申請(qǐng)日2014.11.06
公開(kāi)(公告)日2015.02.04
IPC分類號(hào)C02F1/72; C02F1/461
摘要
本發(fā)明屬于電化學(xué)污水處理技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種管道式電催化與臭氧協(xié)同氧化處理污水的裝置及方法。本發(fā)明裝置在密閉管道式反應(yīng)器中由外到內(nèi)依次分別設(shè)置管狀的陽(yáng)極電極、陰極電極和曝氣管;陽(yáng)極電極、陰極電極和曝氣管分別沿密閉管道式反應(yīng)器的管道軸向設(shè)置，使密閉管道式反應(yīng)器內(nèi)的曝氣分布均勻;本發(fā)明陽(yáng)極電極通過(guò)將污水中的Cl-轉(zhuǎn)化成HClO、ClO-等其他強(qiáng)氧化粒子對(duì)污水有機(jī)物直接或間接氧化處理;而曝氣中的O2在陰極電極與水反應(yīng)產(chǎn)生H2O2，H2O2與曝氣中的O3反應(yīng)生成羥基自由基·OH，與陽(yáng)極電極協(xié)同降解有機(jī)物;本發(fā)明可應(yīng)用于管道污水輸送過(guò)程，占地面積小，效率高，無(wú)二次污染，可提高難降解污水的生化性且具有較高的脫氮功能。
權(quán)利要求書
1.一種管道式電催化與臭氧協(xié)同氧化處理污水的裝置，其特征在于：在密 閉管道式反應(yīng)器(1)中由外到內(nèi)依次分別設(shè)置管狀陽(yáng)極電極(3)、管狀陰極電 極(2)和曝氣管(6);陽(yáng)極電極(3)、陰極電極(2)和曝氣管(6)分別沿密 閉管道式反應(yīng)器(1)的管道軸向設(shè)置;陽(yáng)極電極(3)、陰極電極(2)和曝氣 管(6)的兩端分別與密閉管道式反應(yīng)器(1)對(duì)應(yīng)的端部固定相連;相鄰部件 與密閉管道式反應(yīng)器(1)的兩端之間分別構(gòu)成管狀腔體;陽(yáng)極電極(3)和陰 極電極(2)通過(guò)彼此絕緣的內(nèi)套式接法使管式反應(yīng)器(1)形成密閉系統(tǒng);陽(yáng) 極電極(3)和陰極電極(2)分別與直流電源(5)相連;密閉管道式反應(yīng)器(1) 的底部管壁上設(shè)置進(jìn)水口，密閉管道式反應(yīng)器(1)的頂部管壁上設(shè)置出水口和 臭氧尾氣排氣口。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種管道式電催化與臭氧協(xié)同氧化處理污水的裝 置，其特征在于：所述密閉管道式反應(yīng)器(1)一端通過(guò)彼此絕緣的內(nèi)套式接法， 另一端通過(guò)密封法蘭(4)形成密閉系統(tǒng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種管道式電催化與臭氧協(xié)同氧化處理污水的裝 置，其特征在于：所述陽(yáng)極電極(3)和陰極電極(2)分別通過(guò)內(nèi)外螺旋方式 與密閉管道式反應(yīng)器(1)兩端的絕緣盤連接進(jìn)行固定。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種管道式電催化與臭氧協(xié)同氧化處理污水的裝 置，其特征在于：所述陽(yáng)極電極(3)和陰極電極(2)分別為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種管道式電催化與臭氧協(xié)同氧化處理污水的裝 置，其特征在于：所述陽(yáng)極電極(3)和陰極電極(2)的間距為10mm～20mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種管道式電催化與臭氧協(xié)同氧化處理污水的裝 置，其特征在于：所述陽(yáng)極電極(3)的材質(zhì)為鈦，其表面涂覆有惰性復(fù)合材料， 所述惰性復(fù)合材料中Sn、Ru和Sb的摩爾比為Sn：Ru：Sb=80～90：5～10：5～10。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種管道式電催化與臭氧協(xié)同氧化處理污水的裝 置，其特征在于，在所述陽(yáng)極電極3上涂覆惰性復(fù)合材料的方法為：通過(guò)對(duì)鈦 基板打磨、超聲、堿洗去除表面的氧化物、污垢及油脂，再通過(guò)酸洗去除氧化 層;按照權(quán)利要求6所述的Sn、Ru和Sb的摩爾比配置的涂覆液進(jìn)行涂覆，先 在100℃～110℃下烘干，后在450℃～550℃進(jìn)行熱分解;上述涂覆、烘干、 熱分解過(guò)程依次重復(fù)進(jìn)行20次以上。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種管道式電催化與臭氧協(xié)同氧化處理污水的裝 置，其特征在于：所述陰極電極(2)的材質(zhì)為碳。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種管道式電催化與臭氧協(xié)同氧化處理污水的裝 置，其特征在于：所述曝氣管(6)上設(shè)置多個(gè)線狀曝氣口。
