说明，否则加入BPA的浓度均为10ppm。曝气系统由净化后的气缸和陶瓷扩散器组成。研究中曝气量的范围为0.2-5L/min（气速的速度为2.9×1