CN107758790B - 一种饮用水消毒副产物的处理方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种能够除去三卤甲烷等消毒副产物，且能实现活性炭滤芯循环使用的饮用水消毒副产物的处理方法及装置，所述处理方法具体包括以下步骤：使水流通过活性炭，通过活性炭吸附水中的消毒副产物；吸附到达饱和后，停止水流通过，以活性炭作为阴极，进行电催化化学反应，降解活性炭吸附的消毒副产物，反应完成后，得到具有吸附活性的二次活性炭，二次活性炭继续置于水流中吸附消毒副产物；所述处理装置是指采用上述处理方法的处理装置。

Description

一种饮用水消毒副产物的处理方法及装置

技术领域

本发明涉及饮用水处理领域，具体涉及一种饮用水消毒副产物的处理方法及装置。

背景技术

饮用水安全是关乎每个人健康的重要问题。随着社会的不断发展，水体的富营养化现象越发严重，进而导致藻类的大量滋生，水中的可溶性有机物含量不断增加。在水厂处理水体的过程中，常常会添加消毒剂，消毒剂会与水体中的有机物反应，并产生具有三致性的消毒副产物(致癌、致畸形、致突变)。液氯是使用时间最长和范围最广的饮用水消毒剂，通常其以次氯酸和次氯酸盐的形式存在，次氯酸可以与水中的有机物作用并产生非挥发性的卤代有机物类消毒副产物如三卤甲烷、卤乙酸和卤乙腈等，此类卤代小分子消毒副产物是最难以去除的。其中，三氯甲烷所属的THMs(三卤甲烷)在饮用水中的含量是各类消毒副产物中最高的，而三氯甲烷的致癌率又占有THMs总致癌率的一半以上，可以说三氯甲烷是目前饮用水当中最常见也是危害性最大的消毒副产物之一。

目前国内常用的家庭净水设施主要使用的工艺通常包括活性炭吸附。但其使用年限短，需要经常更换滤芯。近期，市面上出现多种自洁式净水器，均采用原水对滤芯进行冲洗或反冲洗以延长滤芯的使用时间，但仅用原水冲洗难以除去难溶于水三卤甲烷等消毒副产物，反冲洗后残余的三卤甲烷会导致饮用水的二次污染。

发明内容

为解决上述问题本发明提供一种能够除去三卤甲烷等消毒副产物，且能实现活性炭滤芯循环使用的饮用水消毒副产物的处理方法。

一种饮用水消毒副产物的处理方法，包括以下步骤：使水流通过活性炭，通过活性炭吸附水中的消毒副产物；吸附到达饱和后，停止水流通过，以活性炭作为阴极，进行电催化化学反应，降解活性炭吸附的消毒副产物，反应完成后，得到具有吸附活性的二次活性炭，二次活性炭继续置于水流中吸附消毒副产物。

进一步的，所述活性炭是指负载纳米金属的活性炭，其以商业活性炭为原料制备，所述纳米金属是指银、铜、金和钯中的一种或多种。

进一步的，所述负载纳米金属的活性炭的制备方法为溶胶法-凝胶法、浸渍法、液相氧化还原法、沉积-沉淀法或离子交换法。

进一步的，所述电催化化学反应是指以活性炭作为阴极，以铂、金、铜、银和石墨中的一种或多种作为阳极、以纯水、磷酸盐缓冲液、醋酸盐缓冲液为电解液实现的。

进一步的，所述消毒副产物是指卤代烃、卤代腈、卤代醛和卤代酰胺类物质。

进一步的，所述消毒副产物是指三卤甲烷。

一种采用上述处理方法的饮用水消毒副产物的处理装置也是本发明的保护范围。该装置能够除去水中的消毒副产物，且能循环使用。

进一步的，所述处理装置内设有第一通路，所述第一通路前段设有第一阀门，第一通路中段内设有第一活性炭滤芯和第一阳极电极，所述第一活性炭滤芯通过设有第一开关的导线与电源正极相连，第一阳极电极的通过设有第二开关的导线与电源负极相连，所述第一通路后段的依次设有第一废液排出管和第二阀门，所述第一废液排出管上设有第三阀门。

