一种负载量子点修饰二氧化钛的光纤式超滤膜组件

摘要

一种用于废水处理的负载量子点修饰二氧化钛的光纤式超滤膜组件，包括超滤膜组件和光纤系统。光纤系统的阳光收集器通过传光光纤及光纤耦合器与超滤膜组件连接，超滤膜组件的前部设有前置光纤固定板，中部设有固膜耐压板，后部设有后置光纤固定板。前置光纤固定板上设有前置光纤固定孔，固膜耐压板上设有膜固定孔，后置光纤固定板上设有后置光纤固定孔和待处理液流动孔。负载有量子点修饰二氧化钛的光纤束穿过外包超滤膜的空心管状支持体内部，由前置光纤固定板和后置光纤固定板胶接固定。本发明将超滤技术和光催化技术相结合，提高了超滤膜对废水中有机污染物的去除效果；光纤表面负载了量子点修饰二氧化钛，增强了二氧化钛对自然光的吸收能力，光催化降解过程也更环保、节能、安全。

权利要求

1.一种用于废水处理的负载量子点修饰二氧化钛的光纤式超滤膜组件，包括超滤膜组件和光纤系统，其中超滤膜组件为外压管束式超滤膜组件，由处理液进口（1）、外装管（2）、外包超滤膜的空心管状支持体（3）、浓水出口（4）、固膜耐压板（5）、处理液出口（6）制成，外装管（2）前端设有处理液进口（1），近末端安装固膜耐压板（5），13根外包超滤膜的空心管状支持体（3）的一端，分别插入固膜耐压板（5）上的13个膜固定孔（5-1）中，外装管（2）的近末端上部设有浓水出口（4），下部设有处理液出口（6）；其特征在于在超滤膜组件上的外装管（2）的前部还设有前置光纤固定板（10），后部还设有后置光纤固定板（12）；阳光收集器（7）的末端与传光光纤（8）的首段相连接，传光光纤（8）的末端与固定在外包超滤膜的空心管状支持体（3）末端的光纤耦合器（9）的前端相连接，光纤耦合器（9）的末端连接负载量子点修饰二氧化钛的弥散光纤束（11），并穿过前置光纤固定板（10）上的前置光纤固定孔（10-1）后，再穿过固膜耐压板（5）上的膜固定孔（5-1）进入外包超滤膜的空心管状支持体（3）的内部，弥散光纤束（11）的末端由后置光纤固定板（12）上的后置光纤固定孔（12-1）胶接固定。

2.根据权利要求1所述的负载量子点修饰二氧化钛的光纤式超滤膜组件，其特征在于所述的前置光纤固定板（10）为圆形板，板面上设有17个前置光纤固定孔（10-1）。

3.根据权利要求1所述的负载量子点修饰二氧化钛的光纤式超滤膜组件，其特征在于所述的后置光纤固定板（12）为圆形板，板面上设有17个后置光纤固定孔（12-1）和8个待处理液流动孔（12-2）。

4.根据权利要求1所述的负载量子点修饰二氧化钛的光纤式超滤膜组件，其特征在于所述的阳光收集器（7）由小抛物凹面镜（7-2），大抛物凹面镜（7-3）和支架（7-1）组成，小抛物凹面镜（7-2）固定在支架（7-1）的上端，大抛物凹面镜固定在支架（7-1）的下端，其中大抛物凹面镜（7-3）顶部有一个圆形的孔，孔的直径等于小抛物凹面镜（7-2）的直径，大抛物凹面镜（7-3）和小抛物凹面镜（7-2）镜面相对，焦点重合，阳光收集器（7）的末端和传光光纤（8）的首端相连接。

