CN101671066B

CN101671066B - 一种无隔膜电化学废水处理装置

Info

Publication number: CN101671066B
Application number: CN2009100352584A
Authority: CN
Inventors: 肖刚
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2009-09-27
Filing date: 2009-09-27
Publication date: 2011-09-07
Anticipated expiration: 2029-09-27
Also published as: CN101671066A

Abstract

本发明涉及一种无隔膜电化学废水处理装置，包括电极反应器，电极反应器内安装有废水导向管、阳极电极、阴极馈电极以及金属大颗粒收集装置，所述废水进入口设置于电极反应器的底部，其上方纵向安装废水导向管，且废水导向管下端与废水进入口之间存在间距，另废水导向管的上端安装有阳极保护挡板，所述阳极电极设置在废水导向管的外壁，而阴极馈电极则设于电极反应器底部，另电极反应器上安装有给料装置，所述金属大颗粒收集装置位于阳极保护挡板下方，由此可知，本发明可以有效地维持电极反应器内的颗粒处于流态化，同时避免金属颗粒进入阳极反应区域，在无需使用隔膜的情况下，分隔出阴、阳两个电极反应区，彻底解决因为使用隔膜所带来的各种问题。

Description

一种无隔膜电化学废水处理装置

技术领域

本发明涉及一种废水处理装置，尤其是一种可以高效回收工业废水中金属的无隔膜电化学废水处理装置。

背景技术

我国制造业发达，工业废水的排放量居全球之首。工业废水(如电镀、印染、制革等工业废水)中通常含有大量的金属离子，如铜、锌、铬、镉、铅等。这些金属离子对环境和人类危害极大，在排放或者重新回用前，必须进行严格的净化处理。与此同时，这些金属离子的回收价值一般都较高，所以，非常有必要开发新型高效的资源化回收装置和方法。

目前，工业废水处理方法主要可以分为四大类：物理法、化学法、生物法和物理化学法。物理法主要包括悬浮态污染物质分离(如除去油脂)、蒸发浓缩等，这些方法一般只是作为其他处理方法中的一个环节。化学法是当前应用最广泛的方法，它主要是通过向废水中加入相应的化学药剂，通过化学反应将污染物变成无害或低毒性的物质(如加入次氯酸钠氧化氰离子、加入硫酸亚铁将六价铬还原成毒性较小的三价铬等)，或者将其变为容易与污水分离的物质后采用物理方法去除(如加入碳酸钠将铜、镉、铬、铅等重金属沉淀后分离)。这种方法操作简单、设备投资费用低、对高浓度污染物的去除效果较为稳定，但是当污染物浓度降低到一定程度后，进一步去除污染物的效果非常有限，另外，该方法还存在严重的二次污染问题(如产生大量有毒有害污泥、可能会引入新的污染物等)，且资源化效果差，难以满足日益严格的排放要求。生物法是利用微生物的生命活动过程，将废水中的污染物进行转移或转化，如可用脱色杆菌厌氧处理含铬废水、用假单孢菌加活性污泥处理含铬废水等，但是该方法仅限于单一菌株处理单一污染物，而且受其他污染物干扰很大，净化效果非常不稳定。物理化学法是通过物理和化学的综合作用使废水得到净化的方法，如离子交换法(将树脂中的离子与废水中的重金属离子进行交换，缺点是仅对某些离子有效，容易受到污染，投资运行成本高，且难以实现资源化)、活性炭吸附法(主要利用活性碳发达的孔隙吸附污染物，缺点是活性碳耗量大，再生技术复杂，运行成本高，难以实现资源化)、电化学法等。

电化学法不需要添加任何化学药剂，并且操作灵活、流程简单，不会产生二次污染(如污泥等)，能够直接回收经济价值较高的金属(如铜、锌等)，故电化学处理法又被称作清洁处理法。当前的电化学反应装置主要分为平板电极反应器和电极反应器两种。平板电极反应器的阴、阳电极为平行的成对布置的平板，该装置运行过程中，污染物浓差极化大，电流密度小(一般最多只能达到200～300A/m³)，电流效率低(最高只有40～65％)。电极反应器是一个由隔膜将阴、阳两极隔开的化学电池，在一个半电池内(阴极反应区)，插入馈电极，再加入导电颗粒(金属颗粒，且与拟回收的金属类型相同)，底部设置液体分布板，促使反应区内的颗粒呈流化状态，形成流态化电极。阴极反应区内颗粒之间及与馈电极之间的碰撞频繁，促使颗粒带电；颗粒在阴极反应区内的流态化运动大大加快液体与颗粒间的传质速率，使金属离子的浓差极化大大降低，可将电化学反应的电流密度提高到1500～2500A/m³，将电流效率增加到60～90％以上，而且设备体积大为减小，特别适合于处理金属离子浓度较低的废水。

