CN110845055B - 一种分段式电化学水处理装置及采用该装置进行处理的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种分段式电化学水处理装置及采用该装置进行处理的方法，包括由阴极和阳极构成的电解槽，阴极和阳极间形成电解通道，电解通道分为前段和后段，其中，前段的电解通道内填充碳基负载金属氧化物和/或其相应的碳基负载金属，后段的电解通道内填充碳基负载金属和/或铁颗粒，前段的电解通道内还设有曝气装置。处理方法为调节废水的电导率和pH值，启动曝气装置和电解槽，依次流经电解槽的前段和后段反应后，静置、离心即可。本发明的装置通过在连续电解通道分段填充不同的催化粒子电极来实现分段分别原位产生强氧化性自由基和吸附絮体，提高了难降解有机物的去除率；同时该处理方法能够克服一定程度的阳极钝化问题，降低能耗。

Description

一种分段式电化学水处理装置及采用该装置进行处理的方法
技术领域
本发明属于废水处理领域，尤其涉及一种分段式的电化学水处理装置及处理方法。
背景技术
电絮凝技术是一种绿色的、低成本的废水处理技术。电絮凝的原理是通过外加电场的作用，可溶性金属阳极产生金属阳离子(Al3+或Fe2+等)，阴极产生H2和表面羟基(·OH)，两者在溶液中结合生成氢氧化物和多核羟基配合物，最终形成含有丰富表面羟基的氢氧化物絮体。所形成的絮体在溶液中通过专属吸附、网捕卷扫、吸附架桥等作用吸附水中重金属离子、有机物和悬浮颗粒等污染物。一部分絮体吸附了密度较大的污染物后沉到反应器底部，另一部分絮体附着在阴极产生的H2气泡上发生气浮作用，固液分离后达到去除污染物的目的。与此同时，电絮凝过程中的电化学氧化作用也可以协同絮凝过程去除污染物。
电絮凝技术综合了化学絮凝和电化学的优点，污染物去除效率高，且设备简单，不会造成二次污染。但电絮凝过程中产生的具有强氧化性的自由基有限，影响了污染物的去除效率。
发明内容
发明目的：本发明的第一目的是提供一种能够有效提高难降解有机物去除率的分段式的电化学水处理装置；
本发明的第二目的是提供采用该装置进行处理的方法。
技术方案：本发明分段式的电化学水处理装置，包括由阴极和阳极构成的电解槽，阴极和阳极间形成电解通道，该电解通道分为前段和后段，其中，前段的电解通道内填充碳基负载金属氧化物和/或其相应的碳基负载金属，后段的电解通道内填充碳基负载金属和/或铁颗粒，前段的电解通道内还设有曝气装置。
本发明通过在连续电解通道分段填充不同组成和功能的催化粒子电极来实现分段分别原位产生强氧化性自由基和吸附絮体的电化学水处理方法。优选的，碳基负载金属氧化物可为SnO2@C和/或MnO2@C。前段的碳基负载金属可为Sb@C和/或Mn@C。
进一步说，本发明分段的前段的电解通道长度占电解通道总长的30～50％。阳极材料可为铝或平板铁电极，阴极材料可为多孔不锈钢、石墨或钛电极。
本发明采用上述电化学水处理装置进行处理的方法，包括如下步骤：调节废水的电导率和pH值，启动曝气装置和电解槽，依次流经电解槽的前段电解通道和后段电解通道反应10～60min后，静置、离心即可。
更进一步说，本发明反应时间优选可为30～50min。流经后段电解通道后调节废水的pH值为5～7。曝气装置的曝气速率为0～10L/min。
工作原理：本发明在处理废水的过程中，电解通道前段产生大量的具有强氧化性的羟基自由基(·OH)、超氧自由基(·O2 -)和双氧水(H2O2)等物质，可以将污染物直接氧化或将其复杂的长碳链结构打断，为后段絮体吸附去除污染物提供有利条件。电解通道后段的粒子电极生成金属阳离子，显著提高了具有强吸附性氢氧化物絮体的产量。因此，在处理难降解有机物废水时，污染物经过前段深度氧化，直接被氧化去除或变为结构简单的小分子有机物，随后小分子有机物被后段原位产生的絮体吸附去除，从而有效地提高了难降解有机废水的处理效率。