将上述处理装置安装在水管上，断开第一、二开关，关闭第三阀门，打开第一阀门和第二阀门，水流通过第一活性炭滤芯，活性炭开始吸附水中的消毒副产物；吸附一段时间后，活性炭饱和时，关闭第一阀门和第二阀门，接通第一开关和第二开关，以通路中的水作为电解液、以饱和活性炭作为阴极开始降解饱和活性炭吸附的消毒副产物；降解完成后，得到二次活性炭滤芯，断开第一、二开关，打开第三阀门和第一阀门，利用水流冲出电解产生的废液，通过第二废液排出管排出；废液排出完成后，打开第二阀门和关闭第三阀门，接通第一通路，利用二次活性炭进行吸附，使得第一活性炭滤芯得以循环使用。

进一步的，所述处理装置内还设有第二通路，第一通路和第二通路的前端都与进水端相通，第二通路前段设有第四阀门，第二通路中段内设有第二活性炭滤芯和第二阳极电极，所述第二活性炭滤芯通过设有第一开关的导线与电源正极相连，第二阳极电极的通过设有第二开关的导线与电源负极相连，所述第一开关和第二开关是双向开关，所述通路后段的依次设有第二废液排出管和第五阀门，所述废液排出管上设有第六阀门。

当采用第一通路吸附消毒副产物时，第一、二阀门常开，第三、第四、第五、第六阀门常闭，第一开关、第二开关与第二活性炭滤芯和第二阳极电极接通。当第一活性炭滤芯吸附饱和后，将水流切换至第二通路，具体操作为打开第四、六阀门，接通第一开关、第二开关与第二活性炭滤芯和第二阳极电极，同时实现第一通路的电催化降解和第二通路中废液的排出，待第二通路中的废液排出后，打开第五阀门，关闭第六阀门，实现第二通路的吸附作用。当第二活性炭滤芯吸附饱和后，切换至第一通路，继续吸附。以此实现对水流的不间断吸附和对滤芯的循环使用。

进一步的，所述通路的后端均与出水端相通，所述出水端设有监测水流流量和经吸附水流的消毒副产物含量的监测器。

监测器实时监测水流量以及经吸附的水流的消毒副产物含量，吸附一段时间后，活性炭饱和，监测器检测到水流中消毒副产物达到上限时，可发出警报，提醒开启对通路中的饱和活性炭中的吸附物质的降解和切换另一通路进行消毒副产物的吸附。

进一步的，所述处理装置还设有控制器，所述控制器与上述阀门、开关和监测器分别电相连或无线连接，所述控制器可根据监测器的检测的消毒副产物含量或水流量可控制上述阀门和开关的开启或关闭。

所述监测器实时监测经吸附的水流中的消毒副产物含量信息，并将此信息反馈给控制器，所述控制器将控制上述阀门和开关的开启和关闭以实现第一、二通路的自动切换。

进一步的，所述第一、二活性炭滤芯中设有螺旋状的铜丝与导线接通。

所述铜丝有利于提高活性炭的导电性，其设为螺旋状有利于铜丝和活性炭的充分接触，有利于消毒副产物的电解。

本发明的有益效果在于：

1.本发明提供处理方法采用活性炭吸附和电化学降解实现了对饮用水中消毒副产物的去除，且其吸附过程和降解过程分开进行，通过活性炭的吸附作用富集消毒副产物，利用电化学的降解作用彻底除去消毒副产物使得活性炭得以循环使用，相比较于同时吸附和电化学降解的处理方法，降低了能耗，也避免了电场对于活性炭吸附某些消毒副产物的负面影响；

