CN104528889B - 一种多单元集成式电解槽 - Google Patents

Abstract

本发明属于电化学技术领域，涉及一种集成式电解槽。由封板、绝缘密封圈、腔板、密封垫、两个以上电解单元、阴极板、密封垫、腔板、绝缘密封圈、封板组成，所述电解单元由依次排列的阴极板、绝缘密封圈、绝缘板、绝缘密封圈、阳极板、密封垫和中间板、绝缘密封圈组成。本发明电解槽各构件由于都是预先制作完成，最后再通过紧固件将电解槽各部件紧密连接在一起，可以根据需要连接成若干个电解单元组成的电解槽。因此便于大规模工业化生产加工，且具有结构紧凑，体积小的优点。

Description

一种多单元集成式电解槽

技术领域

本发明属于电化学技术领域，涉及一种有机废水的电化学处理设备，特别是涉及一种多单元集成式电解槽。

背景技术

传统的废水处理方法如物理法、化学法及生化法等对普通废水有效,但制药、农药、印染及某些化工废水中往往含有分子结构稳定的物质或抗生物质,采用传统方法难以降解,致使对难降解有机废水的处理成为当前废水处理的难点。

电化学氧化技术属于废水处理的高级氧化技术。由于电化学技术在废水处理过程中只需提供电流，不需要额外的添加化学药剂，因而被国内外广泛称为“环境友好技术”。

电化学氧化技术是使污染物在电极上发生直接电化学反应或利用电极表面产生的强氧化性活性物质与污染物发生氧化反应,后者也被称为间接电化学反应。直接电化学反应通过阳极氧化可使有机污染物转化为无害物,同时伴生释放O₂的副反应,降低电流效率，但通过电极材料的选择和超电势的控制可加以抑制。间接电化学反应可利用电化学反应产生的氧化剂(包括HO·、O₂·和HO₂·等自由基),使污染物转化为无害物质。电化学氧化技术具有操作简单、便于自动化控制、反应条件温和、无二次污染、后处理简单且可与其他处理方法相结合等优点。该技术可有效降解难生化处理废水，表现出明显的技术优势,已成水污染控制领域中的一个研究热点。但电化学氧化技术在实际应用过程中还存在一些亟待解决的问题：一是废水处理耗时长、处理量少,亟需提高电化学反应器的电流效率、传质性能等，以降低处理时间提高处理量；另一个是电极寿命短,需要提高电极的稳定性。

在现有的技术中，实际生产中使用的主要是传统板框式电解槽。在大多数情况下，由于电解液在经过板框式电解槽的电解室时，液体很难保持均匀一致的流速，容易出现流量不均、电解死角等现象，不仅使电极上的电流分布不均匀，造成电解电流效率下降，而且还增加了副反应发生的机会。

针对存在的这些问题，现有的电化学反应器采取了不同的改进措施，如：中国专利CN 103408106 A公开了一种用于间接电化学氧化法处理工业废水的翻腾流动式电化学反应器，包括电解槽槽体、电解液入口、电解液出口、阳极、阴极，该电化学反应器的电解液入口设置在电解槽槽体一侧的上端，电解液出口设置在电解槽槽体另一侧的下端，电解槽槽体被隔板分成数个空间，每个空间设置一对电极，隔板上设置有电解液通道，相邻隔板上电解液通道的位置上、下交错设置。通过以上设计使废水在网状极板间流动，增大电极比表面积，强化传质，废水在反应器中不断上下流动，进一步强化强氧化性物种与废水中污染物的接触反应。上述电化学反应器电极仅限于拉伸网状电极，电解液在电解槽中不能形成折流，流体流程短，在相同流速下停留时间短，降低了单槽电解效果。

中国专利CN 102211801 A公开了一种用于处理高浓度有机废水的电化学反应装置，包括电解槽、多个电极，多个电极固定设置于电解槽内，电极连接直流电源，电解槽内装有电解液；其电解槽内壁设有多个用于固定电极的卡槽，通过选择间隔卡槽的数目控制电极的间距，多个电极在电解槽内呈交错排列，在电解槽内形成蛇形流道，通过以上设计保证废水在电解槽中处理的时间最长，提高电解氧化的功效。但该电化学反应装置电极表面产生的气泡靠浮力离开电极表面，流体流速慢，难以及时实现气液分离，增大电阻，降低了能量效率。