具体地，当采用铁为阳极时，废水首先通过电解通道前段，铁阳极电解出金属阳离子Fe2+，阴极产生过氧化氢，Fe2+和过氧化氢发生芬顿反应生成大量的羟基自由基(·OH)。同时，碳基负载金属氧化物(SnO2@C、MnO2@C)和碳基负载金属(Sb@C、Mn@C)催化产生·OH、·O2 -等强氧化性自由基。所生成的·OH、·O2 -等强氧化性自由基能将难降解有机物深度氧化，转变为无毒的小分子物质或打断长碳链污染物，使其变为易被絮体吸附的小分子物质。随后在电解通道后段使用分段加药的方法，加入酸性或碱性药剂调节pH至处理相应废水的最佳值，更有效地提高污染物的去除效率。在电解通道后段填充Fe@C、Al@C粒子电极，在处理废水的过程中，铁(铝)阳极和Fe@C(Al@C)粒子电极电解生成Fe2+或Fe3+(Al3+)，阴极电解生成H2和少量·OH，与此同时粒子电极生成大量·OH，生成的Fe2+或Fe3+(Al3+)与·OH在废水中结合，最终形成Fe2O3(Al2O3)、FeOOH(AlOOH)等絮体。粒子电极的加入使得产生的Fe2+或Fe3+(Al3+)和·OH数量增多，有效提高了絮体产量并加快了废水处理效率。
有益效果：与现有技术相比，本发明的显著优点为：该装置通过在连续电解通道分段填充不同组成和功能的催化粒子电极来实现分段分别原位产生强氧化性自由基和吸附絮体，提高了难降解有机物的去除率，且填充的粒子电极和阴阳电极形成三维电极体系，在产生·OH的同时增加了电极的有效面积还提高了电流效率；同时该处理方法简单，可操作性强，能够克服一定程度的阳极钝化问题，降低能耗。
附图说明
图1为本发明装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明的技术方案做进一步详细说明。
如图1所示，本发明分段式的电化学水处理装置，包括由阴极1和阳极2构成的电解槽，阴极和阳极间形成电解通道。阳极可为铝或平板铁电极，阴极为多孔不锈钢、石墨、钛电极中任一种，阴极、阳极之间的间距为3～30cm。
电解通道分为前段A和后段B，前段A的电解通道长度占电解通道总长的30～50％。前段A的电解通道内填充碳基负载金属氧化物和其相应的碳基负载金属的混合物，后段的电解通道内填充碳基负载金属和/或铁颗粒，前段的电解通道内还设有曝气装置。其中，碳基负载金属氧化物SnO2@C和/或MnO2@C。前段的碳基负载金属为Sb@C和/或Mn@C。后段的碳基负载金属为Fe@C和/或Al@C。粒子电极均为长1～8mm的柱状颗粒。
上述的粒子电极均采用浸渍法制备，即将活性炭颗粒超声冲洗、烘干后作为制备粒子电极的基体。
碳基负载金属：采用过量浸渍法，将预处理后的活性炭颗粒浸渍到0.1mol/L的Mn(NO3)2的水溶液和Fe、Al、Sb的氯化盐水溶液中4h。置于烘箱内于100℃烘干，再置于马弗炉内于400℃煅烧6h，得到对应的粒子电极。
MnO2@C：采用过量浸渍法，将预处理后的活性炭颗粒浸渍到0.2mol/L的KMnO4(用NH3·H2O调节pH)溶液，滴加0.3mol/L MnSO4溶液，浸渍4h，置于烘箱内于105℃烘干2h，再置于马弗炉内于500℃煅烧5h，得到对应的粒子电极。
SnO2@C:采用过量浸渍法，将预处理后的活性炭颗粒浸渍到2g/L的SnCl4的乙二醇和水溶液中，再加入NaOH溶液搅拌分散，置于烘箱内于105℃烘干2h，再置于马弗炉内于500℃煅烧5h，得到对应的粒子电极。
实施例1
本实施例对甲基橙(MO)废水进行处理，废水的总浓度为500ppm；处理方法具体步骤如下：
(1)调节废水的电导率为4000μs/cm，并调节废水初始pH值至3；
(2)以平板铁电极作为阳极，多孔不锈钢电极作为阴极，极板间距3cm，电解通道前段的粒子电极为碳基负载金属氧化物(MnO2@C)和碳基负载金属(Mn@C)的混合物；电解通道后段的粒子电极为碳基负载金属(Fe@C)和铁屑的组合；
(3)电解槽所接电源为直流电源，电解反应的电压为6V，电流密度为2mA/cm2，启动前段电解通道的曝气装置，使阴极曝气速率为1L/min，废水依次流经电解槽的前段电解通道和后段电解通道分别共反应10min、20min、30min、40min、50min、60min，并流经到后段电解通道时，调节废水的pH值为5～6；
