CN101367571B

CN101367571B - 电混凝反应器与废水处理方法

Info

Publication number: CN101367571B
Application number: CN2007101427339A
Authority: CN
Inventors: 金光祖; 黄盟舜; 陈文藏; 林东源
Original assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Current assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Priority date: 2007-08-17
Filing date: 2007-08-17
Publication date: 2011-01-19
Anticipated expiration: 2027-08-17
Also published as: CN101367571A

Abstract

本发明提供一种电混凝反应器，其阳极与阴极分别连接至多个导电极上，导电极之间夹设铝感应电极与铁感应电极。铝感应电极与铁感应电极系集中设置或交错设置，可在短时间内有效处理废水，并避免电极钝化的问题。

Description

电混凝反应器与废水处理方法

【技术领域】

本发明涉及一种电混凝反应器(electro-coagulation water treatmentreactor)，更具体地，本发明涉及该电混凝反应器的感应电极。

【背景技术】

半导体产业会产生大量的废水，特别是化学机械研磨制程(chemicalmechanical polishing，CMP)。CMP产生的废水中含有大量纳米级颗粒及助剂，甚至包括含碳的有机成份。为避免环境污染及回收废水再使用，目前的废水处理制程主要包括化学混凝、薄膜过滤、及电混凝等技术，再配合离子交换树脂或光催化剂氧化处理增加效果。化学混凝行之已久，是最常见的废水处理方法。化学混凝的原理为利用化学试剂改变悬浮粒子的表面电位并破坏其稳定性，接着通过混凝形成絮状胶羽聚集(aggregation)水中颗粒后，经由沉淀去除。然而该方法的加药量不易控制，混凝槽的体积大，且处理后的水质较差，已慢慢被其它废水处理制程取代。薄膜过滤是使用微过滤膜、超过滤膜、或陶瓷过滤膜进行处理。但薄膜过滤的问题在于容易产生膜阻塞、单位时间处理废水量过少(约99升/小时*薄膜面积m²)、无法去除溶解态的硅氧化物与总有机碳(total organic carbon，TOC)、而且价格非常昂贵(1-4万新台币/每平方米薄膜)。电混凝的原理为利用电极释放出的金属离子形成氢氧化金属的胶羽，胶羽会聚集废水中的颗粒。但目前已知的电混凝技术的处理时间长达数小时，纳米颗粒去除效果较薄膜过滤法差，且无法同时去除溶解态的硅氧化物与总有机碳(total organic carbon，TOC)。

在美国专利第3969245号中，公开了一种电混凝装置。将废水经过棒状电极后，电极上会产生气泡且形成絮状物，再添加凝聚剂产生尺寸更大的絮状物，沉降后得到澄清液。

在美国专利第5271814号中，利用薄膜及电混凝法移除液体中污染物，将瘦长的电极安置在绝缘的电混凝桶槽中，调整温度、压力及流量进行电混凝。

在美国专利第5587057号中，在导电性槽体中置入导电棒状电极并通入直流电流，进行电混凝处理。

在美国专利第6139710号中，将板状电极垂直放置在电混凝反应槽体，使用泵进行压力控制，通过电压电流控制电混凝反应，将反应中产生的气体释放，处理后产生污泥。

在美国专利第6582592号中，公开一种处理工业废水的溶解金属，废水在平行的电极板间流动，电极产生离子化，使用过滤器分离产生的污泥与澄清水，并监控温度、压力、及酸碱值。

在美国专利第6613217号中，由纵向细长的电极组成反应器并进行电混凝，移除产物产生的泡沫与气体，在反应器下方可调整电极间的微小间距。

在美国专利第6719894号中，利用电混凝技术处理有机及金属污染液体，混凝后使用加压法去除废弃液体，减压后产生澄清液体。

在美国专利第6797179号中，利用电混凝技术处理含金属的工业废水，将电极板通入直流电源，使其具有带电性质，再将废水流经电极板进行电混凝反应，同时控制温度及酸碱值条件。

