膜催化臭氧氧化技术应用基础研究

Functional membranes, Low energy consumption and environment amicably membrane separation technology for the advanced treatment in wastewater treatment process are the research hotspots in membrane and environmental science fields. This study aims at the impending technical requirement in the fields of advanced treatment and upgrading and reconstruction of sewage treatment plant, and focus on the enhancment of oxidation efficiency of ozonation process and the reducment of treatment cost of advanced treatment. On the basis of previous study of catalytic ozonation and gas-liquid mass-transfer with membrane contactor, a new membrane based catalytic ozonation (MCO) hybrid membrane separation technology of low energy consumption, high oxidation efficiency will be studied. The study on fabrication of composite membrane for MCO process, the mass transfer mechanism of ozone on the membrane interface of composite membrane used in MCO process, and the technological parameter in the advanced treatment of typical industrial wastewater with MCO process will be investigated. Furthermore, the technical and economic analysis of the MCO process will be investigated through long term experimental with the actual wastewater. This study can develop and enrich membrane scientific theory & technology, and can resolve the reuse treatment technical problem of the typical pollutants wastewater. It not only has great scientific significance, but also has remarkable application prospect.

功能膜及高效低耗环境友好型膜法深度处理技术是国内外膜和环境科学领域研发热点。针对目前废水提标及深度处理领域存在迫切的技术需求，以提高臭氧氧化效率、降低深度处理成本为目的，在膜接触传质及臭氧催化氧化等研究工作的基础上，构建高效低耗的“膜臭氧催化氧化”新型膜法深度处理工艺。重点开展膜臭氧催化氧化复合膜、臭氧在催化膜界面的传质机理以及典型工业废水膜臭氧催化氧化深度处理工艺等方面的研究。在此基础上，结合实际废水长周期运行实验，完成膜臭氧催化氧化工艺的技术经济分析。本项目对丰富与发展膜科学理论和技术，解决含典型污染物废水回用处理技术难题，不仅具有十分重要科学意义，而且具有显著的实际应用前景。

本项目着眼MCO工艺应用，开展了具有耐臭氧氧化聚四氟乙烯膜材料研发，对高通量的聚四氟乙烯中空纤维膜拉伸工艺条件进行了优化，研究结果标明，拉伸倍率是影响孔隙率的一个重要参数，在相对较高的拉伸倍率下，较低的拉伸温度有利于平均孔径的控制，并且在一定拉伸倍率范围内，孔隙率可依据拉伸倍率由数学模型进行预测。.针对膜接触臭氧反应器的物理吸收及化学吸收两个过程分别进行了传质规律的研究，继而对其传质效率进行了评价。研究表明，物理吸收过程为液膜控制，气相边界层以及膜对传质过程影响较小。而化学吸收过程主要由化学反应速率决定。在化学反应较慢的条件下，其传质过程与物理吸收类似。在化学反应较快的条件下，其传质总阻力相对大幅减小，传质通量相对大幅增加。此时，其液相边界层阻力相对较小，从而膜和气相边界层对传质过程的影响较为显著。基于中空纤维膜较大的比表面积，膜接触臭氧反应器的体积传质系数可比鼓泡反应器大15-62倍。经测试，在一定的气/液流速条件下，膜接触反应器的体积臭氧通量高于鼓泡反应器。.为提高膜接触反应器中臭氧的利用效率和废水降解速率，结合非均相催化剂，制备了催化臭氧功能膜。制备了氧化锰纳米线/PVDF催化臭氧功能膜。与直接臭氧氧化相比，使用该催化功能膜反应器对草酸的降解效率从2.9%提高到52.6%。为提高膜接触反应器的装填密度，降低催化剂的流失风险，制备了氧化锰/氧化铝/PVDF催化臭氧功能膜。该催化膜接触器对草酸降解率为39.1%，远高于吸附及单独臭氧氧化之和。对催化膜降解草酸的机理进行了初步分析，发现超氧自由基在降解过程起主导作用。.基于膜接触臭氧反应器的优点，开发了前置超滤-膜接触臭氧氧化印染废水深度处理组合工艺。由于As(III)的可吸附性能较差，采用膜接触臭氧工艺进行预氧化处理，继而采用吸附工艺对水中砷进行高效去除。采用MCO-UV联用工艺用于X-3B活性艳红染料降解研究。MCO-直接接触式膜蒸馏的耦合工艺研究过程中重点验证了MCO降低膜污染的功效。