CN101624228A

CN101624228A - 一种管式填充床电解装置及用于处理有机废水的方法

Info

Publication number: CN101624228A
Application number: CN200910101513A
Authority: CN
Inventors: 王家德; 陈建孟; 朱润晔; 陈钰; 戴启洲; 华仁清
Original assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Current assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Priority date: 2009-08-06
Filing date: 2009-08-06
Publication date: 2010-01-13

Abstract

本发明提供了本发明提供了一种管式填充床电解装置及用于处理有机废水的方法，所述的装置包括电解槽，所述的电解槽设有电解槽槽体、入口、出口，所述电解槽槽体为管式电解槽，所述的管式电解槽的两端分别设有与入口连通的进水区和与出口连通的出水区，所述进水区、出水区分别通过多孔板与电解槽槽体分隔，所述的阳极为棒状Ti/SnO₂+Sb₂O₄复合电极，所述的阳极设置在所述电解槽槽体轴心位置，所述的阴极为管状不锈钢网，固定在管式电解槽槽体内壁，在所述的阴极与阳电之间填充着多孔炭质填料。该装置对不同有机废水具有通用性，用该装置处理有机废水，传质好，电解效率高。

Description

一种管式填充床电解装置及用于处理有机废水的方法

(一)技术领域

本发明涉及一种管式填充床电解装置，特别是用于水相有机物分解的电解装置，本发明还涉及利用该装置来处理有机废水的工艺。

(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毒有害物质的一种有效方法，在制药、化工、印染等行业领域得到广泛的研究和应用。以传统的板(筒)式二维电解槽为基础，通过装填粒子电极(形成三维电解槽)或引入流化态概念(形成流化床电解槽)，改善水相传质，提高电解效率，逐渐形成了一些新型电解装置和处理工艺。但这些装置和工艺基本处于大尺寸水平，鲜有涉及小尺寸(或微型)范畴，事实上，小尺寸电分解装置不仅可减少电解时间，而且可降低装置能耗。基于此思想，本发明提出一种高效的新型有机废水电解反应器----用于水相有机物分解的管式填充床电解装置。

本发明所述的管式填充床电解装置基础是化工反应装置的管式反应器，管式反应器物料从反应管的一端进入，一边流动一边反应，从管的另一端流出时已达到预定的转化率。这种反应器因管径小(与传统的化工反应釜比较)，被称为小尺寸反应器(有别于尺寸更小的微型反应器)，其特点是反应器长径比(L/D)大，最大可达50∶1；物料以柱塞流或平推流方式沿管子流动，无返混现象，过程连续稳定；每个反应器自成单元模块，工程上可依据物料规模及转化率要求，灵活扩大，无放大效应问题；设备体积小，相传质好，转化率高，且能耗低，是化工反应器的一个重要发展方向。

目前与本发明相关的文献报道有《管式电反应系统及其在废水处理中的应用》，曾贤桂等，工程设计与建设，2003，35(5)：42～45，介绍了一种管式电反应系统在废水处理中的应用，该装置解决了传统电化学法由于采用平板型电解槽而存在极水比小、传质条件差、电流分布不均、单位体积处理能力低等诸多难克服的缺点，但是该装置中所用的铁铝阳极电解时，会产生溶解现象。本发明要解决上述不足，设计一种管式填充床电解装置管内填充孔状结构的炭质填料，体现三维填充床特点，传质好，电解效率高，特别是孔状炭质填料本身具有良好的吸附性，可实现对一些难降解有机物先吸附后降解的效果，有助于提高污染物分解效率。

(三)发明内容

本发明的目的是提出一种小尺寸、连续稳定、能耗低、可有效去除水相有机物的管式填充床电解装置及其处理工艺。

本发明采用的技术方案是：

一种管式填充床电解装置，包括电解槽，所述的电解槽设有电解槽槽体、入口、出口，设置于电解槽槽体内的阴极、阳极，与所述的阴极、阳极分别电连接的直流稳流电源，所述电解槽槽体为管式电解槽，所述的管式电解槽的两端分别设有与入口连通的进水区和与出口连通的出水区，所述进水区、出水区分别通过多孔板与电解槽槽体分隔，所述的阳极为棒状Ti/SnO₂+Sb₂O₄复合电极，所述的阳极设置在所述电解槽槽体轴心位置，所述的阴极为管状不锈钢网，固定在管式电解槽内壁，在所述的阴极与阳电之间填充着多孔炭质填料，所述的多孔炭质填料是将粉状活性炭负载在多孔状结构高分子材料上而制成的填料。

本发明所述的多孔炭质填料是以多孔状结构高分子材料为载体，以粉状活性炭为填充组分，采用浸渍法制备得到的含碳量20～50％(质量含量)，孔径5～15PPI的填料。本发明所述的多孔炭质填料的制备方法为本领域技术人员所熟知，本领域技术人员可以自制或通过市售获得。