中国专利CN 2545217Y公开了一种管状旋流式电解槽，它由阴极、阳极、螺旋导流板、隔膜、阴极液分配器、阳极液分配器、电解槽体、密封件、紧固件以及相应配套的阴极液循环泵、阳极液循环泵、阴极液储槽、阳极液储槽、直流电源、电压调节器等组成。它既避免了平面板框式电解槽电解过程中电解电流密度分布不均匀而导致电流效率降低的问题，又充分发挥了管状排挤式反应器的化学反应效率高的特性，并且在反应过程中使物料在不降低流速的情况下而增加了在其电解槽内的停留时间，这样就使电极面积相对得到增加，因而可提高电解效率，但该电解槽电极为管状电极，电极的加工比较困难。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种集成式电解槽，它由两个及以上电解单元集合而成，它具有结构紧凑、体积小、单槽处理量大、流量均匀、效率高等特点。

本发明装置首先涉及电解单元，一个电解单元由依次排列的阴极板、绝缘密封圈、绝缘板、绝缘密封圈、阳极板、密封垫和中间板、绝缘密封圈组成。

包含多个电解单元的集成电解槽，由封板、绝缘密封圈、腔板、密封垫、两个以上电解单元、阴极板、密封垫、腔板、绝缘密封圈、封板组成，所述电解单元由依次排列的阴极板、绝缘密封圈、绝缘板、绝缘密封圈、阳极板、密封垫和中间板、绝缘密封圈组成；

所述腔板、绝缘板和绝缘密封圈都为方形框型构件，所述腔板和中间板的一面有凹槽，凹槽的形状和尺寸与阳极板或阴极板匹配，所述腔板的一边框上有连接管与空腔连接，所述阴极板与阳极板结构及尺寸相同，为方形，一边设有接线端，相邻的另一边开有一条形开孔，且阴极板和阳极板的条形开口朝相反的方向，所有的封板、腔板、绝缘密封圈、绝缘板、中间板上都有对应的孔洞，用于紧固。

所述的绝缘板起到调节阴极板、阳极板之间距离的作用，它需要一定的强度。

所述的中间板除了起调节阴阳极板间距作用外，还起到固定极板作用。

所述的腔板通过连接管引入(或排出)废水，同时还起到固定极板的作用。

所述的绝缘板、中间板、封板都需要一定的强度，可采用同一材质制成，比如为聚氯乙烯、聚乙烯或聚丙烯材料。

所述的绝缘密封圈、密封垫需要一定的柔韧性，可采用同一材质制成，比如橡胶或硅胶片。

作为电解液的废水首先经电解槽下腔板上设置的连接管进入电解槽下腔板和阴极板间的通道，通过阴极板条形开孔进入由阴极板和阳极板形成的电解通道，再通过阳极板条形开孔进入由阳极板、中间板和阴极板形成的电解通道，再进入阴极板、绝缘板和阳极板形成的电解通道，最后通过阳极板条形开孔进入由阳极板、中间板和阴极板形成的电解通道，即两个电解单元可形成四个串联的电解通道。经处理后的电解液进入阴极板和电解槽上腔板间的通道，通过电解槽上腔板上设置的连接管流出。

本发明所述电解槽的封板、腔板、阴极板、绝缘板、阳极板、中间板、阴极板及上述构件间的绝缘密封圈和密封垫等均预先制作完成，再通过紧固件依序将上述电解槽各部件紧密连接在一起。可以根据需要连接成若干个电解单元组成的电解槽。

通过本发明可达到如下效果：

本发明所述电解槽各构件由于都是预先制作完成，最后再通过紧固件将电解槽各部件紧密连接在一起，可以根据需要连接成若干个电解单元组成的电解槽。因此便于大规模工业化生产加工及组装，本发明的一种集成式电解槽具有结构紧凑，体积小的优点。

本发明所述电解槽由于其结构特点，可使电解液沿着阴极板和阳极板的电极表面快速流过，从而加快了传质速度，因此电解槽可在高电流密度范围内工作，提高了电流效率和单槽的处理能力。

