CN108585123A

CN108585123A - 一种过滤式电化学反应器和水处理装置以及水处理方法

Info

Publication number: CN108585123A
Application number: CN201810218793.2A
Authority: CN
Inventors: 张云飞; 杨奎; 梁飒
Original assignee: Dongguan University of Technology
Current assignee: Dongguan University of Technology
Priority date: 2018-03-16
Filing date: 2018-03-16
Publication date: 2018-09-28

Abstract

本发明公开了一种过滤式电化学反应器和水处理装置以及水处理方法，所述过滤式电化学反应器包括从内到外依次嵌套的布水管、多层管状多孔电极、管状反应器壁，所述管状多孔电极和管状反应器壁的两端开口采用密封结构封装，所述布水管穿过所述密封结构，所述布水管设有进水口，最外层的所述管状多孔电极与管状反应器壁组成的腔体设有出水口；所述布水管和管状反应器壁采用导电材料制成，所述布水管和管状反应器壁设置为阴极；多层所述管状多孔电极从内到外交替设置为阳极和阴极；所述管状多孔电极的孔隙率大于等于45%。有机废水经过管状多孔电极后，一步实现过滤和电化学氧化降解污染物，污水净化时间短、效率高；而且，多孔电极能够提高水流紊动，提高电化学氧化反应效率，使得本发明的过滤式电化学反应器具有电化学氧化效率高、能耗低的特点。

Description

一种过滤式电化学反应器和水处理装置以及水处理方法

技术领域

本发明涉及污水处理技术领域，更具体地，涉及一种过滤式电化学反应器和水处理装置以及水处理方法。

背景技术

随着我国经济的快速发展，进入水环境中的有机污染物的种类和数量不断增加，有机废物造成的水环境污染问题日益严重。例如，卤代有机物（例如，氯仿、全氟化合物等）常作为溶剂、表面活性剂等在人类生产和生活中广泛使用，近年来其在各种环境介质中不断被检测到。多数卤代有机物在环境中具有强滞留性、难降解性和高毒性，已有研究证明，长时间接触低剂量的卤代有机物也会对水生生物造成长期伤害。因此，探索难降解有机废水的高效处理技术是近年来环境领域研究的热点之一。

近年来，电化学氧化在有机废水治理中已有广泛研究，其机理主要是利用高效阳极来直接氧化有机物，或者利用电极表面生成的活性氧物种（如、HO∙、O₂‾）来间接氧化有机物。电化学氧化技术无需添加氧化剂，具有反应条件温和、设备简单、使用方便等优点，已成为环境领域处理毒害有机物的有效手段之一。

但是现有电氧化反应体系效率低，这主要是由于电极有效利用效率低和污染物与电极的传质速率慢所致，这使得水处理成本大大提高，阻碍了该技术大规模使用。电化学氧化技术在实际中应用的关键是提高电化学氧化效率、节约能耗。目前，现有针对提高电化学氧化效率的国内专利主要是对电极材料进行改性，例如硼掺杂金刚石电极、稀土掺杂氧化物电极、钛基掺聚偏二氟乙烯二氧化铅阳极，这些电极多数制备复杂、成本高、难以在实际废水的治理中应用。虽然也有专利报道对电化学装置进行改进，但只是改变反应装置形态以强化水流紊动、或者简单组装电絮凝/电气浮和电氧化连用设备，从而强化其装置对污染物的去处效果，其操作步骤复杂，效率低。

现有的电化学反应器及水处理装置存在电化学氧化效率低、能耗高的问题，急需设计出电化学氧化效率更高、能耗更低的电化学反应器及水处理装置。

发明内容

本发明为克服上述现有技术所述的缺陷，提供一种过滤式电化学反应器，能够同时进行多级过滤和电化学氧化去除有机污染物。

本发明的另一目的在于提供一种电化学水处理装置。

本发明的还一目的在于提供一种电化学水处理方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种过滤式电化学反应器，包括从内到外依次嵌套的布水管、多层管状多孔电极、管状反应器壁，所述管状多孔电极和管状反应器壁的两端开口采用密封结构封装，所述布水管穿过所述密封结构，所述布水管设有进水口，最外层的所述管状多孔电极与管状反应器壁组成的腔体设有出水口；

