CN100586871C - 复合三维电场催化湿式氧化反应装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于水和废水处理与净化技术领域，具体涉及一种复合三维电场催化湿式氧化反应装置。由反应器、柱塞计量泵、预热器、热电偶、冷凝器，气液分离器、数模转换器、PC机组成，反应器内设有电解阳极，反应器管壁为阴极，反应器内设置有玻璃珠层、惰性沙砾层、催化剂层；管壁外设有铜套管；进水池连接预热器，氧气瓶连接预热器，液体和气体在预热器中混合、预热后经气液混合进口进入反应器；反应器出水口通过管道连接冷凝器，冷凝器连接气液分离器；铜套管外设有加热部件，加热部件通过热电偶连接预热器，热电偶连接数模转换器，数模转换器连接PC机。本发明可以有效用于连续式复合三维电场催化湿式氧化高浓度有机废水的实验研究，由于反应装置的加热速率快、温度控制精确、采样时系统压力和槽电压，因此还可以作为实际高浓度、难降解有机废水的预处理反应器。

Description

复合三维电场催化湿式氧化反应装置

技术领域

本发明属于水和废水处理与净化技术领域，具体涉及一种复合三维电场催化湿式氧化反应装置。

背景技术

针对目前废水处理中常见的高浓度、难降解有毒有害有机废水，催化湿式氧化工艺和电催化氧化工艺已被证明是处理该类废水的最具代表性的高级氧化技术，并且都具有良好的效果和应用前景。尤其是催化湿式氧化工艺，然而其实际应用的关键技术在于进一步降低反应的温度和压力。通过分析发现，这两种处理技术存在一定的共同点。首先反应器方面，催化湿式氧化和电催化氧化都有固定床反应器这一操作形式，故可在固定床的催化湿式氧反应器中心位置设置一个电极为阳极，不锈钢反应管外壁即可作为阴极并在反应过程中受到保护。其次催化剂方面，类似颗粒活性碳、负载型氧化物等既可用作催化湿式氧化反应中的催化剂，又可以作为三维电场的床电极。这两个共同点的存在说明该协同作用在技术上是可行的。另外，这两种处理技术都存在着缺点和不足之处，如若将两种氧化技术联合起来，利用电场作用对催化湿式氧化工艺的协同增效，结果会相当令人鼓舞。到目前为止，有关两者单独应用的研究较多，未见有关协同工艺连续流处理废水的报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种复合三维电场催化湿式氧化反应装置。

本发明提出的复合三维电场催化湿式氧化反应装置，由反应器1、柱塞计量泵4、预热器9、热电偶11、冷凝器13，气液分离器14、数模转换器23、PC机24组成，其中，

所述反应器1呈圆柱状结构，其内部同心放置有电解阳极2，反应器1的管壁15作为保护阴极，在反应器1内从上至下依次设置有玻璃珠层18、惰性沙砾层19、催化剂层20、惰性沙砾层19和玻璃珠层18；反应器1上方的两侧设有出水口21，反应器1底部设有气液混合进口16，反应器1的管壁15外设有铜套管10；

进水池3通过阀门22、柱塞计量泵4连接预热器9，氧气瓶5依次通过调压阀6、压力表7连接质量流量计8，质量流量计8连接预热器9，液体和气体在预热器9中混合、预热后经气液混合进口16进入反应器1；

反应器1的出水口21通过管道连接冷凝器13，冷凝器13通过阀门22连接气液分离器14；

铜套管10外设有加热部件，加热部件通过热电偶11一端连接反应器1外壁及内部所需加热部位，预热器9外设有加热部件，加热部件通过热电偶11一端连接预热器9的加热部位，热电偶11另一端连接数模转换器23，数模转换器23连接PC机24。

本发明中，气液分离器14上设有背压阀，背压阀与压力表7相连。

本发明中，电解阳极2连接直流稳压电源12的正极，反应器1的外壁连接直流稳压电源12的负极，巧妙地实现了在湿式氧化反应中叠加新的物理场。

本发明中，所述气液混合进口16、反应器1上方两侧的出水口21和冷凝器13的管道相连处分别连接压力表7。

本发明中，所述加热部件可以采用炉瓦17，通过炉瓦17经铜套管10对反应器1进行均匀加热，通过炉瓦17对预热器9进行均匀加热。

本发明中，所述热电偶11为3-6个。

本发明中，电解阳极2采用钛基电极。

本发明中，所述催化剂层的催化剂采用三维粒子电极催化剂，该催化剂即充当三维电场的床电极，又充当催化湿式氧化的催化剂。

所述的反应器集合了电催化氧化和催化湿式氧化的双重功能，所述的加热部件在控制系统的作用下温控精确度达±1℃；在反应器内部催化剂层的上、下方分别布置有分布层和过滤层；该反应装置的出水部分有冷凝器和气液分离器组成。