本发明所述电解槽，根据不同的处理对象，可方便地采用不同功效的电极材料。根据处理对象不同，阳极可选用PbO₂/Ti、RuO₂/Ti、IrO₂/Ti、不锈钢和石墨电极，阴极可选用Fe、Co、Ni、Cu、Pb及其合金、不锈钢和石墨电极。

本发明所述电解槽可用于有机废水处理，也可用于有电化学反应的化工产品的生产。

附图说明

图1：一种集成式电解槽结构示意图；

图1中1-电解槽下封板，2-绝缘密封圈，3-电解槽下腔板，4-密封垫，5-阴极板，6-阴极接线端，7-中间板，8-阳极板，9-阳极接线端，10-绝缘板，11-电解槽上腔板，12-电解槽上封板，13-电解液出口，14-电解液进口。

图2：一种集成式电解槽处理废水工艺流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明的一种集成式电解槽作进一步的说明。

如图1所示，包含多个电解单元的集成电解槽，由封板、绝缘密封圈、腔板、密封垫、两个以上电解单元、阴极板、密封垫、腔板、绝缘密封圈、封板组成，所述电解单元由依次排列的阴极板、绝缘密封圈、绝缘板、绝缘密封圈、阳极板、密封垫和中间板、绝缘密封圈组成。

电解单元之间通过中间板和绝缘密封圈分隔。

所述腔板、绝缘板和绝缘密封圈都为方形框型构件，所述腔板和中间板的一面有凹槽，凹槽的形状及尺寸与阳极板或阴极板匹配，所述腔板的一边边框上有连接管与空腔连接，所述阴极板与阳极板结构及尺寸相同，为方形，一边设有接线端，相邻的另一边开有一条形开孔，且阴极板和阳极板的条形开口朝相反的方向，所有的封板、腔板、绝缘密封圈、绝缘板、中间板上都有对应的孔洞，用于紧固。

废水在阳极板的条形开孔与阴极板的条形开孔之间流动。为了充分利用极板之间的电场，在电解槽中阴极板和阳极板之间的条形开口朝相反的方向。在保证废水流动的情况下，条形开孔尽量贴近绝缘板或中间板的边框，条形开孔与中间板或腔板的边框内缘对齐。

所述电解槽的各个阴极板接线端采用并联方式联在一起，并与脉冲直流电源的负极连接。

所述阴极板可选用Fe、Co、Ni、Cu、Pb及其合金、不锈钢或石墨。

所述电解槽的各阳极板接线端亦采用并联方式联在一起，并与脉冲直流电源的正极连接。

所述阳极板可选用PbO₂/Ti、RuO₂/Ti、IrO₂/Ti、不锈钢或石墨。

所述的封板、腔板、绝缘密封圈、绝缘板、中间板上的孔洞呈对称分布。

所述电解槽上的腔板、中间板、绝缘板、绝缘密封圈和密封垫的内框尺寸相同。

所述密封垫和极板嵌入腔板或中间板中。所述密封垫的外框尺寸与腔板和中间板的凹槽尺寸相同。

所述电解槽的极间距通过中间板、绝缘板、绝缘密封圈的厚度进行调节。

上述电解槽中，相邻的腔板连接管、阴极板条形开孔或阳极板条形开孔，彼此朝相反的方向，交错分布。

电解液首先经电解槽下腔板上设置的连接管进入下腔板和阴极板间的通道，通过阴极板条形开孔进入由阴极板、中间板和阳极板形成的电解通道，再通过阳极板条形开孔进入由阳极板、绝缘板和阴极板形成的电解通道，再进入阴极板、中间板、阳极板形成的电解通道，最后进入由阳极板、绝缘板和阴极板形成的电解通道，这是两个电解单元的情况。电解槽中集成了更多的电解单元时，依此类推。最后电解液流经阴极板和电解槽上腔板间的通道并经电解槽上腔板上设置的连接管流出。

电解液在泵动力推动下沿电解槽内“弓”形折流液流通道呈冲击状流动，最大限度地消除电解液的“浓差极化”。电解液冲击状流动对电极表面进行连续冲刷，电化学反应的反应物质与电极表面达到了“零”距离迁移，翻腾碰撞、瞬间反应，最大限度地减少了阳极表面和阴极表面“气泡效应”，使之趋近于消除。电解液冲击状流动还能避免电极表面的电沉积、避免电极表面结垢、避免电解液的流动通道内结垢及堵塞。