上述的电混凝处理装置仍不能有效解决半导体制程产生的废水，特别是化学机械研磨废水。因此目前亟需新的电混凝装置，以及对应的废水处理方法。

【发明内容】

本发明提供一种电混凝反应器，包括阳极与阴极；分别连接至阳极与阴极的多个导电极；位于所述导电极之间的多个铝感应电极；以及位于所述导电极之间的多个铁感应电极。

本发明亦提供一种废水处理方法，包括将废水导入上述的电混凝反应器中；导入直流电源，使导电极之间的铝感应电极与铁感应电极产生感应电流，产生铁离子与铝离子后形成胶羽，胶羽与废水的悬浮微粒聚集；去除胶羽与废水的悬浮微粒聚集。

本发明包括：

1.一种电混凝反应器，包括：

阳极与阴极；

多个导电极，分别连接至该阳极与该阴极；

多个铝感应电极，位于所述导电极之间；以及

多个铁感应电极，位于所述导电极之间。

2.如项1所述的电混凝反应器，其中所述导电极包括铁电极或铝电极。

3.如项1所述的电混凝反应器，其中所述铝感应电极与所述铁感应电极系交错设置。

4.如项1所述的电混凝反应器，其中所述铝感应电极与所述铁感应电极系区段设置。

5.如项1所述的电混凝反应器，其中所述导电极的数目为2-6。

6.如项1所述的电混凝反应器，其中所述导电极、所述铝感应电极、及所述铁感应电极的形状包括板状、柱状或管状。

7.如项1所述的电混凝反应器，其中所述铁感应电极的材质包括铁、钢、或不锈钢。

8.一种废水处理方法，包括：

将废水导入项1所述的电混凝反应器；

导入直流电流，使所述导电极之间的铝感应电极与铁感应电极产生感应电流，产生铁离子与铝离子后形成胶羽，该胶羽与该废水的悬浮微粒聚集；

去除该胶羽与该废水的悬浮微粒聚集。

9.如项8所述的废水处理方法，进一步包括在去除该胶羽与该废水的悬浮微粒聚集前，调整该废水的酸碱值至pH 5至pH 7之间。

10.如项8所述的废水处理方法，其中该废水的来源包括化学机械研磨制程。

11.如项8所述的废水处理方法，其中进一步包括在将废水导入该电混凝反应器之前，加入氧化剂。

12.如项11所述的废水处理方法，其中该氧化剂包括氧气、臭氧、过氧化氢、氟气、氯气、或上述的组合。

13.如项8所述的废水处理方法，其中该直流电流介于10-25安培之间。

14.如项8所述的废水处理方法，经间隔时间后即反转该直流电流的极性，使阴极与阳极的电性反转，其中该间隔时间介于1-5分钟之间。

15.如项8所述的废水处理方法，其中该电混凝反应器的所述铝感应电极与所述铁感应电极系交错设置。

16.如项8所述的废水处理方法，其中该电混凝反应器的所述铝感应电极板与所述铁感应电极系区段设置。

17.如项8所述的废水处理方法，其中去除该胶羽与该废水的悬浮微粒聚集的步骤包括沉淀、过滤、浮除、溢流或上述的组合。

【附图说明】

图1为本发明优选实施例的电混凝反应器的示意图，其中铝感应电极与铁感应电极系区段设置；

图2为本发明实施例2的电混凝反应器的示意图，其中感应电极与铁感应电极交错设置；

图3为本发明比较例的电混凝反应器的示意图，其中只有铁感应电极。

【附图标记说明】

1～电混凝反应器；

10～电源供应器；

10A～阳极；

10B～阴极；

11A、11B～导电极；

13A～铝感应电极；

13B～铁感应电极。

【具体实施方式】

在图1中，为本发明优选实施例的电混凝反应器1的示意图。电源供应器10分为阳极10A与阴极10B。阳极10A连接至导电极11A，阴极连接至导电极11B。导电极11A与11B的材质可为铝、铁、钢、或不锈钢等材质。在导电极11A与11B之间，夹设多个铝感应电极13A与铁感应电极13B，上述的两种感应电极与导电极之间的距离以0.1cm至1cm为佳。铁感应电极13B的材质包括铁、钢、或不锈钢。在图1中，电混凝反应器以6片导电极将槽体分为5个区块，每一区块中具有16片感应电极，中间的区块全为铝感应电极13A，而其它区块为铁感应电极13B。但可以理解的是，区块的数目、铝感应电极13A与铁感应电极13B的数目、感应电极的设置方式可视情况进行调整。举例来说，不只一个区块可为铝感应电极13A。在其它实施例中，铝感应电极与铁感应电极可交错设置(如图2)，而非如图1所示的同种感应电极设置于同一区块。在其它实施例中，导电极11A、11B、铝感应电极13A、及铁感应电极13B的形状除了板状外，还可为其它形状如柱状或管状。