10.一種使用權(quán)利要求1～9任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的管道式電催化與臭氧 協(xié)同氧化處理污水的裝置處理污水的方法，其特征在于：所述管道式電催化與 臭氧協(xié)同氧化處理污水的裝置在污水輸送過(guò)程中通過(guò)直流電源(5)通電進(jìn)行污 水處理;所述曝氣管(6)所產(chǎn)生的曝氣為臭氧發(fā)生器產(chǎn)生的O2和O3的混合氣 體;曝氣擴(kuò)散至陰極電極(2)表面，其中O2被陰極電極(2)還原溶解得到 H2O2，所得H2O2與O3反應(yīng)生成·OH，氧化降解污水有機(jī)物;所述陽(yáng)極電極(3) 表面直接氧化降解污水有機(jī)物，或產(chǎn)生氧化性離子對(duì)污水有機(jī)物進(jìn)行氧化降解， 其中污水中含有的氯離子被氧化為HClO、ClO-對(duì)污水有機(jī)物進(jìn)行氧化降解。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于：所述陽(yáng)極電極(3)表面 產(chǎn)生的氧化性離子為O3、·OH、HClO、ClO-和·O。
說(shuō)明書
一種管道式電催化與臭氧協(xié)同氧化處理污水的裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于電化學(xué)污水處理技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種管道式電催化與臭氧 協(xié)同氧化處理污水的裝置及方法。
背景技術(shù)
在我國(guó)工業(yè)園區(qū)發(fā)展迅速，工業(yè)園區(qū)多采用集中式生化工藝模式來(lái)處理園 區(qū)廢水。含有難生化降解有機(jī)物的污水處理后的出水水質(zhì)難以達(dá)標(biāo)，復(fù)雜的水 質(zhì)，導(dǎo)致我國(guó)流域的水污染日益嚴(yán)重，因此，工業(yè)園區(qū)廢水深度處理成為亟待 解決的環(huán)境難題。
近年來(lái)，臭氧以及基于臭氧的高級(jí)氧化技術(shù)應(yīng)用于生化尾水深度處理方面 的研究被廣泛關(guān)注，其主要應(yīng)用O3本身的氧化性(2.07Vs)氧化有機(jī)物或基于 臭氧的高級(jí)氧化(如O3-H2O2)反應(yīng)產(chǎn)生氧化性更強(qiáng)的氧化性粒子如·OH氧化降 解有機(jī)物。但O3的氧化能力有限以及對(duì)有機(jī)物的氧化具有一定的選擇性，與 H2O2反應(yīng)產(chǎn)生羥基自由基受到如濃度、pH等環(huán)境條件限制，因此，O3氧化處 理污水也受到一定的發(fā)展限制。
有學(xué)者將電化學(xué)與臭氧耦合處理污水，其主要利用O2或O3在電陰極以及附 近產(chǎn)生氧化性強(qiáng)的羥基自由基來(lái)處理污水，如童少平等人利用電化學(xué)與臭氧耦 合降解污水中硝基苯，耦合體系降解硝基苯去除率達(dá)96%;另外，日本株式會(huì) 社申請(qǐng)了電化學(xué)與臭氧耦合處理污水工藝，但這些研究主要僅利用電陰極激發(fā) O2-O3發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生單一的氧化性粒子羥基自由基，電陽(yáng)極所能產(chǎn)生的多種氧化 性粒子的優(yōu)勢(shì)并沒(méi)有被開(kāi)發(fā)利用，另外，這些研究所采用電極都是小型平板式， 與需要密閉曝氣的反應(yīng)裝置很不適宜，工程產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用推廣受到限制。
發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明提供了一種管道式電催化與臭氧協(xié)同氧 化處理污水的裝置及方法，能夠利用電陰極激發(fā)O2-O3產(chǎn)生強(qiáng)氧化性粒子羥基自 由基，同時(shí)在電陽(yáng)極上產(chǎn)生多種氧化性粒子，充分利用電陰陽(yáng)雙極，提高對(duì)工 業(yè)園區(qū)復(fù)雜的污水水質(zhì)的處理效果;另外，電陰陽(yáng)電極改制成污水管道形狀的 圓柱形，便于在污水輸送過(guò)程中即可處理污水，節(jié)省處理空間，便于工程化的 推廣。