本发明电解槽的结构和体外强制循环***使体系内电流密度分布均匀，电解液温度分布均匀，电解液水质混合均匀，从而实现了电化学反应速度快、最大限度地消除了副反应发生，提高了电流效率。

所述电解槽对结构稳定的污染物降解、改性功能强，去污效果好，电解液在电解槽内的停留时间(即电化学反应时间)可以实现自动化控制。

本发明一种集成式电解槽如图1所示的各构件分别预先制作完成，然后按照图1所示的结构顺序通过紧固件将上述各构件紧密连接在一起。

下面结合图2集成式电解槽处理废水工艺流程图对本发明作更进一步的说明。

实施例1

按图1一种集成式电解槽结构示意图的结构顺序将预先加工好的两个电解槽单元的各构件用紧固螺栓紧密地连接在一起，形成有两个电解槽单元的集成式电解槽。电解槽各构件中，阳极采用PbO₂/Ti电极，阴极采用不锈钢电极，极板尺寸为60mm x 225mm，极板有效面积为80cm²，绝缘板厚度为3mm，绝缘密封圈厚度为1.5mm，电解槽极间距为7mm，各阴极板接线端采用并联方式联在一起，并与脉冲直流电源的负极连接，各阳极板接线端亦采用并联方式联在一起，并与脉冲直流电源的正极连接，用上述有两个电解单元的集成式电解槽处理垃圾渗漏液超滤水。

以武汉某垃圾填埋场垃圾渗滤液的生化处理后的超滤水为例，该垃圾渗滤液超滤水的原水COD＝498mg·L^-1，pH＝8.44。

调节垃圾渗滤液超滤水的原水pH到5.0，然后将调节好的2L垃圾渗滤液超滤水输送到缓冲罐中，缓冲罐中的垃圾渗滤液超滤水再通过泵经电解槽下腔板的进水管输送到到电解槽，电解后的垃圾渗滤液超滤水经电解槽上腔板的出水管排出。在泵出口和缓冲罐间设置有分流管道，电解槽垃圾渗滤液超滤水进水流量通过分流管道上的阀来调节。电解出水重新回到缓冲罐中进行循环电解，直到出水COD达到要求(COD＝150mg·L^-1)。达到要求的电解出水经出水管排出。该集成式电解槽与传统板框式电解槽(有效电解面积130cm²)在处理此种垃圾渗滤液超滤出水时的相关运行数据如表1和表2所示。从表1可以看到，在相同电流密度下，相同面积的极板在相同时间内将相等体积的废水的COD降低到相同水平，集成式电解槽的能耗比传统板框式电解槽降低19％。从表2可以看到，消耗相同的能量，将废水的COD降至相同的水平，具有相同极板面积的集成式电解槽在相同时间内处理的废水的量是传统板框式电解槽的2.72倍，处理能力大大提高。

表1：

	集成式电解槽	传统板框式电解槽
			电流密度/mA·cm-2	30	30
原水COD/mg·L-1	498	498
			出水COD/mg·L-1	150	150
处理量/t·m-2h-1	0.047	0.047
			能耗/kWh·t-1	14.4	17.8

表2：

	集成式电解槽	传统板框式电解槽
			能耗/kWh·t-1	15.6	15.6
电流密度/mA·cm-2	90	30
			原水COD/mg·L-1	498	498
出水COD/mg·L-1	150	150
			处理量/t·m-2h-1	0.117	0.043

实施例2

按附图1一种集成式电解槽结构示意图的结构顺序将预先加工好的两个电解槽基本单元的各构件用紧固螺栓紧密地连接在一起，形成有两个电解槽单元的集成式电解槽。电解槽各构件中，阳极采用PbO₂/Ti电极，阴极采用不锈钢电极，极板尺寸为60mm x 225mm，极板有效面积为80cm²，绝缘板厚度为3mm，结缘密封圈厚度为1.5mm，电解槽极间距为7mm，各阴极板接线端采用并联方式联在一起，并与脉冲直流电源的负极连接，各阳极板接线端亦采用并联方式联在一起，并与脉冲直流电源的正极连接，用上述具有两个电解槽单元的集成式电解槽处理丁苯橡胶废水。