(4)反应结束后将处理后的废水静置15min，离心处理10min。
将上述处理后的废水进行性能检测，获得的结果如下表1所示。
表1实施例1的参数及处理后的废水性能指标
参数(反应时间) t＝10min t＝20min t＝30min t＝40min t＝50min t＝60min
脱色率/％ 89.37 91.55 94.55 94.72 95.05 92.48
COD去除率/％ 78.64 82.71 85.79 85.71 86.98 82.26
对比例1
本对比例与实施例1基本相同，不同之处在于不在连续电解通道中填充催化粒子电极颗粒；具体处理步骤如下：
(1)调节废水的电导率为4000μs/cm，并调节废水初始pH值为3；
(2)以铁电极作为阳极，多孔不锈钢电极作为阴极，极板间距3cm，阴极曝气速率为1L/min；
(3)电解槽所接电源为直流电源，电解反应的电压为6V，电流密度为2mA/cm2，废水依次流经电解槽的前段电解通道和后段电解通道分别共反应10min、20min、30min、40min、50min、60min，并流经到后段电解通道时，调节废水的pH值为5～6；
(4)反应结束后将处理后的废水静置15min，离心处理10min。
将上述处理后的废水进行性能检测，获得的结果如下表2所示。
表2对比例1的参数及处理后的废水性能指标
参数(反应时间) t＝10min t＝20min t＝30min t＝40min t＝50min t＝60min
脱色率/％ 77.92 80.37 85.43 86.94 87.61 81.40
COD去除率/％ 70.09 70.88 73.68 75.31 75.75 81.56
结合表1和表2可知，采用本发明的分段分别原位产生强氧化性自由基和吸附絮体的处理方法对高浓度的甲基橙废水进行处理，使用直流电源时，甲基橙的脱色率和COD去除率相较于不填充粒子电极时均得到了显著提高，且停留时间为30～50min时处理效果最佳。
实施例2
本实施例对孔雀石绿(MG)废水进行处理，废水的总浓度为50ppm；处理方法具体步骤如下：
(1)调节废水的电导率为500μs/cm，并调节废水初始pH值分别为2、3、4；
(2)以铝电极作为阳极，多孔石墨电极作为阴极，极板间距10cm，电解通道前段的粒子电极为碳基负载金属氧化物(SnO2@C)和碳基负载金属(Sb@C)的组合；电解通道后段的粒子电极为碳基负载金属(Al@C)和铁颗粒的组合；
(3)电解槽所接电源为间歇脉冲电源，控制电流输出密度为4mA/cm2，占空比为0.4，频率为1kHz，通电周期为0.5ms，断电周期为0.4ms；启动前段电解通道的曝气装置，使阴极曝气速率为4L/min，废水依次流经电解槽的前段电解通道和后段电解通道反应30min，并流经到后段电解通道时，调节废水的pH值为6～7；
(4)反应结束后将处理后的废水静置20min，离心处理5min。
将上述处理后的废水进行性能检测，获得的结果如下表3所示。
表3实施例2的参数及处理后的废水性能指标
Figure BDA0002265399300000051
Figure BDA0002265399300000061
对比例2
本对比例与实施例2基本相同，不同之处在于不在连续电解通道中填充催化粒子电极颗粒；处理方法具体步骤如下：
(1)调节废水的电导率为500μs/cm，并调节废水初始pH值为2、3、4；
(2)以铝电极作为阳极，多孔石墨电极作为阴极，极板间距10cm；
(3)电解槽所接电源为间歇脉冲电源，控制电流输出密度为4mA/cm2，占空比为0.4，频率为1kHz，通电周期为0.5ms，断电周期为0.4ms；启动前段电解通道的曝气装置，使阴极曝气速率为4L/min，废水依次流经电解槽的前段电解通道和后段电解通道反应30min，并流经到后段电解通道时，调节废水的pH值为6～7；