所述布水管和管状反应器壁采用导电材料制成，所述布水管和管状反应器壁设置为阴极；多层所述管状多孔电极从内到外交替设置为阳极和阴极；所述管状多孔电极的孔隙率大于等于45%。

在过滤式电化学反应器中，管状多孔电极既具有电化学氧化单元的作用，也具有过滤单元的作用，将电化学氧化单元和过滤单元有机地结合在一起，废水经过管状多孔电极后，一步实现过滤和电化学氧化降解污染物，污水净化时间短、效率高；而且，利用增压泵，多孔电极能够提高水流紊动，降低电化学氧化边层厚度，强化传质效率，提高电化学氧化反应效率，使得本发明的过滤式电化学反应器具有电化学氧化效率高、能耗低的特点。

另外，上述过滤式电化学反应器操作方便、绿色安全，不需要曝气和添加化学试剂即可实现污水的连续动态处理。

在过滤式电化学反应器中，管状多孔电极的孔隙率需大于等于45%，孔隙率越低，通过多孔电极所需要的压力就越高，若孔隙率低于45%，当水通过时会致使电化学反应器中压力急剧增大，长时间使用后容易导致电化学反应器的密封结构破裂。

优选地，所述管状多孔电极的孔隙率为45%~80%。

当废水流过电极表面时，孔隙率越高，废水越容易通过，有机物与电极接触的时间就越少，相应的污水处理的时间就越短，因此优选的选择管状多孔电极的孔隙率为45%~80%。

更优选地，所述管状多孔电极的孔隙率为45%~60%。

优选地，所述管状多孔电极的过滤精度从内到外依次提高。

有机废水从布水管的进水口进入，从内到外依次经过布水管、多层管状多孔电极，通过多层管状多孔电极逐级过滤，实现电化学氧化去除有机污染物的同时实现多级过滤。

优选地，所述管状多孔电极的过滤精度为0.02~100μm。

有机废水在逐级过滤中，过滤精度越高，废水通过多孔电极所需的压力就越高，当反应器的过滤精度小于0.02 μm时，反应器内压力急剧增大，不利于反应器的长时间使用；当过滤精度大于100 μm时，会致使废水中的有机物很容易穿过多孔电极，大大降低过滤和电氧化效果。

优选地，所述过滤式电化学反应器包括三层管状多孔电极，从内到外依次为第一管状多孔电极、第二管状多孔电极、第三管状多孔电极。第一管状多孔电极和第三管状多孔电极为阳极，第二管状多孔电极为阴极。

优选地，设置为阳极的所述管状多孔电极采用具备高析氧电位的钛基氧化物电极或导电陶瓷电极。采用具备高析氧电位的钛基氧化物电极或导电陶瓷电极，能够抑制析氧副反应的发生和提高电化学氧化效率。

优选地，所述钛基氧化物电极包括钛基锡锑氧化物电极、钛基二氧化铅电极、钛基二氧化铱电极。

优选地，设置为阴极的所述管状多孔电极采用所述导电材料制成。

优选地，设置为阴极的电极数量比设置为阳极的电极数量多1个。阴极的数量比阳极多一个，能够提高阳极利用率。

优选地，所述布水管的位于所述过滤式电化学反应器内部的部分设有通孔。

优选地，所述通孔的孔径为0.5~2.0mm。

优选地，所述导电材料包括不锈钢、铜、钛。不锈钢、铜、钛的导电性良好，适于制备电化学反应器的阴极。设置为阴极的布水管、管状多孔电极和管状反应器壁均可以采用不锈钢、铜、钛制成的不锈钢管、铜管、钛管。