2.负载纳米金属提高了活性炭的吸附容量和吸附效率，在降解过程中，增强了活性炭的导电性能，同时具有催化促进消毒副产物的作用，进一步提高了电化学的讲解效率；

3.本发明提供的处理装置采用活性炭吸附和电化学降解原理实现了饮用水中消毒副产物的去除，且其吸附过程和降解过程分开进行，通过活性炭的吸附作用富集消毒副产物，利用电化学的降解作用彻底除去消毒副产物使得活性炭得以循环使用，去除消毒副产物更加彻底，也使得活性炭滤芯能够循环使用，相比较于同时吸附和电化学降解的处理装置，降低了能耗，也避免了电场对于活性炭吸附某些消毒副产物的负面影响；

4.本装置采用了两条通路，在实际使用过程中，当其中一通路活性炭吸附饱和后，可切换另一通路对消毒副产物进行吸附，同时对原通路中的饱和活性炭上的消毒副产物进行降解，得到具有吸附活性的二次活性炭，以此来实现对水流中消毒副产物的不间断吸附。

5.本装置采用的监测器实时监测水流中的消毒副产物含量或通过水流量，将含量或水流量信息反馈至控制器，控制器控制开关和阀门实现了对通路的自动切换，避免了繁琐的手工操作，更加方便和快捷。

附图说明

图1是本发明实施例2的示意图；

图2是本发明实施例3的示意图。

图中，1–第一通路、101–第一阀门、102–第一阳极电极、103–第一活性炭滤芯、104–第一废液排出管、105–第二阀门、106–第三阀门、107-铜丝；2–电源、201–第一开关、202–第二开关；3–第二通路、301–第四阀门、302–第二阳极电极、303–第二活性炭滤芯、304–第二废液排出管、305–第五阀门、306–第六阀门、307-铜丝；4–监测器。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明进行进一步的说明。

实施例1

载金属活性炭的制备：

活性炭的预处理，使用活性炭为商业颗粒活性炭，粒径为20-50目。在纯水中煮沸30min，之后使用0.15g/mL的HNO3溶液浸泡3h(活性炭与HNO3溶液的体积比2:1)，并使用磁力搅拌器搅拌，浸泡完成后，将活性炭冲洗至冲洗出水pH为7为止，之后在120℃下干燥12h。

活性炭的载银处理，将20g已经经过预处理的活性炭放入200mL的0.1mol/L的AgNO3溶液中，室温下磁力搅拌24h，最后以300℃灼烧6h，制得负载纳米银的活性炭。

活性炭吸附实验：

首先，配置50μg/L三氯甲烷的水样5L，取20g载银活性炭置于圆管中，水样以2.6mL/min的流量穿过活性炭，圆管的直径为3cm，水样在活性炭段的停留时间约为10min。出水除第一小时为每20min取样一次外，之后每30min取样一次。取出的水样取10mL，用3mL内含100μg/L的1,2二溴丙烷的甲基叔丁基醚进行萃取2min；同时取0.8g活性炭分为两份，每份0.4g，一份使用16mL内含100μg/L的1,2二溴丙烷的甲基叔丁基醚进行萃取2min，另一份用于之后的电催化试验。

电催化试验：

以2*2*3的石墨纸制作容器作为容器，内含0.4g吸附饱和的载银活性炭；以浓度为100mM的100mL磷酸盐缓冲液作为电解液；以铂电极作为阳极，导线全部为铜线，电源为载银活性炭提供-1v的电压，反应持续6小时。反应结束后，取水样10mL，用3mL内含100μg/L的1,2二溴丙烷的甲基叔丁基醚进行萃取2min，萃取后的水样同样保留，进行氯离子检测；同时取0.4g活性炭，使用16mL内含100μg/L的1,2二溴丙烷的甲基叔丁基醚进行萃取2min。