说明书

一种负载量子点修饰二氧化钛的光纤式超滤膜组件

技术领域

[0001] 本发明涉及一种提高污水处理效果的装置，具体地说是涉及一种负载量子点修饰二氧化钛的光纤式超滤膜组件。

背景技术

[0002] 膜分离技术是一项新型的高效分离技术，它具有工艺简单，经济性较好，往往没有相变，分离系数较大，节能，高效，无二次污染，可在常温下连续操作等特点，在污水处理中得到广泛的应用。超滤膜从20世纪90年代得到广泛的应用。超滤膜的平均孔径在3~100nm，它是介于纳滤和微滤之间的压力驱动性膜分离技术。超滤膜由于能截留大分子、胶体、蛋白质、微粒、细菌等，而且在小孔径范围和反渗透相重叠，在大孔径范围内与微孔过滤重叠。超滤过程通常采用不对称膜，所分离的组分直径为0.005~10μm，一般相对分子质量大于5003 2
的大分子和胶体，所用膜常为非对称膜，膜的水透过率为0.5~5.0m/(m·d)。膜表皮层厚度只有0.1~1μm，当过程不存在浓差极化时，溶液的渗透压很小，可以忽略，过程所需压差范围约为0.1~0.5MPa。同时它使用的压力低、产水量大，因此更便于操作，应用范围十分广泛。但是超滤对于有机污染物的分离效果较差，超滤膜对水中物质的去除是一个纯粹的过滤过程，它对水中溶解态有机物的去除是与膜的孔径（截留分子量）有关 ，制备孔径更小的膜成本也较高，难以大规模推广。污水中的有机物增强了金属离子和膜的结合，造成了金属离子在膜孔的沉积，导致了严重的膜污染，使膜的使用寿命大大缩短。

[0003] 光催化技术采用在外加光源照射下具有光催化活性的半导体材料，由于其光生空穴及其被俘获后形成的具有强氧化能力的羟基自由基，可诱导一系列氧化还原反应的进行，从而达到去除污染物的目的。大量研究表明众多难降解的有机物在半导体光催化氧化的作用下可有效得以去除或降解。光催化剂是光催化氧化过程中的关键影响因素，其中TiO2具有化学性质及光学性质较为稳定、光催化活性较高、无毒以及价格便宜等特点，被认为是一种最有效的光催化剂。可是，TiO2仅能吸收太阳光中波长小于385nm的紫外光，对可见光的利用效率较低，从而限制了其广泛使用。

[0004] Marinangeli和Ollis首先提出用光纤作为光的传播介质及光催化剂的载体，由此得到的光纤式催化反应器具有许多突出的优点。例如，将光纤传导光与光纤负载催化剂两者相结合，可以有效地提高光的传输效率和利用效率；光纤极细的半径（﹤0.5mm）又可以大大提高催化剂的负载面积和光催化效率等。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于解决背景技术中所述的超滤膜对于有机污染物的分离效果较差，TiO2对可见光的利用效率较低的问题，从而提供一种负载量子点修饰二氧化钛的光纤式超滤膜组件。

[0006] 本发明的目的是通过如下技术方案来实现的：

[0007] 一种用于废水处理的负载量子点修饰二氧化钛的光纤式超滤膜组件，包括超滤膜组件和光纤系统，其中超滤膜组件为外压管束式超滤膜组件，由处理液进口（1）、外装管（2）、外包超滤膜的空心管状支持体（3）、浓水出口（4）、固膜耐压板（5）、处理液出口（6）制成，外装管（2）前端设有处理液进口（1），近末端安装固膜耐压板（5），13根外包超滤膜的空心管状支持体（3）的一端，分别插入固膜耐压板（5）上的13个膜固定孔（5-1）中，外装管（2）的近末端上部设有浓水出口（4），下部设有处理液出口（6）；其特征在于在超滤膜组件上的外装管（2）的前部还设有前置光纤固定板（10），后部还设有后置光纤固定板（12）；阳光收集器（7）的末端与传光光纤（8）的首段相连接，传光光纤（8）的末端与固定在外包超滤膜的空心管状支持体（3）末端的光纤耦合器（9）的前端相连接，光纤耦合器（9）的末端连接负载量子点修饰二氧化钛的弥散光纤束（11），并穿过前置光纤固定板（10）上的前置光纤固定孔（10-1）后，再穿过固膜耐压板（5）上的膜固定孔（5-1）进入外包超滤膜的空心管状支持体（3）的内部，弥散光纤束（11）的末端由后置光纤固定板（12）上的后置光纤固定孔（12-1）固定。