优选地，所述密封结构为有机玻璃法兰。

所述管状反应器壁和所述管状多孔电极的两端开口均采用有机玻璃法兰封装。所述有机玻璃法兰通过螺栓锁紧。

优选地，与所述布水管相邻的所述管状多孔电极与所述布水管的距离为0.5~2.5cm。

优选地，所述管状多孔电极之间的距离为0.5~2.5cm。

优选地，与所述管状反应器壁相邻的所述管状多孔电极与所述管状反应器壁的距离为0.5~2.5cm。

一种电化学水处理装置，包括直流电源、增压泵、上述过滤式电化学反应器。直流电源向过滤式电化学反应器供电。增压泵能够为进入所述电化学水处理装置的有机废水提供动力，配合管状多孔电极，能够进一步提高水流紊动，降低电化学氧化边界层厚度，强化传质效率，提高电化学氧化反应效率。

优选地，所述电化学水处理装置还包括进水管，所述进水管与所述布水管连接。

优选地，所述电化学水处理装置还包括出水管，所述出水管与所述过滤式电化学反应器的出水口连接。

优选地，所述电化学水处理装置还包括流量计，所述流量计与所述进水管或出水管连接。

优选地，所述电化学水处理装置还包括进水压力表，所述进水压力表设置于所述增压泵与所述过滤式电化学反应器之间的管路中。

优选地，所述电化学水处理装置还包括出水压力表，所述出水压力表与所述出水管连接。

优选地，所述电化学水处理装置还包括进水槽，所述进水槽与所述进水管连接。

优选地，所述电化学水处理装置，包括上述过滤式电化学反应器、直流电源、进水槽、增压泵、流量计、进水压力表和出水压力表，所述进水槽的出水口、增压泵、流量计、进水压力表、过滤式电化学反应器的进水口依次通过管道连接，所述过滤式电化学反应器的出水口、出水压力表、进水槽的进水口依次通过管道连接。

一种电化学水处理方法，包括如下步骤：

S1. 在有机废水中添加支持电解质；

S2. 将上述过滤式电化学反应器接通直流电源，过滤式电化学反应器的进水与出水的压强差为0.4~10.5MPa，将S1.的有机废水通入所述布水管，有机废水经处理后从所述出水口流出。

压强差与管状多孔电极孔隙率和过滤精度有密切相关，用管子连接后，反应器是一个相对密封的装置，过小的压力使水扩散慢，传质差，不利于降解；过大的压力说明反应器内压力过高，不利于长时间使用。

优选地，所述支持电解质为NaClO₄、NaCl、NaNO₃或Na₂SO₄。

优选地，所述支持电解质的浓度为10~80 mM。

优选地，电流密度为2~30mA/cm²。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明的过滤式电化学反应器中，管状多孔电极既具有电化学氧化单元的作用，也具有过滤单元的作用，将电化学氧化单元和过滤单元有机地结合在一起，废水经过管状多孔电极后，一步实现过滤和电化学氧化降解污染物，污水净化时间短、效率高；而且，多孔电极能够提高水流紊动，降低电化学氧化边层厚度，强化传质效率，提高电化学氧化反应效率，使得本发明的过滤式电化学反应器具有电化学氧化效率高、能耗低的特点。

而且，本发明的过滤式电化学反应器操作方便、绿色安全，不需要曝气和添加化学试剂即可实现污水的连续动态处理。

附图说明

图1为实施例1的过滤式电化学反应器的截面示意图。

图2为实施例2的电化学水处理装置的示意图。

图3为实施例3与对比例1处理含有罗丹明B的印染废水的效果对比。

图4对比例中所用普通板式、非过滤式电化学装置示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。

实施例中，能耗的计算公式为：

U为降解有机污染物时的平均电压（V）；I降解有机污染物的应用电流（A）；t_99.9%为有机污染物降解率达99.9%的时间（min），V是反应液的体积（L）。实施例中，有机污染物包括罗丹明B、苯酚、乐果农药废水。

