王圣洋

指导老师：吴庆生 （同济大学）

1.背景

1.1 废水的分类

在现实应用中，“废水”和“污水”两个术语的用法比较混乱。从科学角度而言，“废水”是指废弃外排的水，强调其“废弃”的一面；“污水”是指被脏物污染的水，强调其“脏污”的一面。但是，有不少的生产排水并不是脏的（比如冷却水等），因此用“废水”这一术语统称所有的废水比较合适。

表1 废水分类

1.2 目前工业废水的主要处理方式

废水处理是将废水中所含有的各种污染物与水进行分离或者将各种污染物进行降解，从而达到净化废水的过程。常规工业废水处理方法主要分为：物理处理、化学处理、物理化学处理和生物处理方法等。从表2中可以了解工业废水的常规处理方法。

表2 常规工业废水的主要处理方法

表3 工业废水的新处理方法

2.设计思路

经过对废水的种类以及废水的处理方法的综合调研，了解到支撑液膜技术与纳米光催化技术特点后，针对无机/有机废水提出了以下的设计思路：

图1

利用支撑液膜来处理无机废水中的阴阳离子，得到纳米光催化材料，实现“变废为宝”。同时以制备好的纳米光催化材料作为光催化剂，通过紫外灯照射彻底降解有机废水，实现“以废治废”，达到对无机/有机废水的彻底一体化处理并对环境无二次污染。

2.1 变废为宝

本设计的主要处理对象有重金属阳离子,如:Zn2+、Cd2+、Hg2+、Cu2+、Ag+、Fe2+、Pb2+等；重金属阴离子以及非金属类阴离子，如CrO、MoO、S2-、OH-等。首先利用支撑液膜法制备纳米材料，并处理阴阳离子无机废水。例如，Pb2++CrO→PbCrO4，Pb2+通过与支撑液膜里的载体结合从支撑液膜的一侧运输到支撑液膜的另一侧与CrO反应生成PbCrO4，从而实现了回收Pb和Cr。PbCrO4是一种优良的半导体材料，可以作为下一步光催化处理有机物的催化剂，实现“变废为宝”。

2.2 实现“以废治废”

生成的PbCrO4纳米粒子通过曝气器的鼓泡作用分散在溶液当中，通过紫外灯的照射，可以催降解有机污染物，有机污染物分解成CO2和H2O等。此处理过程中无需加入其它种类化学试剂，实现真正的“以废治废”，无二次污染，符合当前绿色化学的时代潮流，更有利于促进可持续发展。

2.3 一体化

基于以上“变废为宝”和“以废治废”两种思想的提出，我们由此想到将其合二为一，以实现在同一装置中同时处理无机阴阳离子废水与有机废水的效果。我们先以一个废水处理单元为例。

（1）首先利用支撑液膜法处理无机阴阳离子废水，由于支撑液膜中含有载体，而载体对金属阳离子有很强的选择性，因此能富集金属阳离子，使其较容易的与阴离子形成沉淀，从而轻易的实现废水中的阴阳离子的低浓度排放，同时沉淀下来的重金属盐能较容易的实现分离与回收。

（2）在处理单元中安装紫外光灯管，当紫外光照射处理单元时，有机污染物通过支撑液膜形成的纳米光催化剂可以得到彻底降解。这样的设计是免去了从支撑液膜上取下纳米材料的过程，由此直接原位对有机物进行降解。最后，有机物被彻底降解成CO2和H2O，所得产物均对环境无毒无害。

由此，我们在同一装置中实现了无机有机废水的同时处理，并且工序简单，操作方便。该过程充分利用了废水中的废物，体现了“绿色化学”的理念。

问题3：定理的逆命题,即“若函数y=f(x)在区间[a,b]上的图象是一条不间断的曲线,且函数y=f(x)在区间(a,b)上有零点,则f(a)·f(b)<0”成立吗？

3.装置设计

3.1 装置的AutoCAD图

图2 装置的AutoCAD图

3.2 装置的操作流程

本发明涉及一种无机/有机废水的纳米技术一体化处理装置。首先我们将工业排放的有机废水（例如罗丹明B）分别与工业排放的重金属离子（例如Pb2+）、阴离子（例如CrO）进行混合并储蓄于储水单元的左侧与右侧。当储水单元的重金属离子有机废水（Pb2+、罗丹明B）与阴离子有机废水（CrO、罗丹明B）分别经过出水管道阀门1/2流出，并经过进水管道阀门3/4流入第一个废水处理单元的左侧与右侧后，重金属离子（Pb2+）通过支撑液膜与阴离子（CrO）形成半导体纳米光催化材料（PbCrO4），实现“变废为宝”，形成的半导体纳米光催化材料（PbCrO4）通过紫外灯的照射催化降解有机废水（罗丹明B）并彻底分解成CO2和H2O，最后实现“以废治废”。然后当重金属离子有机废水（Pb2+、罗丹明B）与阴离子有机废水（CrO、罗丹明B）分别经过出水管道阀门5/6流出，并经过进水管道阀门7/8流入第二个废水处理单元的左侧与右侧后，第二个废水处理单元的作用与第一个废水处理单元的作用是相同的，只是进入第二个废水处理单元的废水含量更低，因为有支撑液膜的存在，重金属离子（Pb2+）与阴离子（CrO）形成半导体纳米光催化材料（PbCrO4）完全不受影响。本实用新型中废水处理单元只设计了二个，实际上可以根据具体情况进行增减。接着当重金属离子有机废水（Pb2+、罗丹明B）与阴离子有机废水（CrO、罗丹明B）分别经过出水管道阀门9/10流出，并经过进水管道阀门11/12流入过滤处理单元的左侧与右侧后，进行过滤沉降。最后当重金属离子有机废水（Pb2+、罗丹明B）与阴离子有机废水（CrO、罗丹明B）分别经过出水管道阀门13/14流出，并经过进水管道阀门15/16流入废水含量检测单元的左侧与右侧后，分别检测离子和有机物质含量是否达到国家排放标准，如果不能达标，通过泵B1/B2可以把废水循环返回储水单元，然后再次进行处理，如果能达标，直接排放。