本发明中所述的反应器内部，催化剂床层的进水端设置了有无孔玻璃珠和惰性石英砂组成的均匀布水、气层，出水端设置了惰性石英砂和无孔玻璃珠组成的过滤层。

本发明提出的复合三维电场催化湿式氧化高难度难降解有机废水处理工艺，其原理在于：

(1)三维电催化氧化机理。在传统二维电解槽两电极间填充粒状材料，构成三维立体电极。填充的粒子在高梯度的电场作用下，感应而成为复极性粒子，每个粒子相当于一个微电解池，有效增大了电极的表面积，促进反应物的迁移，加快反应的速率，从而提高电流效率，并且降低了对阳极的苛刻要求，利用有催化活性的阳极电极反应，产生HO·一类的强氧化型基团，从而氧化降解有机物。

(2)催化湿式氧化机理。催化湿式氧化工艺通过在湿式氧化工艺中加入催化剂，降低了反应的活化能，从而缓和了反应的苛刻条件，产生大量的HO·将液相中的有机物氧化成无机物或小分子有机物。

(3)结合电催化氧化技术的特点，通过“叠加”新的物理场(复合三维电场)效应，刺激OH·的产生，同时又能促进吸附在催化剂活性位上的有机物分子发生进一步活化，即复合三维电场效应与催化湿式氧化作用巧妙结合了传统三维电极电催化氧化和催化湿式氧化技术的优势，避免了各自的局限性，通过耦合作用产生出为单一催化湿式氧化技术或电催化氧化技术无法达到的功效，从而使废水中的有机物在较低的温度和压力下氧化降解成低毒或无毒的小分子物质，甚至直接降解成CO₂和H₂O，接近完全矿化。

将本发明装置用于复合三维电场催化湿式氧化高难度难降解有机废水处理工艺，步骤如下：

(1)进水：原水经初步沉淀过滤后进入进水池3，由柱塞计量泵4增压，和由氧气瓶5经调压阀6调压的气体一起先进入预热器9预热后进入反应器1，调整气液分离器14上方的背压阀至体系压力稳定在设定值，反应器1加热达到设定温度，气液分离器14出口的出流稳定；

(2)反应：达到设定后的系统即可达到稳定的处理效果，进入反应器的污水和气体经过无孔玻璃珠层18和惰性沙砾层19的均匀布置，在催化剂层20同时进行催化湿式氧化和电催化氧化，使难降解的大分子物质逐步矿化成为小分子物质，甚至矿化成为二氧化碳和水；

(3)出水：反应后的出水经过反应器1中由惰性沙砾层19和玻璃珠层18组成的过滤层后排出，先通过冷凝器13降温，后在气液分离器14中分离，气体经过上部的背压阀排放，液体经过底部的阀门排出。

本发明的有益效果：

本发明可以有效用于连续式复合三维电场催化湿式氧化高浓度有机废水的实验研究，由于反应装置的加热速率快、温度控制精确、采样时系统压力和槽电压，因此还可以作为实际高浓度、难降解有机废水的预处理反应器。另外，气液并流向上的固定床反应器较好地解决了反应过程中副反应产物H₂在反应器内积累的问题，使得反应过程中在阴极表面因发生副反应析出的H₂随反应体系一起流出并流向气液分离器，确保了整个系统的压力稳定，运行安全可靠。并且这种布置方式可以对苯酚等有机污染物进行有效地电助催化湿式氧化处理，是一种新型高效的废水处理反应器。本发明提出了将三维电场效应与催化湿式氧化作用相结合的全新构思，通过结合电化学、催化作用机制、湿式氧化反应动力学、传递过程和化学反应工程等方面的学科知识，进一步深化了催化湿式氧化技术处理高浓度难降解废水的研究理论。三维电场对催化湿式氧化反应的促进作用，使催化湿式氧化反应得以在低温低压下进行并保持较高的有机物去除效果，提高了催化剂的稳定性和使用寿命，为低温低压催化湿式氧化的发展开辟了一条崭新的途径，进一步推进了催化湿式氧化技术的工业化应用进程。

附图说明

图1为本发明结构图示。

图2为反应器1的结构图示。

图中标号：1为反应器，2为位于反应器内的电解阳极，3为进水池，4为柱塞计量泵，5为氧气瓶，6为调压阀，7为压力表，8为质量流量计，9为预热器，10为铜套管，11为热电偶，12为直流稳压电源，13为冷凝器，14为气液分离器，15为不锈钢反应器管壁，16为气液混合进口，17为炉瓦，18为玻璃珠层，19为惰性沙砾层，20为催化剂层，21为反应器出水口，22为阀门，23为数模转换器，24为PC机。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式详细加以说明，以进一步理解本发明。