再吸附试验：

再吸附试验与吸附试验类似，不同点在于将原吸附试验使用的载银活性炭换为电催化试验完成后的二次活性炭。

含量检测：

三氯甲烷的检测使用安捷伦6890N气相色谱仪与5973质谱仪联用进行分析，进样2mL，进口温度为90℃，毛细管柱选用安捷伦HP-5型(30m*0.25mm*0.25μm)。温度首先在35℃保持11min，之后以100℃/min的速度上升至270℃，并保持1min。氯离子的检测使用戴安DX-500离子色谱仪，AS-11离子色谱柱，流动相为20mM的NaOH，流速为1mL/min。

吸附试验出水中三氯甲烷的去除率达到90％以上，随着时间增长，出水中三氯甲烷的去除率不断下降，在8小时后的出水中三氯甲烷的去除率下降到70％。电催化反应后的活性炭内三氯甲烷的去除率达到90％以上，结合氯离子浓度检测可以证明反应产物主要为甲烷，再吸附试验出水中三氯甲烷的去除率达到95％，比吸附试验的去除率略有增加。

实施例2

参见图1，一种饮用水消毒副产物的处理装置，所述处理装置内设有第一通路1，所述第一通路1前段设有第一阀门101，第一通路1中段内设有第一活性炭滤芯和第一阳极电极101，所述第一活性炭滤芯103通过设有第一开关201的导线与电源2正极相连，阳极电极的通过设有第二开关202的导线与电源2负极相连，所述通路后段的依次设有第一废液排出管104和第二阀门105，所述第一废液排出管104上设有第三阀门106，第一活性炭滤芯内设有与导线相连接的铜丝107，所述通路的后端均与出水端相通，所述出水端设有监测水流流量和经吸附水流的消毒副产物含量的监测器4。

本实施例的处理装置是这样工作的，将上述处理装置安装在水管上，断开第一、二开关，关闭第三阀门106，打开第一阀门101和第二阀门105，水流通过第一活性炭滤芯103，活性炭开始吸附水中的消毒副产物；吸附一段时间后，活性炭饱和，监测器4检测到水流中消毒副产物达到上限，发出警报；此时，关闭第一阀门101和第二阀门105，接通第一开关201和第二开关202，以通路中的水作为电解液、以饱和活性炭作为阴极开始降解饱和活性炭吸附的消毒副产物；降解完成后，得到二次活性炭滤芯，断开第一、二开关，打开第三阀门106和第一阀门101，利用水流冲出电解产生的废液，通过第二废液排出管304排出；废液排出完成后，打开第二阀门105和关闭第三阀门106，接通第一通路1，利用二次活性炭进行吸附，使得第一活性炭滤芯103得以循环使用。

实施例3

参见图2，一种饮用水消毒副产物的处理装置，所述处理装置内设有第一通路1，所述第一通路1前段设有第一阀门101，第一通路1中段内设有第一活性炭滤芯和第一阳极电极101，所述第一活性炭滤芯103通过设有第一开关201的导线与电源2正极相连，阳极电极的通过设有第二开关202的导线与电源2负极相连，所述通路后段的依次设有第一废液排出管104和第二阀门105，所述第一废液排出管104上设有第三阀门106，所述处理装置内还设有第二通路3，第一通路1和第二通路3的前端都与进水端相通，第二通路3前段设有第四阀门301，第二通路3中段内设有第二活性炭滤芯和第二阳极电极302，所述第二活性炭滤芯303通过设有第一开关201的导线与电源2正极相连，阳极电极的通过设有第二开关202的导线与电源2负极相连，所述第一开关201和第二开关202是双向开关，所述通路后段的依次设有第二废液排出管304和第五阀门305，所述废液排出管上设有第六阀门306，第一、二活性炭滤芯内设有与导线相连接的铜丝107、307，所述通路的后端均与出水端相通，所述出水端设有监测水流流量和经吸附水流的消毒副产物含量的监测器4。