[0008] 所述的负载量子点修饰二氧化钛的光纤式超滤膜组件，其特征在于所述的前置光纤固定板（10）为圆形板，板面上设有17个前置光纤固定孔（10-1）。 [0009] 所述的负载量子点修饰二氧化钛的光纤式超滤膜组件，其特征在于所述的后置光纤固定板（12）为圆形板，板面上设有17个后置光纤固定孔（12-1）和8个待处理液流动孔（12-2）。

[0010] 所述的负载量子点修饰二氧化钛的光纤式超滤膜组件，其特征在于所述的阳光收集器（7）由小抛物凹面镜（7-2），大抛物凹面镜（7-3）和支架（7-1）组成，小抛物凹面镜（7-2）固定在支架（7-1）的上端，大抛物凹面镜固定在支架（7-1）的下端，其中大抛物凹面镜（7-3）顶部有一个圆形的孔，孔的直径等于小抛物凹面镜（7-2）的直径，大抛物凹面镜（7-3）和小抛物凹面镜（7-2）镜面相对，焦点重合，阳光收集器（7）的末端和传光光纤（8）的首端相连接。

[0011] 将该光纤式超滤膜组件用于实验，在自然光照射下光催化降解8-苯胺-α-萘磺酸（初始浓度为15mg/L，总体积5L），反应时间为4小时，降解率为75%。反应时间为8小时，降解率为90%。无自然光源或人工光源照射下，反应时间为8小时，8-苯-α-萘磺酸降解率为30%。通过如上对比可知，该负载量子点修饰二氧化钛的光纤式超滤膜组件对一般有机物有较好的降解效果。

[0012] 与现有技术相比，本发明具有如下优点：

[0013] 1．本发明中的光源使用阳光收集器，充分利用太阳能，减少对能源的消耗。

[0014] 2．本发明中线性光纤的外侧负载量子点修饰二氧化钛，比负载一般的纳米二氧化钛对可见光具有更强的吸收能力和抵抗光的侵蚀能力，提高了光的利用效率。

[0015] 3. 本发明中在超滤膜的内部插入负载量子点修饰二氧化钛的光纤，量子点修饰二氧化钛在光催化作用下，具有杀菌和降解有机物的效果，减轻了膜污染，延长了超滤膜的使用寿命。