将废水导入电混凝反应器1后，电源供应器提供直流电至导电极11A与11B。利用感应方式可使导电极11A与11B之间的铝感应电极13A与铁感应电极13B产生电场，使电极氧化形成铁离子与铝离子，进而与水产生氢氧化铁与氢氧化铝的胶羽。胶羽将与废水中的悬浮颗粒聚集成较大尺寸的颗粒，比较容易以沉降或过滤等程序去除。

电混凝器中，阳极的反应如下：

Fe_(s)→Fe²⁺ _(aq)+2e^-(式1)

Fe²⁺ _(aq)→Fe³⁺ _(aq)+e^-(式2)

4Fe²⁺ _(aq)+10H₂O_(l)+O_2(g)→4Fe(OH)_3(s)+8H⁺(式3)

Al_(s)→Al³⁺ _(aq)+3e^-(式4)

Al³⁺ _(aq)+3H₂O_(l)→Al(OH)_3(s)+3H⁺(式5)

阴极的反应式如下：

2H⁺ _(aq)+2e^-→H_2(g)(式6)

除了直接将废水通入本发明的电混凝反应器处理外，亦可在开始电混凝前先加入氧化剂以氧化废水中的有机物质。氧化剂可为氧气、臭氧、过氧化氢、氟气、氯气或上述的组合，在优选实施例中以过氧化氢为佳。加入氧化剂可有效解决TOC的问题，并增加Fe²⁺的氧化效率。整个氧化反应的反应式如下：

Fe²⁺ _(aq)+H₂O₂→Fe³⁺ _(aq)+OH^-+·OH(式7)

·OH+有机碳→降解后产物+CO₂+H₂O_(l)(式8)

由于导电极11A、11B、铝感应电极13A、与铁感应电极13B会随着电化学反应慢慢钝化消耗，因此在隔一段时间后必需进行再生处理，甚至直接换新的电极。为了平均电极损耗，本发明的电源供应器的直流电源经间隔时间后即反转极性，使阴极与阳极的电性反转。优选的间隔时间介于约为1-5分钟，而直流电的电流约介于10-25安培之间。

上述处理后的废水可先调整酸碱值，优选的酸碱值介于5至7，接着以沉淀、过滤、浮除、溢流或上述的组合步骤去除废水的胶羽与悬浮微粒的聚集，比如导入沉淀池进行胶羽沉降后，接着将沉降后的废水导入溢流槽，取上层水样检测。结果证明，本发明的电混凝反应器可大幅降低浊度、溶解性硅浓度、TOC，同时将纳米级的悬浮物变成2300nm以上的沉淀物。最重要的是，在优选实施例中，本发明的电混凝反应器可连续处理5小时而不需再生处理。

在本发明的其它比较例中，所有的感应电极均为铝感应电极。此作法的缺点在于铝的成本较铁贵，且再生损耗快，将大幅提高废水处理的材料成本。在本发明另一比较例中，所有的感应电极均为铁感应电极。此种作法虽可降低材料成本，但铁电极需要常常拆卸再生，将大幅提高作业及时间成本。而本发明可延长铁感应电极的再生时间，并降低铝感应电极的损耗率。