本实施例的处理装置是这样工作的，当采用第一通路1吸附消毒副产物时，第一、二阀门常开，第三、第四、第五、第六阀门常闭，第一开关201、第二开关202与第二活性炭滤芯和第二阳极电极302接通。当第一活性炭滤芯吸附饱和后，监测器4检测到水流中消毒副产物达到上限，发出警报，将水流切换至第二通路3，具体操作为打开第四、六阀门，接通第一开关201、第二开关202与第二活性炭滤芯和第二阳极电极302，同时实现第一通路1的电催化降解和第二通路3中废液的排出，待第二通路3中的废液排出后，打开第五阀门305，关闭第六阀门306，实现第二通路3的吸附作用。当第二活性炭滤芯303吸附饱和后，切换至第一通路1，继续吸附。以此实现对水流的不间断吸附和对滤芯的循环使用。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改,并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例,本领域技术人员根据本发明的揭示,不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种饮用水消毒副产物的处理方法，其特征在于，包括以下步骤：使水流通过活性炭，通过活性炭吸附水中的消毒副产物；吸附到达饱和后，停止水流通过，以活性炭作为阴极，进行电催化化学反应，降解活性炭吸附的消毒副产物，反应完成后，得到具有吸附活性的二次活性炭，二次活性炭继续置于水流中吸附消毒副产物；

所述活性炭是指负载纳米银的活性炭；

负载纳米银的活性炭的制备方法为：将活性炭在水中煮沸，然后使用硝酸浸泡，冲洗，干燥；然后放入硝酸银溶液中，搅拌反应；再在温度为300℃的条件下，灼烧6h，制得负载纳米银的活性炭。

2.如权利要求 1 所述的处理方法，其特征在于，所述负载纳米银的活性炭以商业活性炭为原料制备。

3.如权利要求 1 所述的处理方法，其特征在于，所述电催化化学反应是指以负载纳米银的活性炭作为阴极，以铂、金、铜、银和石墨中的一种或多种作为阳极，以纯水、磷酸盐缓冲液、醋酸盐缓冲液为电解液实现的。

4.如权利要求 1 所述的处理方法，其特征在于，所述消毒副产物是指卤代烃、卤代腈、卤代醛和卤代酰胺类物质。

5.如权利要求 4 所述的处理方法，其特征在于，所述消毒副产物是指三卤甲烷。

6.一种采用如权利要求 1-5 任一项所述的处理方法的饮用水消毒副产物的处理装置。

7.如权利要求 6 所述的处理装置，其特征在于，所述处理装置内设有第一通路（1），所述第一通路（1）前段设有第一阀门（101），第一通路（1）中段内设有第一活性炭滤芯（103）和第一阳极电极（102），所述第一活性炭滤芯（103）通过设有第二开关（202）的导线与电源（2）负极相连，第一阳极电极（102）通过设有第一开关（201）的导线与电源（2）正极相连，所述第一通路（1）的后段依次设有第一废液排出管（104）和第二阀门（105），所述第一废液排出管（104）上设有第三阀门（106）；第一活性炭滤芯（103）内设有与导线相连接的铜丝 （107）。

8.如权利要求 7 所述的处理装置，其特征在于，所述处理装置内还设有第二通路（3），第一通路（1）和第二通路（3）的前端都与进水端相通，第二通路（3）前段设有第四阀门（301），第二通路（3）中段内设有第二活性炭滤芯（303）和第二阳极电极（302），所述第二活性炭滤芯（303）通过设有第二开关（202）的导线与电源（2）负极相连，第二阳极电极（302）通过设有第一开关（201）的导线与电源（2）正极相连，所述第一开关（201）和第二开关（202）是双向开关，所述第二通路（3）的后段依次设有第二废液排出管（304）和第五阀门（305），所述第二废液排出管（304）上设有第六阀门（306）。

9.如权利要求 8所述的处理装置，其特征在于，所述第一通路（1）和第二通路（3）的后端均与出水端相通，所述出水端设有监测水流流量和经吸附水流的消毒副产物含量的监测器（4），所述处理装置还设有控制器，所述控制器与所有阀门、开关和监测器（4）分别电相连或无线连接，所述控制器能根据监测器（4）的检测的消毒副产物含量或水流量控制所有阀门和开关的开启或关闭。