(4)反应结束后将处理后的废水静沉20min，离心处理5min。
将上述处理后的废水进行性能检测，获得的结果如下表4所示。
表4对比例2的参数及处理后的废水性能指标
参数(初始pH) 2 3 4
脱色率/％ 84.47 88.65 85.13
COD去除率/％ 76.64 80.32 78.25
结合表3和表4可知，采用本发明的分段分别原位产生强氧化性自由基和吸附絮体的处理方法对孔雀石绿废水进行处理，使用间歇脉冲电源时，孔雀石绿脱色率和COD去除率相较于不填充粒子电极时均得到了有效提高，且初始pH为3时处理效果最佳。
实施例3
本实施例对活性蓝19(RB19)废水进行处理，废水的总浓度为100ppm；处理方法具体步骤如下：
(1)调节废水的电导率为8000μs/cm，并调节废水初始pH值为3；
(2)以铁电极作为阳极，多孔钛电极作为阴极，极板间距30cm，电解通道前段的粒子电极为碳基负载金属氧化物(SnO2@C、MnO2@C)和碳基负载金属(Sb@C、Mn@C)的组合；电解通道后段的粒子电极为碳基负载金属(Fe@C)、铁颗粒和铁屑的组合；
(3)电解槽所接电源为直流电源，电解反应的电压为25V，电流密度为6mA/cm2，启动前段电解通道的曝气装置，使阴极曝气速率为10L/min，废水依次流经电解槽的前段电解通道和后段电解通道反应40min，并流经到后段电解通道时，调节废水的pH值为5～7；
(4)反应结束后将处理后的废水静置25min，离心处理6min。
将上述处理后的废水进行性能检测，获得的结果如下表5所示。
表5实施例3的参数及处理后的废水性能指标
性能 脱色率/％ COD去除率/％
参数 91.34 85.23
实施例4
本对比例与实施例3基本相同，不同之处在于所接电源由直流电源改为间歇脉冲电源。
本对比例对活性蓝19(RB19)废水进行处理，废水的总浓度为100ppm；处理方法具体步骤如下：
(1)调节废水的电导率为8000μs/cm，并调节废水初始pH值为3；
(2)以铁电极作为阳极，多孔钛电极作为阴极，极板间距30cm，电解通道前段的粒子电极为碳基负载金属氧化物(SnO2@C、MnO2@C)和碳基负载金属(Sb@C、Mn@C)的组合；电解通道后段的粒子电极为碳基负载金属(Fe@C)、铁颗粒和铁屑的组合；
(3)电解槽所接电源为间歇脉冲电源，控制电流输出密度为6mA/cm2，占空比为0.5，频率为1kHz，通电周期为0.9ms，断电周期为0.8ms；启动前段电解通道的曝气装置，使阴极曝气速率为10L/min，废水依次流经电解槽的前段电解通道和后段电解通道反应40min，并流经到后段电解通道时，调节废水的pH值为5～7；
(4)反应结束后将处理后的废水静置25min，离心处理6min。
将上述处理后的废水进行性能检测，获得的结果如下表6所示。
表6实施例4的参数及处理后的废水性能指标
性能 脱色率/％ COD去除率/％
参数 92.06 85.85
实施例5
本对比例与实施例3基本相同，不同之处在于前后段所填充的粒子电极均为单一颗粒。
本对比例对活性蓝19(RB19)废水进行处理，废水的总浓度为100ppm；处理方法具体步骤如下：
(1)调节废水的电导率为8000μs/cm，并调节废水初始pH值为3；
(2)以铁电极作为阳极，多孔钛电极作为阴极，极板间距30cm，前段的粒子电极为碳基负载金属氧化物(SnO2@C)；后段的粒子电极为碳基负载金属(Fe@C)；
(3)电解槽所接电源为直流电源，电解反应的电压为25V，电流密度为6mA/cm2，启动前段电解通道的曝气装置，使阴极曝气速率为7L/min，废水依次流经电解槽的前段电解通道和后段电解通道反应40min，并流经到后段电解通道时，调节废水的pH值为5～7；
(4)反应结束后将处理后的废水静置25min，离心处理6min。
将上述处理后的废水进行性能检测，获得的结果如下表7所示。
表7实施例5的参数及处理后的废水性能指标
性能 脱色率/％ COD去除率/％