进一步，本发明所述的高分子材料为聚氨酯海绵。

再进一步，所述的管式电解槽的管长∶管径为8～15∶1。优选为10∶1。

更进一步，其特征在于所述的管式填充床电解装置由若干个电解槽串联而成，上一级电解槽的出口与下一级电解槽入口相连。即将单个电解槽作为单元模块，整个管式填充床电解装置由2～10个单元模块串联组成。这样多个电解槽连接后做为一个管式填充床电解装置，需处理的有机物废水可从第一级电解槽的入口流入，最后一个出口流出，连续地经几个电解槽的电解，到废水流出时即完成这个工序的处理工作，有机废水的处理过程可以连续。

本发明阳极为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，所述的复合电极中SnO₂含量为10^-6～10^-4mol/cm³，Sb₂O₄含量为10^-7～10^-5mol/cm³。

作为电解槽的材料，推荐使用聚丙烯材料。

利用本发明所述的管式填充床电解装置处理有机废水的方法，具体处理方法是将所述的有机废水通入电解槽的入口，电解条件为：槽电压8～12V，优选10V，电流密度10mA/cm²，常温下控制有机废水流经电解装置的时间，即电解时间为20～40min，电解反应后，实现水相有机物有效分解。电解时间即有机物废水从入口流入电解槽经一段时间电解处理后的从电解槽出口排出的过程，从出口排出的即经电解的有机废水。

本发明推荐所述的管式填充床电解装置由若干个电解槽串联而成，所述的电解反应连续进行，控制有机废水从管式填充床电解装置的第一级电解槽的入口到管式填充床电解装置最后一级电解槽出口的流经时间是20～40min。

具体的，如废水为精细化工企业氯苯胺类生产性有机废水，所述有机废水COD_Cr1530～3062mg/L，氯苯胺浓度767～1526mg/L，pH3.0～5.0。推荐电解条件为：槽电压12V，电流密度10mA/cm²，水相温度常温，控制有机废水在管式填充床电解装置内的滞留时间在20～40min。

本发明的管式填充床电解装置管内填充孔状结构的炭质填料，体现三维填充床特点，传质好，电解效率高，特别是孔状炭质填料本身具有良好的吸附性，可实现对一些难降解有机物先吸附后降解的效果，有助于提高污染物分解效率。

本发明重点是一种管式填充床电解装置，对不同有机废水具有通用性。本发明所述的用于水相有机物分解的管式填充床电解装置及处理工艺的有益效果主要体现在：(1)小尺寸装置，电极间距小，电耗低；(2)每个管式反应器自成单元模块，工程扩大灵活，无放大效应问题；(3)物料流动与电场运行垂直，分布均匀，过程连续稳定，无返混现象；(4)填充孔状结构炭质填料，床层无堵塞，且对有机物有吸附性；(5)传质好，电解效率高。

(四)附图说明

图1为实施例1所述管式填充床电解装置中单个电解槽的结构示意图；

图2为实施例1所述管式填充床电解装置中电解槽串联示意图。

(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：

实施例1

本发明重点是一种管式填充床电解装置，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精细化工企业生产性有机废水进行试验。

管式填充床电解装置如下：

管式填充床电解装置由3个电解槽串联而成，每个电解槽为一单元模块，电解槽的材料为聚丙烯。电解槽结构参见图1，电解槽包括电解槽槽体6、入口1、出口9，电解槽槽体内设置有阴极4、阳极3，所述的阴极、阳极分别与直流稳流电源的阴极与阳极电连接，所述电解槽槽体为管式电解槽，管长∶管径为10∶1，所述的管式电解槽的两端分别设有与入口连通的进水区2和与出口连通的出水区8，所述进水区、出水区分别通过多孔板7与电解槽槽体分隔，所述的阳极为棒状Ti/SnO₂+Sb₂O₄复合电极，所述的阳极设置在所述电解槽轴心位置，所述的阴极为管状不锈钢网，固定在管式电解槽内壁4上，在所述的阴极与阳电之间填充着多孔炭质填料5，本实施例的多孔炭质填料来自于市售(南通森友炭纤维有限公司提供)；电解槽的入口与多孔炭质填料之间设有进水区2，所述的多孔炭质填料与电解槽的出口之间设有出水区8。所述的多孔炭质填料是以多孔状结构高分子材料——聚氨酯海绵为载体，以粉状活性炭为填充组分，采用浸渍法制备得到的含碳量38.7％，孔径10PPI的填料，所述的多孔炭质填料将粉状活性炭为填充组分，负载在聚氨酯海绵上而组成的填料。所述的单元模块的连接是上一级管式电解槽的出口与下一级电管式电解槽入口相连。

上述阳极为棒状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，8b₂O₄含量为10^-6mol/cm³数量级。

