CN101544415B - 膨化床电解装置及其用于水相有机物分解的处理工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于水相有机物分解的膨化床电解装置及处理工艺。所述一种膨化床电解装置包括电解槽、设置于电解槽内的阴阳电极和颗粒电极，以及循环水泵和电源，所述电解槽为圆筒状，所述阴极为圆筒状不锈钢网、沿所述电解槽的内壁与电解槽同轴设置，所述阳极为棒状Ti/SnO2+Sb2O4复合电极、设置在所述电解槽轴心位置，所述颗粒电极为γ-Al2O3/SnO2+Sb2O4球形颗粒催化电极、位于所述阴极和阳极之间形成的电解反应区；所述循环水泵通过设置在电解槽顶端和底部的出水管和进水管与电解反应区组成水循环系统；本发明所述的用于水相有机物分解的膨化床电解装置及处理工艺具有设备体积小、稳定性好、电流效率高、运行费用低及易操作等优点，市场应用前景广。
Description
(一)技术领域
本发明涉及一种膨化床电解装置及用于水相有机物分解的处理工艺。
(二)背景技术
工业有机废水处理一直是水污染控制领域的一个难题。电分解是除去工业废水中有害杂质的一种有效方法，目前在制药、化工、印染等行业领域得到广泛的研究和应用。三维电反应器因在传统二维电解槽电极间装填粒状电极材料，增加了电极的面体比，改善了水相传质效果，提高了电解效率，成为电分解技术的一个发展方向，更具工程实际价值。流化态概念的引入，解决了三维电反应器的电极阻塞和短路问题，流化床三维电极反应器值得推广。由于颗粒电极处于高度流化状态，电极表面活性物质会因摩擦不断脱落，而缩短寿命会；另外，目前普遍采用气流流化，尽管气流流化会因氧气的加入，一定程度上有助于污染物的分解，但也带来一个气流对水相污染物的吹脱效应，使得部分污染物未被分解前已吹脱进入空气环境，带来二次污染。因此，如何有效解决现有流化床运行过程存在的这些问题，将有助于完善流化床三维电极反应器这项技术。
(三)发明内容
本发明的目的是针对上述存在的问题，提出一种设备体积小、结构合理、稳定性好、运行费用低、可连续有效去除水相有机物的膨化床电解装置及用于水相有机物分解的处理工艺。
本发明采用的技术方案是：
一种膨化床电解装置，包括电解槽，设置于电解槽内的阴极、阳电和颗粒电极，能使电解槽内电解液循环的循环管路和循环水泵，以及直流电源，所述电解槽包括圆筒状的电解反应区、固接于电解反应区上部的漏斗状的固液分离区、连接于电解反应区下部的倒锥形水流分布区，所述的固液分离区设有出口，水流分布区底部设有入口，所述的出口与入口分别与所述的循环管路两端连接，所述的电解反应区与水流分布区由具有筛孔的隔板分隔，所述的颗粒电极布置于所述的隔板上，所述阴极为圆筒状不锈钢网、沿所述电解反应区的内壁环绕布置，所述阳极为棒状Ti/SnO2+Sb2O4复合电极、设置在电解槽轴心位置；所述颗粒电极为γ-Al2O3/SnO2+Sb2O4球形颗粒催化电极；所述直流电源为直流稳流电源，提供槽电压8～12V、电流密度10mA/cm2电场条件，可实现水相有机物有效分解。
所述Ti/SnO2+Sb2O4复合电极由棒状Ti电极采用热分解涂布SnO2和Sb2O4制得，复合电极中SnO2含量为10-6～10-4mol/cm3，SnO2含量为10-6～10-4mol/cm3。
所述γ-Al2O3/SnO2+Sb2O4球形颗粒催化电极是以γ-Al2O3为载体，以SnO2+Sb2O4(载体与活性组分物质的量之比为5～10∶1)为电极活性组分，采用浸渍法制备得到，颗粒直径3～4mm，涂层厚度≤3μm，膨化态密度为30kg/m3。颗粒电极膨化态介于固定态和流化态之间，目的是减少颗粒电极摩擦引起的表面活性物质脱落。
制备所述电解槽的材料为本领域常规用于制备电槽的材料，优选为聚丙烯。
所述电解槽内径与电解反应区高度之比为1∶3～6，优选为1∶4。
本发明还涉及利用所述膨化床电解装置分解水相中有机物的处理方法，所述方法包括：废水由进水泵经电解槽底部水流分布区进入电解反应区，开启循环水泵，于槽电压8～12V、电流密度10mA/cm2、水相温度常温、pH值3.0～10.0条件下电解40～80min，电解结束后关闭循环水泵，处理后的废水经固液分离后排出。
具体的，所述含有机物的废水为医化企业生产性有机废水，所述有机废水CODCr3000～4700mg/L、硝基苯浓度50～300mg/L，电解条件为：槽电压12V，电流密度10mA/cm2，水相温度常温，pH9～10，电解时间60min，颗粒电极膨化态密度为30kg/m3。