参数 90.45 84.73
结合表5、表6与表7可知，在其他条件相同的情况下，连接直流电源和间歇脉冲电源对于活性蓝19废水的脱色率和COD去除率趋近一致；填充混合粒子电极与填充单一粒子电极对于活性蓝19废水的脱色率和COD去除率也趋近一致。因此，连接任意一种电源、填充单一或混合粒子电极的分段分别原位产生强氧化性自由基和吸附絮体的处理方法都能提高染料废水的脱色率和COD去除率。
实施例6
本实施例对罗丹明B(RhB)废水进行处理，废水的总浓度为100ppm；处理方法具体步骤如下：
(1)调节废水的电导率为2000μs/cm，并调节废水初始pH值为3；
(2)以铝电极作为阳极，多孔不锈钢电极作为阴极，极板间距20cm，电解通道前段的粒子电极为碳基负载金属氧化物(SnO2@C)和碳基负载金属(Sb@C)的混合物；电解通道后段的粒子电极为碳基负载金属(Al@C)；
(3)电解槽所接电源为直流电源，电解反应的电压为20V，电流密度为5mA/cm2，启动前段电解通道的曝气装置，使阴极曝气速率为6L/min，废水依次流经电解槽的前段电解通道和后段电解通道反应50min，并流经到后段电解通道时，调节废水的pH值为5～7；
(4)反应结束后将处理后的废水静置15min，离心处理8min。
将上述处理后的废水进行性能检测，获得的结果如下表8所示。
表8实施例6的参数及处理后的废水性能指标
性能 脱色率/％ COD去除率/％
参数 95.67 89.36
对比例3
本对比例与实施例6基本相同，不同之处在于电解通道前段不填充粒子电极改为加装平板催化电极；处理方法具体步骤如下：
(1)调节废水的电导率为2000μs/cm，并调节废水初始pH值为3；
(2)电解通道段阳极为Ti/SnO2-Bi，电解通道后段阳极为铝电极，阴极为多孔不锈钢电极，极板间距20cm；电解通道后段的粒子电极为碳基负载金属(Al@C)；
(3)电解槽所接电源为直流电源，电解反应的电压为20V，电流密度为5mA/cm2，启动前段电解通道的曝气装置，使阴极曝气速率为6L/min，废水依次流经电解槽的前段电解通道和后段电解通道反应50min，并流经到后段电解通道时，调节废水的pH值为5～7；
(4)反应结束后将处理后的废水静置15min，离心处理8min。
将上述处理后的废水进行性能检测，获得的结果如下表9所示。
表9对比例3的参数及处理后的废水性能指标
性能 脱色率/％ COD去除率/％
参数 93.52 86.29
结合表8与表9可知，在其他条件相同的情况下，填充催化粒子电极颗粒或加装平板催化电极对于罗丹明B废水的脱色率趋近一致，所以任意一种方式分段分别原位产生强氧化性自由基和吸附絮体的处理方法都能提高染料废水的脱色率和COD去除率。

Claims (3)

1.一种分段式的电化学水处理装置，其特征在于：包括由阴极和阳极构成的电解槽，阴极和阳极间形成电解通道，该电解通道分为前段和后段，其中，前段的电解通道内填充碳基负载金属氧化物和/或其相应的碳基负载金属，后段的电解通道内填充碳基负载金属和/或铁颗粒，前段的电解通道内还设有曝气装置；所述阳极材料为铝或平板铁电极，阴极材料为多孔不锈钢、石墨或钛电极；所述前段的电解通道长度占电解通道总长的30～50％；所述前段碳基负载金属氧化物为SnO2@C和/或MnO2@C；所述前段的碳基负载金属为Sb@C和/或Mn@C；所述后段的碳基负载金属为Fe@C和/或Al@C。
2.采用权利要求1的电化学水处理装置进行处理的方法，其特征在于，包括如下步骤：调节废水的电导率和pH值，启动曝气装置和电解槽，依次流经电解槽的前段电解通道和后段电解通道反应10～60min，其中曝气装置的曝气速率为1～10L/min，流经后段电解通道后调节废水的pH值为5～7，然后静置、离心即可。
3.根据权利要求2所述的处理方法，其特征在于：所述反应30～50min。
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