为使本领域技术人员更清楚本发明的特征，特例举下述优选实施例。

实施例1

将研磨废液以氧化物/金属离子(3/1)的比例均匀混合后，将过氧化氢(0.04％)添加至槽中并搅拌均匀。由泵导入电混凝槽后，通入直流电(70V/25A)，且直流电在每分钟均进极性互换，废水的流量为12L/分钟。接着将废水导入后处理槽调控酸碱值，再导入沉淀池进行胶羽沉降，最后导入溢流槽，取上层水样进行检测。如图1所示，电混凝槽以5片铁电极作为导电极，并将槽体分为4个区域。其中一个区域包含16片铝电极板作为感应电极，其它三个区域包含16片铁电极板作为感应电极，极板间隔0.3cm。此实施例的废水处理前后的水质分析如表一。

表一

实施例2

在实施例2中，如图2所示，电混凝槽以5片铁电极作为导电极，并将槽体分为4个区域。其中两个区域包含8片铝电极板及8片铁电极板作为感应电极，其它两个区域包含16片铁电极板作为感应电极，四个区域交错设置，极板间隔0.3cm。其废水处理前后的水质分析如表二。

表二

比较例

在此实施例中，电混凝槽以5片铁电极作为导电极，并将槽体分为4个区域。将64片铁电极板作为感应电极，每个区域均具有16片铁电极板，极板间隔0.3cm。其废水处理前后的水质分析如表三。

表三

由表一、表二与表三的比较可清楚发现，比较例的全铁感应电极板因电极钝化无法进行5小时以上的废水处理。与比较例相比较，本发明的实施例1及2在5小时后，电极仍可正常运作。而区段设置的感应电极(实施例1)与交错设置的感应电极(实施例2)相比，区段设置的表现又比交错设置佳。综上所述，本发明的铁感应电极配合铝感应电极的设计比所有的感应电极皆为单一材质时佳。在优选实施例中，铁感应电极与铝感应电极配置系以区段设置的实验结果最好。

虽然本发明已以多个优选实施例披露如上，然其并非用以限定本发明，任何本发明所属技术领域中的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，应可作任意更改与润饰。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求书限定的范围为准。

Claims

1.一种电混凝反应器，包括：

阳极与阴极；

多个导电极，分别连接至该阳极与该阴极；

多个铝感应电极，位于所述导电极之间；以及

多个铁感应电极，位于所述导电极之间。

2.如权利要求1所述的电混凝反应器，其中所述导电极包括铁电极或铝电极。

3.如权利要求1所述的电混凝反应器，其中所述铝感应电极与所述铁感应电极系交错设置。

4.如权利要求1所述的电混凝反应器，其中所述铝感应电极与所述铁感应电极系区段设置。

5.如权利要求1所述的电混凝反应器，其中所述导电极的数目为2-6。

6.如权利要求1所述的电混凝反应器，其中所述导电极、所述铝感应电极、及所述铁感应电极的形状包括板状、柱状或管状。

7.如权利要求1所述的电混凝反应器，其中所述铁感应电极的材质包括铁、钢、或不锈钢。

8.一种废水处理方法，包括：

将废水导入权利要求1所述的电混凝反应器；

去除该胶羽与该废水的悬浮微粒聚集。

9.如权利要求8所述的废水处理方法，进一步包括在去除该胶羽与该废水的悬浮微粒聚集前，调整该废水的酸碱值至pH 5至pH 7之间。

10.如权利要求8所述的废水处理方法，其中该废水的来源包括化学机械研磨制程。

11.如权利要求8所述的废水处理方法，其中进一步包括在将废水导入该电混凝反应器之前，加入氧化剂。

12.如权利要求11所述的废水处理方法，其中该氧化剂包括氧气、臭氧、过氧化氢、氟气、氯气、或上述的组合。

13.如权利要求8所述的废水处理方法，其中该直流电流介于10-25安培之间。

14.如权利要求8所述的废水处理方法，经间隔时间后即反转该直流电流的极性，使阴极与阳极的电性反转，其中该间隔时间介于1-5分钟之间。

15.如权利要求8所述的废水处理方法，其中该电混凝反应器的所述铝感应电极与所述铁感应电极系交错设置。

16.如权利要求8所述的废水处理方法，其中该电混凝反应器的所述铝感应电极板与所述铁感应电极系区段设置。

17.如权利要求8所述的废水处理方法，其中去除该胶羽与该废水的悬浮微粒聚集的步骤包括沉淀、过滤、浮除、溢流或上述的组合。