或者，所述含有机物的废水为染料企业生产性有机废水，所述有机废水CODCr6000～10000mg/L，电解条件为：槽电压8V，电流密度10mA/cm2，水相温度常温，pH1～3，电解时间60min，颗粒电极膨化态密度为30kg/m3。
本发明所述的用于水相有机物分解的膨化床电解装置及处理工艺的有益效果主要体现在：(1)颗粒电极呈膨化悬浮态，而非流化态，解决了颗粒电极表面活性物质因摩擦脱落的问题，延长了颗粒电极使用寿命；(2)采用水流体外循环推动膨化，消除了气流化对污染物的吹脱效应，无二次污染问题出现；(3)电解槽上部设置固液分离区，解决了膨化强度控制不当，少数颗粒电极随水流流失或进入循环系统，引起循环管路堵塞甚至泵体烧坏。
(四)附图说明
图1为本发明所述膨化床电解装置的结构示意图；1为固液分离区，2为电解反应区，3为水流分布区，4为阴极，5为阳极，6为循环水泵；
图2为本发明所述膨化床电解装置颗粒电极膨化悬浮态示意图；1为固液分离区，2为电解反应区，3为水流分布区，4为阴极，5为阳极，6为循环水泵。
(五)具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此：
本发明重点是一种膨化床电解装置，对不同有机废水具有通用性。实施例以两类有代表意义的实际有机废水进行试验，一类是医药化工生产废水，另一类是染料生产有机废水。
所述膨化床电解装置结构参见图1、图2，包括电解槽，设置于电解槽内的阴极、阳电和颗粒电极，能使电解槽内电解液循环的循环管路和循环水泵，以及直流电源，所述电解槽包括圆筒状的电解反应区2、固接于电解反应区上部的漏斗状的固液分离区1、连接于电解反应区2下部的倒锥形水流分布区3构成，所述的固液分离区设有出口，水流分布区底部设有入口，所述的出口与入口分别与所述的循环管路两端连接，所述的电解反应区与水流分布区由具有筛孔的隔板分隔，所述的颗粒电极布置于所述的隔板上，所述阴极4为圆筒状不锈钢网、沿所述电解反应区的内壁环绕布置，所述阳极为棒状Ti/SnO2+Sb2O4复合电极(由棒状Ti电极采用热分解涂布SnO2和Sb2O4制得，复合电极中SnO2含量为10-5mol/cm3数量级，SnO2含量为10-5mol/cm3数量级)、设置在所述电解槽轴心位置；所述颗粒电极为γ-Al2O3/SnO2+Sb2O4球形颗粒催化电极(以γ-Al2O3为载体，以SnO2+Sb2O4为电极活性组分，载体与活性组分物质的量之比为8∶1，采用浸渍法制备得到；颗粒直径3～4mm，涂层厚度≤3μm，膨化态密度为30kg/m3)；所述直流电源为直流稳流电源，提供槽电压8～12V、电流密度10mA/cm2电场条件。所述循环水泵通过设置在电解槽顶端和底部的出水管和进水管与电解反应区组成水循环系统，出水管和进水管靠近电解槽的一端均设置有阀门，在电解时开启以启动循环系统，电解结束后关闭阀门，将处理后的废水经固液分离后排出。为便于描述清楚，试验槽体具体直径为60mm，实际工程上应以径高比确定更合适。
实施例1：
本发明的实施方案和工作原理为：当处理的废水为医化企业生产性有机废水时，CODCr3000～4700mg/L，硝基苯浓度50～300mg/L，pH9～10，槽电压12V，电流密度10mA/cm2，电解时间60min，颗粒电极膨化态密度为30kg/m3，废水由进水泵经槽底布水流分布器进入电解反应区，处理后的废水经固液分离后排出。
工作原理是，水电解产生·OH，
H2O→·OH+·H。
形成的·OH基团具有强氧化性，氧化电极电位高达2.80V，比O3(2.07V)高35％，氧化能力仅次于氟；另外，该基团具有高电负性(亲电性)，其电子亲和能为569.3kJ，容易进攻高电子云密度点。因此，·OH基团可以起到对污染物的深度氧化分解，进而达到处理目的。废水处理结果见表1。
表1：医化企业生产废水处理结果
| 项目名称 | 膨化床电解槽 | 流化床电解槽 |
| 推动力 | 水流 | 空气流 |
| 颗粒电极失重率 | 几乎不失重 | 3～5％ |
| 颗粒电极流失率 | 不流失 | 6～10％ |
| CODCr去除率 | 62～75％ | 45～52％ |
| 硝基苯去除率 | 78～91％ | 55～63％ |
| 电流效率 | 24～28％ | 16～23％ |
实施例2：
本发明的实施方案和工作原理为：当处理的废水为染料企业生产性有机废水时，CODCr6000～10000mg/L，pH1～3，槽电压8V，电流密度10mA/cm2，电解时间60min，颗粒电极膨化态密度为30kg/m3，废水由进水泵经槽底布水流分布器进入电解反应区，处理后的废水经固液分离后排出。
工作原理是，水电解产生·OH，
H2O→·OH+·H。