一種管道式電催化與臭氧協(xié)同氧化處理污水的裝置，在密閉管道式反應(yīng)器 中由外到內(nèi)依次分別設(shè)置管狀陽(yáng)極電極、管狀陰極電極和曝氣管;陽(yáng)極電極、 陰極電極和曝氣管分別沿密閉管道式反應(yīng)器的管道軸向設(shè)置;陽(yáng)極電極、陰極 電極和曝氣管的兩端分別與密閉管道式反應(yīng)器對(duì)應(yīng)的端部固定相連;相鄰部件 與密閉管道式反應(yīng)器的兩端之間分別構(gòu)成管狀腔體;陽(yáng)極電極和陰極電極通過(guò) 彼此絕緣的內(nèi)套式接法使管式反應(yīng)器形成密閉系統(tǒng);陽(yáng)極電極和陰極電極分別 與直流電源相連;密閉管道式反應(yīng)器的底部管壁上設(shè)置進(jìn)水口，密閉管道式反 應(yīng)器的頂部管壁上設(shè)置出水口和臭氧尾氣排氣口。
所述密閉管道式反應(yīng)器一端通過(guò)彼此絕緣的內(nèi)套式接法，另一端通過(guò)密封 法蘭形成密閉系統(tǒng)。
所述陽(yáng)極電極和陰極電極分別通過(guò)內(nèi)外螺旋方式與密閉管道式反應(yīng)器(1) 兩端的絕緣盤連接進(jìn)行固定。
所述陽(yáng)極電極和陰極電極之間彼此層層內(nèi)套，層數(shù)根據(jù)密閉管道式反應(yīng)器 內(nèi)徑大小和水質(zhì)多層安裝。
所述陽(yáng)極電極和陰極電極分別為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。
所述陽(yáng)極電極和陰極電極的間距為10mm～20mm。
所述陽(yáng)極電極的材質(zhì)為鈦，其表面涂覆有惰性復(fù)合材料，所述惰性復(fù)合材 料中Sn、Ru和Sb的摩爾比為Sn：Ru：Sb=80～90：5～10：5～10。
在所述陽(yáng)極電極上涂覆惰性復(fù)合材料的方法為：通過(guò)對(duì)鈦基板打磨、超聲、 堿洗(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%～50%的NaOH水溶液)去除表面的氧化物、污垢及油脂， 再通過(guò)酸洗(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%～60%的HCl水溶液)去除氧化層、改善其導(dǎo)電性; 按照上述Sn、Ru和Sb的摩爾比配置的涂覆液(將SnCl4、SbCl3和RuCl3按上 述比例浸泡于異丙醇中，滴加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%～60%的HCl水溶液，并不斷攪拌 直至溶解)進(jìn)行涂覆，先在100℃～110℃下烘干，后在450℃～550℃進(jìn)行熱 分解;上述涂覆、烘干、熱分解過(guò)程依次重復(fù)進(jìn)行20次以上。
所述陰極電極的材質(zhì)為碳。
所述曝氣管上設(shè)置多個(gè)線狀曝氣口。
一種使用上述管道式電催化與臭氧協(xié)同氧化處理污水的裝置處理污水的方 法，所述管道式電催化與臭氧協(xié)同氧化處理污水的裝置在污水輸送過(guò)程中通過(guò) 直流電源通電進(jìn)行污水處理;所述曝氣管所產(chǎn)生的曝氣為臭氧發(fā)生器產(chǎn)生的O2和O3的混合氣體，其中O3體積分?jǐn)?shù)大約為5%～10%;曝氣擴(kuò)散至陰極電極表面， 其中O2被陰極電極還原溶解得到H2O2，所得H2O2與O3反應(yīng)生成氧化性更強(qiáng) 的·OH，進(jìn)而氧化降解污水有機(jī)物;所述陽(yáng)極電極表面直接氧化降解污水有機(jī) 物，或產(chǎn)生氧化性離子對(duì)污水有機(jī)物進(jìn)行氧化降解，其中污水中含有的氯離子 被氧化為ClO-對(duì)污水有機(jī)物進(jìn)行氧化降解。
所述陽(yáng)極電極表面產(chǎn)生的氧化性離子為O3、·OH、ClO-和·O。
本發(fā)明的有益效果為：
本發(fā)明裝置在電催化法中，O2在碳陰極上可產(chǎn)生H2O2，可與O3發(fā)生協(xié)同 氧化作用。本發(fā)明結(jié)合污水輸送管道，設(shè)計(jì)了陰陽(yáng)電極為網(wǎng)狀管道式電催化反 應(yīng)器，在污水輸送過(guò)程中就可直接對(duì)污水進(jìn)行氧化處理。充分利用以制取O3為 目的所產(chǎn)生的混合氣體為反應(yīng)氣體，利用O2和O3混合氣體中的O2在電催化反 應(yīng)器的碳陰極上面發(fā)生催化反應(yīng)，產(chǎn)生H2O2，而H2O2又與混合氣體中的O3反 應(yīng)產(chǎn)生氧化性強(qiáng)的·OH羥基自由基粒子，從而氧化去除難生化降解有機(jī)物; 利用具有較高析氧電位和較低析氯電位的電陽(yáng)極產(chǎn)生氧化性離子O3、·OH、·O 等以及HClO、ClO-等含氯的氧化性粒子同步氧化降解難生化有機(jī)物，從而有效 實(shí)現(xiàn)電催化與O3、Cl-等的協(xié)同作用。