丁苯橡胶废水的原水COD＝677mg·L^-1，pH＝8.09。

调节丁苯橡胶废水的原水pH到5.0，加入5‰的NaCl，然后将调节好的2L丁苯橡胶废水输送到缓冲罐中，缓冲罐中的丁苯橡胶废水再通过泵经电解槽下腔板的进水管输送到到电解槽，电解后的丁苯橡胶废水经电解槽上腔板的出水管排出。在泵出口和缓冲罐间设置有分流管道，电解槽丁苯橡胶废水进水流量通过分流管道上的阀来调节。电解出水重新回到缓冲罐中进行循环电解，直到出水COD达到要求(COD＝200mg·L^-1)。达到要求的电解出水经出水管排出。

该集成式电解槽与传统板框式电解槽(有效电解面积130cm²)在处理此种垃圾渗滤液超滤出水时的相关运行数据如表3和表4所示。从表3可以看到，在相同电流密度下，相同面积的极板在相同时间内将相等体积的废水的COD降低到相同水平，集成式电解槽的能耗比传统板框式电解槽降低32％。从表4可以看到，消耗相同的能量，将废水的COD降至相同的水平，具有相同极板面积的集成式电解槽在相同时间内处理的废水的量是传统板框式电解槽的2.98倍，处理能力大大提高。

表3：

	集成式电解槽	传统板框式电解槽
			电流密度/mA·cm-2	30	30
原水COD/mg·L-1	677	677
			出水COD/mg·L-1	200	200
处理量/t·m-2h-1	0.047	0.047
			能耗/kWh·t-1	10.4	15.2

表4：

集成式电解槽

传统板框式电解槽

能耗/kWh·t-1	14.4	14.4
			电流密度/mA·cm-2	90	30
原水COD/mg·L-1	677	677
			出水COD/mg·L-1	200	200
处理量/t·m-2h-1	0.128	0.043

本发明所述电解槽不仅用于有机废水处理，还用于有电化学反应的化工产品的生产。

Claims (9)

1.一种多单元集成式电解槽，依次由封板、绝缘密封圈、腔板、密封垫、两个以上电解单元、阴极板、密封垫、腔板、绝缘密封圈、封板组成，所述电解单元由依次排列的阴极板、绝缘密封圈、绝缘板、绝缘密封圈、阳极板、密封垫和中间板、绝缘密封圈组成；

所述腔板、绝缘板和绝缘密封圈都为方形框型构件，所述腔板和中间板的一面有凹槽，凹槽的形状和尺寸与阳极板或阴极板匹配，所述腔板的边框上有连接管与空腔连接，所述阴极板与阳极板结构和尺寸相同，为方形，一边设有接线端，另一边开有一条形开孔，且阴极板和阳极板的条形开口朝相反的方向，所有的封板、腔板、绝缘密封圈、绝缘板、中间板上都有对应的孔洞，用于紧固。

2.根据权利要求1所述的多单元集成式电解槽，其特征在于，所述的绝缘板、中间板、封板采用耐腐蚀的塑料材料制成。

3.根据权利要求1所述的多单元集成式电解槽，其特征在于，所述的绝缘密封圈、密封垫材质为橡胶或硅胶。

4.根据权利要求1所述的多单元集成式电解槽，其特征在于，条形开孔与中间板或腔板的边框内缘对齐。

5.根据权利要求1所述的多单元集成式电解槽，其特征在于，所述电解槽的各个阴极板接线端采用并联方式联在一起，并与脉冲直流电源的负极连接。

6.根据权利要求1所述的多单元集成式电解槽，其特征在于，所述电解槽的各阳极板接线端采用并联方式联在一起，并与脉冲直流电源的正极连接。

7.根据权利要求1所述的多单元集成式电解槽，其特征在于，所述的封板、腔板、绝缘密封圈、绝缘板、中间板上的孔洞呈对称分布。

8.根据权利要求1所述的多单元集成式电解槽，其特征在于，所述电解槽上的腔板、中间板、绝缘板、绝缘密封圈和密封垫的内框尺寸相同。

9.根据权利要求1所述的多单元集成式电解槽，其特征在于，所述电解槽中，相邻的腔板连接管、阴极板条形开孔或阳极板条形开孔，彼此朝相反的方向，交错分布。