实施例中，“电耗”是指消耗的电能，即能耗。

实施例1

一种过滤式电化学反应器，如图1所示，包括管状反应器壁1、内套于管状反应器壁1的三层管状多孔电极2、内套于管状多孔电极2的布水管3，三层管状多孔电极2形成套管结构，从内到外依次为第一管状多孔电极2、第二管状多孔电极2、第三管状多孔电极2，布水管3内套于第一管状多孔电极2；管状反应器壁1和管状多孔电极2的两端开口采用有机玻璃法兰4通过螺栓封装；本实施例的过滤式电化学反应器设有出水口5，第三管状多孔电极2、管状反应器壁1和有机玻璃法兰4形成的腔体与出水口5连通；

管状反应器壁1采用不锈钢材料制成；

布水管3有一部分伸出过滤式电化学反应器外，该部分设有进水口，布水管3的过滤式电化学反应器的部分设有孔径为1mm的通孔，布水管3采用不锈钢材料制成；

第一管状多孔电极2采用多孔钛基锡锑电极，多孔钛基锡锑电极为Ti/Sn-SbO₂，第一管状多孔电极2的孔隙率为50%，第一管状多孔电极2的过滤精度为50 μm；第二管状多孔电极2采用多孔钛管，第二管状多孔电极2的孔隙率为50%，第二管状多孔电极2的过滤精度为10 μm；第三管状多孔电极2采用多孔钛基锡锑电极，第三管状多孔电极2的孔隙率为50%，第三管状多孔电极2的过滤精度为0.2 μm；

布水管3、第一管状多孔电极2、第二管状多孔电极2、第三管状多孔电极2和管状反应器壁1之间的距离均为1cm；布水管的直径为2 cm，所有管状多孔电极的高为20 cm。

布水管3、第二管状多孔电极2和管状反应器壁1设置为阴极，第一管状多孔电极2和第三管状多孔电极2设置为阳极，本实施例的过滤式电化学反应器还设有接线柱，与阴极连接的为阴极接线柱，与阳极连接的为阳极接线柱。

实施例2

一种电化学水处理装置，如图2所示，包括实施例1的过滤式电化学反应器7和直流电源8，还包括进水槽12、增压泵11、流量计10、进水压力表9和出水压力表13，进水槽12、增压泵11、流量计10、进水压力表9、过滤式电化学反应器7的进水口依次通过管道连接，过滤式电化学反应器7的出水口5、出水压力表13、进水槽12依次通过管道连接。

实施例3

一种电化学水处理方法，采用实施例2的电化学水处理装置处理含有罗丹明B的印染废水。

S1. 将直流电源8的负极与阴极接线柱连接，直流电源8的正极与阳极接线柱连接；

S2. 把2 L含罗丹明B的初始浓度为200 mg/L的印染废水置于进水槽12中，在进水槽12中添加Na₂SO₄支持电解质，使其浓度为50 mM，打开电源，采用恒电流模式，调节电流密度为20 mA/cm²；

S3. 打开增压泵11，调节过滤式电化学反应器7的进水与出水的压差为1.0 MPa，印染废水通过管道和布水管3进入过滤式电化学反应器7中，然后依次流过第一管式多孔电极2和第二管式多孔电极2；印染废水依次流经不同过滤精度的管式多孔电极2后，印染废水中的有机污染物得到逐级过滤和氧化。

S3. 经一次处理后，印染废水从出水口5通过管道流回进水槽12，其色度明显降低。

实施例4

本实施例采用电化学水处理装置处理含有苯酚的有机废水；该有机废水的初始浓度为200 mg/L，初始pH为8.4，体积为2 L。

本实施例采用的电化学水处理装置与实施例3所采用的电化学水处理装置的区别在于，第一管状多孔电极2采用孔隙率为70%、过滤精度为20 μm的多孔钛基二氧化铅电极，第二管状多孔电极2采用孔隙率为70%、过滤精度为1 μm的不锈钢管，第三管状多孔电极2采用孔隙率为70%、过滤精度为0.05 μm 的多孔钛基二氧化铅电极，布水管3采用铜制成；其他与实施例3所采用的电化学水处理装置相同；