3.3 装置的结构设计

为了在处理过程中更加高效可控，我们在装置结构上提出以下细节设计：

（1）在整个处理过程中，根据具体需要建立多个重复处理单元，实现对废水的多重处理，使废水得到充分处理。

（2）相邻处理单元之间使用独特的玻璃管连接设计，使得处理单元中的水面能与支撑液膜上端相平，让支撑液膜完全浸没在水中，充分利用支撑液膜。

（3）玻璃管和处理单元连接处装有可控阀门。通过调整阀门打开程度，可以控制装置中废水的流速，必要时，可使废水静止，从而保证废水在装置中得以充分处理。

（4）考虑到在处理过程中光催化反应的完成度，我们在每个处理单元中安装了曝气器，向水中鼓气泡，使溶液达到均匀，同时使形成的纳米光催化材料均匀分布在废水中，提高光催化反应效率，同时也可以提高水中的氧气含量，使水质更佳。

（5）在更换部件上突出灵活性、简便性和实用性。在光催化反应器部分，装有紫外光灯管的滤池顶板为可拆卸式，方便紫外灯管的替换。支撑液膜过滤层部分则在滤池的隔板中间。考虑到支撑液膜相对较短的使用寿命，将其设计成了可从滤池上方抽出的滑框，支撑液膜固定在处理单元的中央。在框与滤池的连接部分使用到了橡胶垫层来填补滑框和滤池池壁之间的缝隙，避免膜两侧的液体混合。

4.实验探索与实验进展

图3 装置实物运行图

图4 利用紫外分光光度计检测浓度

我们根据设计图制作出了相应的模型进行实验验证。使用装置对含20mg/L的罗丹明B与5mg/L的硫化锌废水进行处理，用紫外分光光度计测定在不同时间段，在装置出水处前的两个处理单元内的废水的有机物浓度情况。可见在处理至1小时后，吸光度在最大吸收波长处大幅下降。

5.探索不同无机阴阳离子有机废水的处理

5.1 Cd2+/OH-、罗丹明B

图5

通过以上数据分析，通过支撑液膜法生成的Cd(OH)2比直接沉淀法生成的Cd(OH)2的降解率高达40%，证明重金属离子废水、碱性废水、有机废水能够通过本装置得到应用。

5.2 Pb2+/S2-

图6

5.3 Cd2+/S2-

6.应用前景

由于目前科学技术不够发达，许多工业生产过程有仍大量废水排出，其中存在以重金属离子和有机物为主的对环境有害的物质。

目前大部分的工业厂家都有着分别独立处理废水的多个装置。然而在现今我国土地资源紧张的状况下，更需要节省占地和建造成本的处理装置。而本装置正拥有这一特点。其全面一体化的处理效果，使过去繁琐的分类废水处理工序得到优化。不仅提高效率，并且只需一个处理池装置，节约土地和建造成本。

基于以上的优点，此装置还可以被各地工业园区参考利用，用于其整体规划的价值。可将排出无机废水为主的厂家如电镀厂和排出有机废水为主的厂家如农药厂统筹规划在同一区域，减少了过去分别处理所带来的人力与物力上的多余消耗，一步即可同时为多个不同种类厂家解决废水处理问题。具有良好的经济前景和价值。

另一方面，本装置“变废为宝”的优点，可使本来弃之不用的重金属离子得到回收利用。既可以作为工厂的副产品增加收入和利润，同时也可作为本身工序中需要的物质，比如就在本处理装置中，可作为光催化剂处理有机物，达到了“以废治废”的良好效果。充分利用原料中的金属离子，也是当今所倡导的绿色化学的理念体现。

然而，本装置仍存在一些弊端。首先由于支撑液膜及光催化剂的使用是有着较严格的PH值规定，所以在处理前需要将废水的PH值控制在允许范围内。而这一点限制了本装置对于强酸强碱废水的处理应用。同时，由于支撑液膜的利用，导致进水水速不能过快，否则会影响到支撑液膜分离重金属离子的效果。所以本装置在水速控制上有着一定的要求，需要通过其他装置来实现。

综上，本装置以“变废为宝”、“以废治废”和一体化处理的三个概念为设计思路。对于处理综合性的化学废水有着优秀地处理能力。在未来的工业应用方面将会有很大的利用空间。同时，本装置独特的治理废水的方案也值得以后的同行所借鉴，提供了新颖的设计思路。

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