[0016] 4．本发明中采用光纤固定板，使光纤能够均匀、紧凑地分布于膜组件中，使污水与光纤能够充分接触，提高对污水中有机物的处理效果。

[0017] 5．本发明中将超滤技术与光催化技术结合，提高了超滤技术对难分离有机物的去除能力。

附图说明

[0018] 图1是一种负载量子点修饰二氧化钛的光纤式超滤膜组件的结构示意图。

[0019] 图2是本发明固膜耐压板的结构示意图。

[0020] 图3是本发明阳光收集器的结构示意图。

[0021] 图4是本发明前置光纤固定板的结构示意图。

[0022] 图5是本发明后置光纤固定板的结构示意图。

[0023] 附图标记

[0024] 1—处理液进口

[0025] 2—外装管

[0026] 3—外包超滤膜的空心管状支持体

[0027] 4—浓水出口

[0028] 5—固膜耐压板

[0029] 5-1—膜固定孔

[0030] 6—处理液出口

[0031] 7—阳光收集器

[0032] 7-1—支架

[0033] 7-2—小抛物凹面镜

[0034] 7-3—大抛物凹面镜

[0035] 8—传光光纤

[0036] 9—光纤耦合器

[0037] 10—前置光纤固定板

[0038] 10-1—前置光纤固定孔

[0039] 11—负载量子点修饰二氧化钛的光纤束

[0040] 12—后置光纤固定板

[0041] 12-1—后置光纤固定孔

[0042] 12-2—待处理液流动孔

具体实施方式

[0043] 一种用于废水处理的负载量子点修饰二氧化钛的光纤式超滤膜组件，包括超滤膜组件和光纤系统。超滤膜组件为外压管束式超滤膜组件，由处理液进口（1）、外装管（2）、外包超滤膜的空心管状支持体（3）、浓水出口（4）、固膜耐压板（5）、处理液出口（6）制成。外装管（2）前端设有处理液进口（1），近末端安装固膜耐压板（5），13根外包超滤膜的空心管状支持体（3）的一端，分别插入固膜耐压板（5）上的13个膜固定孔（5-1）中，外装管（2）的近末端上部设有浓水出口（4），下部设有处理液出口（6）； 固膜耐压板（5）上设有膜固定孔（5-1）。超滤膜组件的前端设有前置光纤固定板（10），末端设有后置光纤固定板（12）。前置光纤固定板（10）上设有17个前置光纤固定孔（10-1），后置光纤固定板（12）上设有后置光纤固定孔（12-1）和8个待处理液流动孔（12-2）。阳光通过阳光收集器（7），传光光纤（8）及光纤耦合器（9）与超滤膜组件连接。阳光收集器由支架（7-1），小抛物凹面镜（7-2）和大抛物凹面镜（7-3）组成。大抛物凹面镜（7-3）顶部有一个圆形的孔，孔的直径等于小抛物凹面镜（7-2）的直径。负载有量子点修饰二氧化钛的光纤束（11）穿过外包超滤膜的空心管状支持体（3），由前置光纤固定板（10）上的前置光纤固定孔（10-1）和后置光纤固定板（12）上的后置光纤固定孔（12-1）胶接固定。

[0044] 在本实施例中，外装管（2）是外径为25.5cm，内径为25cm，长度为50cm的塑料圆筒。在外装管（2）的后端中心设有孔径为3cm的处理液进口（1），在距外装管（2）的前端下部10cm处设有孔径为3cm的处理液出口（6），在距外装管（2）的前端上部16cm处设有孔径为2cm的浓水出口（4）。在距外装管（2）前端6cm处胶接有前置光纤固定板（11），12cm处胶接有固膜耐压板（5），在距外装管（2）的后端5cm处胶接有后置光纤固定板。超滤膜采用醋酸纤维素膜，超滤膜外径为25mm，内径为24mm，孔径为0.2μm，长度为30cm。超滤膜支持体由Al2O3和SiO2无机材料制备，是外径为24mm，内径为23mm，长度为30cm的空心圆管，圆管外包醋酸纤维素膜，超滤膜支持体一端插入固膜耐压板（5）上的膜固定孔（5-1）。负载量子点修饰二氧化钛光纤束的直径为3mm，前置光纤固定板（10）上的前置光纤固定孔（10-1）的孔径和后置光纤固定板（12）上的后置光纤固定孔（12-1）的孔径均为3mm，光纤固定孔个数均为17。前置光纤固定板（10）的直径为25cm，厚度为6mm，由塑料制成；固膜耐压板（5）的直径为25cm，厚度为8mm，由聚丙烯制成，其上的膜固定孔（5-1）的数目为13个，孔径分别为25mm；后置光纤固定板（12）的直径为25cm，厚度为6mm，由塑料制成，其上的待处理液流动孔（12-2）的数目为8个，孔径分别为4cm。阳光收集器（7）中，小抛物凹面镜（7-2）的镜面直径为2cm，焦距为3cm，大抛物凹面镜（7-3）的镜面直径为8cm，焦距为9cm，在大抛物凹面镜（7-3）的底部切出一个圆孔，圆孔的直径为2cm，两镜相对摆放，距离12cm，中轴线重合。支架（7-1）为铝合金架，三个架脚长度均为15cm，上部插接有小抛物凹面镜（7-2），下部插接有大抛物凹面镜（7-3）。