本实施例处理废水的条件与实施例3的区别在于，进出水压差为3.5 MPa，其他与实施例3相同。

实施例5

本实施例与实施例3的区别在于，处理的有机废水为江苏某化工厂的高浓度乐果农药废水，其他与实施例3相同；该废水的初始COD为12418 mg/L，初始pH值为3.2，体积为1 L。

对比例1

与实施例3的区别在于，将过滤式电化学反应器替换为普通板式、非过滤式电化学装置，其它实验条件均相同；

本对比例中的普通板式、非过滤式电化学装置，结构如图4所示，包括5块平行放置的平行板电极，依次交替设置为阳极和阴极，平行板电极的表面积与第二管状多孔电极的外表面积相等（约20×0.25 cm²），电极之间的距离为1 cm；电极材料与实施例3相同。

对比例2

与实施例4的区别在于，将过滤式电化学反应器替换为普通板式、非过滤式电化学装置，其它实验条件均相同；

本对比例中的普通板式、非过滤式电化学装置的结构与对比例1中的普通板式、非过滤式电化学装置相同；电极材料与实施例4相同。

实施例3与对比例1的结果如图3所示，实施例3中，过10 min分钟后，紫外-可见分光光度计的分析结果表明，罗丹明B的去除率已达99.9%以上，计算得电耗仅为1.81 WhL^-1；实施例3的处理效果明显优于对比例1；实施例3的速率常数和电耗分别是对比例1的11.7倍和1/13.1。

实施例4与对比例2的结果如表1所示，实施例4的降解效果显著高于对比例2，实施例4和对比例2达到99.9%的去除率时所需的时间分别为8 min和90 min，本发明的过滤式电化学反应器及电化学水处理装置明显具有更高的电化学氧化效率，而且能耗更低。

表1实施例4与对比例2的结果

	t_99.9%（min）	速率常数K（min^-1）	电耗W（WhL^-1）
				实施例4	8	0.145	1.12
对比例2	90	0.029	7.34

实施例5中，反应10 min后，该废水的COD的降低到1107 mg/L，COD去除率高达91.1%；18min后，该废水的COD完全去除。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims

1.一种过滤式电化学反应器，其特征在于，包括从内到外依次嵌套的布水管（3）、多层管状多孔电极（2）、管状反应器壁（1），所述管状多孔电极（2）和管状反应器壁（1）的两端开口采用密封结构（4）封装，所述布水管（3）穿过所述密封结构（4），所述布水管（3）设有进水口，最外层的所述管状多孔电极（2）与管状反应器壁（1）组成的腔体设有出水口（5）；

所述布水管（3）和管状反应器壁（1）采用导电材料制成，所述布水管（3）和管状反应器壁（1）设置为阴极；多层所述管状多孔电极（2）从内到外交替设置为阳极和阴极；所述管状多孔电极（2）的孔隙率大于等于45%。

2.根据权利要求1所述的过滤式电化学反应器，其特征在于，所述管状多孔电极（2）的孔隙率为45%~80%。

3.根据权利要求2所述的过滤式电化学反应器，其特征在于，所述管状多孔电极（2）的孔隙率为45%~60%。

4.根据权利要求1所述的过滤式电化学反应器，其特征在于，所述管状多孔电极（2）的过滤精度从内到外依次提高。

5.根据权利要求1或4所述的过滤式电化学反应器，其特征在于，所述管状多孔电极（2）的过滤精度为0.02~100μm。

6.一种电化学水处理装置，其特征在于，包括权利要求1~5任一项所述的过滤式电化学反应器（7）、直流电源（8）、增压泵（11）。

7.一种电化学水处理方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1. 在有机废水中添加支持电解质；

S2. 将权利要求1~5任一项所述的过滤式电化学反应器（7）接通直流电源，将S1.的有机废水通入所述布水管（3），有机废水经处理后从所述出水口（5）流出。