实施例1：本发明所提供的复合三维电场催化湿式氧化反应装置，由反应器1、放置于反应器内的电解阳极2和催化剂、进水池3、柱塞计量泵4、氧气瓶5、预热器9、连接管道和阀门、安装有背压阀的气液分离器14、直流稳压电源12、数模转换器23和PC机24组成(见图1)。所述的反应器1为固定床反应器，其内部同心放置的钛基电极作为电解阳极2，不锈钢管壁15为保护阴极，在反应器1内填置催化剂。经过初次过滤后的水由进水池3，经过柱塞计量泵4排出，与来自于氧气瓶5经过调压阀6和质量流量计8后的氧气，先经预热器9充分混合并预热，预热后的气液混合体从反应器1底部的气液混合进口16进入反应器1，反应器1经过内置电热丝的炉瓦17加热至设定温度，反应器1外置铜套管10以利于炉瓦和不锈钢反应器之间的热量传递。反应后的液体经过反应器1上部的双侧出水口21排出，经冷凝管13降低温度后进入气液分离器14，气体产物从气液分离器14上部排空，液相产物经出水管排出供分析。位于氧气瓶5处调压阀6出口、反应器1的气液混合进口16、反应器出水口21、气液分离器14的出口均设有压力表7，并通过质量流量计8控制经过调压阀6调节压力后氧气瓶5的气体流量和经过气液分离器14后的气体流量，气液分离器14上的背压阀同时也起到稳定系统压力的作用。反应的预热器9、反应器1的外壁中央部位以及反应器1外的炉瓦14中央均设置有热电偶11，它们与数模转换器23相连，最终通过PC机24终端控制反应器装置的温度。

图2为主体反应器管催化剂填置详图，其中2为电解阳极，15为不锈钢反应器管壁，作为阴极起电解保护作用，10为反应器外壁的铜套管，16为气液混合进口。反应器1内部自进水端至出水端依次填置玻璃珠层18、惰性沙砾层19、催化剂层20、惰性沙砾层19和玻璃珠层18。下部的玻璃珠层和惰性沙砾层起到均匀布水、气的作用，上部的惰性沙砾层19和玻璃珠层18起过滤催化剂溶出物杂质，以防阻塞出水的作用。21为反应器出水口。

将上述复合三维电场催化湿式氧化反应装置用于处理高浓度有机废水，考察了温度为130℃，氧分压为1Mpa，氧气流量为250mL/min，反应空时为27min，电解质(Na₂SO₄)浓度为0.025mol/L，不同苯酚浓度和电流强度条件下对苯酚的降解性能，并与催化湿式氧化工艺作对比，如表1所示。

表1不同反应工艺条件下苯酚的降解性能

由表1中数据可以看出：复合三维电场催化湿式氧化工艺对苯酚降解具有相当好的效果，在较短的停留时间(27min)和较温和的反应条件下(T＝130℃，P_O2＝1.0Mpa，I＝0.5A)，可使浓度高达2500mg/l苯酚溶液的TOC去除率达到88.4％，苯酚去除率达94.0％，远远高于同等条件下的催化湿式氧化降解的处理效率。

Claims (7)

1、一种复合三维电场催化湿式氧化反应装置，由反应器(1)、柱塞计量泵(4)、预热器(9)、热电偶、冷凝器(13)、气液分离器(14)、数模转换器(23)、PC机(24)组成，其特征在于：

所述反应器(1)呈圆柱状结构，其内部同心放置有电解阳极(2)，反应器(1)的管壁(15)作为保护阴极，在反应器(1)内从上至下依次设置有第一玻璃珠层、第一惰性沙砾层、催化剂层(20)、第二惰性沙砾层和第二玻璃珠层；反应器(1)上方的两侧设有出水口(21)，反应器(1)底部设有气液混合进口(16)，反应器(1)的管壁(15)外设有铜套管(10)；

进水池(3)通过第一阀门、柱塞计量泵(4)连接预热器(9)，氧气瓶(5)依次通过调压阀(6)、第一压力表连接质量流量计(8)，质量流量计(8)连接预热器(9)，液体和气体在预热器(9)中混合、预热后经气液混合进口(16)进入反应器(1)；

反应器(1)的出水口(21)通过管道连接冷凝器(13)，冷凝器(13)通过第二阀门连接气液分离器(14)；

铜套管(10)外设有第一加热部件，第一加热部件通过第一热电偶一端连接反应器(1)外壁及内部所需加热部位，预热器(9)外设有第二加热部件，第二加热部件通过第二热电偶一端连接预热器(9)的加热部位，第二热电偶另一端连接数模转换器(23)，数模转换器(23)连接PC机(24)。

2、根据权利要求1所述的复合三维电场催化湿式氧化反应装置，其特征在于气液分离器(14)上设有背压阀，背压阀与第二压力表相连。

3、根据权利要求1所述的复合三维电场催化湿式氧化反应装置，其特征在于电解阳极(2)连接直流稳压电源(12)的正极，反应器(1)的外壁连接直流稳压电源(12)的负极。

4、根据权利要求1所述的复合三维电场催化湿式氧化反应装置，其特征在于所述气液混合进口(16)、反应器(1)上方两侧的出水口(21)和冷凝器(13)的管道相连处分别连接第三压力表和第四压力表。

5、根据权利要求1所述的复合三维电场催化湿式氧化反应装置，其特征在于所述第一加热部件和第二加热部件均采用炉瓦(17)。

6、根据权利要求1所述的复合三维电场催化湿式氧化反应装置，其特征在于电解阳极(2)采用钛基电极。

7、根据权利要求1所述的复合三维电场催化湿式氧化反应装置，其特征在于所述催化剂层(20)的催化剂采用三维粒子电极催化剂。

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