形成的·OH基团具有强氧化性，氧化电极电位高达2.80V，比O3(2.07V)高35％，氧化能力仅次于氟；另外，该基团具有高电负性(亲电性)，其电子亲和能为569.3kJ，容易进攻高电子云密度点。因此，·OH基团可以起到对污染物的深度氧化分解，进而达到处理目的。废水处理结果见表2。
表2：染料废水处理结果
| 项目名称 | 膨化床电解槽 | 流化床电解槽 |
| 推动力 | 水流 | 空气流 |
| 颗粒电极失重率 | 几乎不失重 | 3～5％ |
| 颗粒电极流失率 | 不流失 | 6～10％ |
| CODCr去除率 | 55～72％ | 38～51％ |
| 电流效率 | 22～26％ | 15～21％ |
注：本发明涉及的CODCr、硝基苯采用国家环保总局编著的《水和废水监测分析方法》中规定的相应方法，pH值采用pH计测定。
表1、表2结果表明，同样操作条件下，悬浮床电解装置有利于水相有机物的去除，颗粒电极表面活性物质脱落明显减少，电解槽固液分离区可有效消除颗粒电极膨化引起的对循环泵影响，污染物去除率明显高于传统的流化床三维电解装置。
综上所述，本发明所述的膨化床电解装置及处理工艺有利于水相有机物的去除，颗粒电极呈膨化悬浮态，解决了颗粒电极表面活性物质因摩擦脱落的问题，延长了颗粒电极使用寿命，水流体外循环推动膨化，消除了空气流化二次污染问题，电解槽设置固液分离区，解决了膨化的颗粒电极对循环水泵的影响。
与现有技术相比，本发明所述的用于水相有机物分解的膨化床电解装置及处理工艺，具有结构合理，电流效率高，运行稳定，使用寿命长等优点，市场应用前景广阔。
Claims (8)
1.一种膨化床电解装置，包括电解槽，设置于电解槽内的阴极、阳极和颗粒电极，能使电解槽内电解液循环的循环管路和循环水泵，以及直流电源，其特征在于：所述电解槽包括圆筒状的电解反应区、固接于电解反应区上部的漏斗状的固液分离区、连接于电解反应区下部的倒锥形水流分布区，所述的固液分离区设有出口，水流分布区底部设有入口，所述的出口与入口分别与所述的循环管路两端连接，所述的电解反应区与水流分布区由具有筛孔的隔板分隔，所述的颗粒电极布置于所述的隔板上，所述阴极为圆筒状不锈钢网、沿所述电解反应区的内壁环绕布置，所述阳极为棒状Ti/SnO2+Sb2O4复合电极、设置在所述电解槽轴心位置；所述颗粒电极为γ-Al2O3/SnO2+Sb2O4球形颗粒催化电极；所述直流电源为直流稳流电源，提供槽电压8～12V、电流密度10mA/cm2电场条件。
2.如权利要求1所述的膨化床电解装置，其特征在于所述Ti/SnO2+Sb2O4复合电极由棒状Ti电极采用热分解涂布SnO2和Sb2O4制得，复合电极中SnO2含量为10-6～10-4mol/cm3，Sb2O4含量为10-7～10-5mol/cm3。
3.如权利要求1所述的膨化床电解装置，其特征在于所述γ-Al2O3/SnO2+Sb2O4球形颗粒催化电极是以γ-Al2O3为载体，以SnO2+Sb2O4为电极活性组分，采用浸渍法制备得到，颗粒直径3～4mm，涂层厚度≤3μm，膨化态密度为30kg/m3。
4.如权利要求1所述的膨化床电解装置，其特征在于制备所述电解槽的材料为聚丙烯。
5.如权利要求1所述的膨化床电解装置，其特征在于所述电解槽内径与电解反应区高度比为1∶3～6。
6.利用权利要求1所述膨化床电解装置分解水相有机物的方法，所述方法包括：废水由进水泵经电解槽底部水流分布区入口进入电解反应区，开启循环水泵，于槽电压8～12V、电流密度10mA/cm2、水相温度常温、pH值3.0～10.0条件下电解40～80min，电解结束后关闭循环水泵，处理后的废水经固液分离后排出。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于所述含有机物的废水为医化企业生产性有机废水，所述有机废水CODCr3000～4700mg/L、硝基苯浓度50～300mg/L，电解条件为：槽电压12V，电流密度10mA/cm2，水相温度常温，pH9～10，电解时间60min，颗粒电极膨化态密度为30kg/m3。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于所述含有机物的废水为染料企业生产性有机废水，所述有机废水CODCr6000～10000mg/L，电解条件为：槽电压8V，电流密度10mA/cm2，水相温度常温，pH＝3，电解时间60min，颗粒电极膨化态密度为30kg/m3。
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