工作时，将有机废水通入入口，控制直流稳流电源，提供槽电压8～12V、电流密度10mA/cm²电场条件，实现水相有机物有效分解。本实施例试验管式填充床电解装置单元模块的电解槽管径直径为60mm，管长为600mm。实际工程上应以处理规模及处理效率确定具体尺寸，但管径一般≤100mm。

实施例2：

分别利用实施例1的管式填充床电解装置及管式非填充床电解槽处理含氯苯胺类有机废水。

利用本发明实施1的管式填充床电解装置来处理有机废水的方案和工作原理为：当处理的废水为含氯苯胺类有机废水时，COD_Cr1530～3062mg/L，氯苯胺浓度767～1526mg/L，pH3.0～5.0。废水由进水泵经电解槽一端经水流分布区入口进入电解反应区，于槽电压8～12V、电流密度10mA/cm²、水相温度常温条件下电解，控制有机废水管内流速为0.75～1.5mm/min，保持有机废水在管式填充床电解装置内滞留时间为20～40min，这段时间即有机废水的电解时间。处理后的废水经电解槽另一端排出。

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。

管式非填充床电解槽即电解槽阴极和阳极之间不填充多孔炭质填料，其它结构、材料、尺寸与实施例1管式填充电解槽一样。

废水处理结果见表1～3。

表1含氯苯胺废水处理结果

表2含氯苯胺废水处理结果

表3含氯苯胺废水处理结果

注：本发明涉及的COD_Cr、氯苯胺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。

实施例3：

利用本发明实施1的管式填充床电解装置来处理某染料企业分散染料及中间体废水的方案和工作原理为：有机废水COD_Cr2600～3800mg/L，色度426～768倍，pH3.0～4.0。废水由进水泵经电解槽一端经水流分布区入口进入电解反应区，于槽电压8～10V、电流密度10mA/cm²、水相温度常温条件下电解，控制有机废水管内流速为0.75mm/min，保持有机废水在管式填充床电解装置内滞留时间为40min，这段时间即有机废水的电解时间。处理后的废水经电解槽另一端排出。

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(与非填充床的管式电解槽作比较)见表4。

表4分散染料及中间体废水处理结果

注：本发明涉及的COD_Cr、色度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1～4结果表明，相同操作条件下，管式填充床电解装置有利于水相有机物的去除，污染物去除率明显高于非填充床的管式电解装置。

综上所述，本发明所述的管式填充床电解装置及处理工艺有利于水相有机物的去除。与现有无填充床的管式电解装置技术相比，本发明所述的用于水相有机物分解的管式填充床电解装置及处理工艺，具有结构合理、电解效率高等优点，市场应用前景广阔。

Claims

1.一种管式填充床电解装置，包括电解槽，所述的电解槽设有电解槽槽体、入口、出口，设置于电解槽槽体内的阴极、阳极及填料，与所述的阴极、阳极分别电连接的直流稳流电源，其特征在于：所述电解槽槽体为管式电解槽，所述的管式电解槽的两端分别设有与入口连通的进水区和与出口连通的出水区，所述进水区、出水区分别通过多孔板与电解槽槽体分隔，所述的阳极为棒状Ti/SnO₂+Sb₂O₄复合电极，所述的阳极设置在所述电解槽槽体轴心位置，所述的阴极为管状不锈钢网，固定在管式电解槽槽体内壁，在所述的阴极与阳电之间填充着多孔炭质填料，所述的多孔炭质填料是将粉状活性炭负载在多孔状结构高分子材料上而制成的填料。

2.如权利要求1所述的管式填充床电解装置，其特征在于所述的多孔炭质填料是以多孔状结构高分子材料为载体，以粉状活性炭为填充组分，采用浸渍法制备得到的含碳量20～50％，孔径5～15PPI的填料。

3.如权利要求1所述的管式填充床电解装置，其特征在于所述的高分子材料为聚氨酯海绵。

4.如权利要求1所述的管式填充床电解装置，其特征在于所述的管式电解槽的管长∶管径为8～15∶1。

5.如权利要求1所述的管式填充床电解装置，其特征在于所述的管式填充床电解装置由若干个电解槽串联而成，上一级电解槽的出口与下一级电解槽入口相连。

6.如权利要求1所述的管式填充床电解装置，其特征在于所述的所述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，所述的复合电极中SnO₂含量为10^-6～10^-4mol/cm³，Sb₂O₄含量为10^-7～10^-5mol/cm³。

7.如权利要求1所述的管式填充床电解装置，其特征在于所述的电解槽的材料为聚丙烯。

8.利用如权利要求1所述的装置处理有机物水的方法，其特征在于有机废水通入电解槽的入口，电解条件为：槽电压8～12V，电流密度10mA/cm²，常温下电解时间为20～40min，经电解后的有机废水流出出口。