在目前已开发的电极反应器中，隔膜(一种半渗透膜)是其必不可少的关键组件之一。理想的隔膜材料必须具备下列条件：(1)具备适中的渗透压，既不能太大(需保证阴、阳离子能够顺利透过)，又不能太小(以至液体大部分进人阳极区，影响颗粒阴极的正常流化)；(2)具有很高的机械强度和耐磨性，防止因为金属颗粒频繁撞击隔膜而导致破损；(3)具有很好的化学稳定性，防止酸碱腐蚀；(4)具有较小的电阻率，以降低能耗；(5)具有光滑的表面，防止导电颗粒在表面滞留、集结和粘附。但是，较为理想的隔膜材料(如贵金属基渗透膜)价格过高，难以推广应用。通常采用的隔膜材料(如玻璃纤维、塑料等)又常常由于磨损破裂问题影响装置的安全、连续、稳定运行。

在目前技术难以提供廉价的理想的隔膜材料的情况下，开发新型的无需隔膜的流态化电极反应装置和金属回收方法是提高我国工业废水无害化、资源化水平的有效途径。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种无隔膜电化学废水处理装置，通过采用导向管喷动床结构的流态化电极反应器，并优化布置电极反应器的内部构件，在无需使用隔膜的情况下，分隔出阴、阳两个电极反应区，彻底解决因为使用隔膜所以带来的各种问题，保证了电化学反应装置的安全、连续、稳定、高效运行，大大降低了电化学处理装置的投资和运行成本。

为实现以上的技术目的，本发明将采用以下的技术方案：

一种无隔膜电化学废水处理装置，包括电极反应器，所述电极反应器设置有废水进入口、净化水出口以及阴极反应气体排出口，且该电极反应器内安装有废水导向管、阳极电极、阴极馈电极以及金属大颗粒收集装置，所述废水进入口设置于电极反应器的底部，该废水进入口上方纵向安装废水导向管，且废水导向管下端与废水进入口之间存在间距，另废水导向管的上端安装有阳极保护挡板，所述阳极电极以一定间隙设置在废水导向管的外壁，而阴极馈电极则设置于电极反应器底部，另靠近阴极馈电极附近的电极反应器上安装有给料装置，所述金属大颗粒收集装置位于阳极保护挡板下方。

所述阳极保护挡板以一定角度倾斜向下地连接在废水导向管上。

所述阳极保护挡板上连接有导流板，且阳极保护挡板上连接有水流可向上喷射的大小颗粒分离喷嘴。

所述金属大颗粒收集装置为中部缺口设置的收集篮，该收集篮置于导流板下方。

所述金属大颗粒收集装置内安装有用于输送大颗粒金属的送料装置。

所述收集篮的外边缘设置有小颗粒收集挡板。

所述阳极电极包括阳极电极支架以及安装在阳极电极支架上的阳极网。

所述阳极电极支架呈管状，且该管状阳极电极支架的管体上设置有阳极电极清洗喷嘴。

所述电极反应器底部呈锥形，废水进入口设置于该电极反应器锥形底部的最低部位

靠近净化水出口的电极反应器内壁倾斜地安装有防止金属颗粒溢出的防溢板。

根据以上的技术方案，可以实现以下的有益效果：

1.本发明在电极反应器内废水进入口上方纵向安装废水导向管，在废水导向管的外壁设置阳极电极，并在废水导向管上端连接阳极保护挡板，而在电极反应器底部安装阴极馈电极，从而可以有效地维持电极反应器内的颗粒处于流态化，同时避免金属颗粒进入阳极反应区域，在无需使用隔膜的情况下，分隔出阴、阳两个电极反应区，彻底解决因为使用隔膜所以带来的各种问题；

2.在阳极保护挡板的尾部布置大小颗粒分离喷嘴，通过喷射回用的废水，选择合适的喷射角度和速度，将大小颗粒分离开来，则大颗粒质量重，惯性大，受大小颗粒分离喷嘴的喷流影响小，会落在较近的金属大颗粒收集装置中，然后利用输送装置将其送出并进行资源化利用，该设计保证了系统的连续运行，防止颗粒长得过大后引起流化状态恶化；

3.通过合理布置小颗粒收集挡板与电极反应器边壁间的角度和空隙，在保证小颗粒金属顺利到达阴极板，获得负电荷后进入废水导向管进行阴极反应，同时引导电极反应器内的流体运动，减小浓差极化，提高传质速率和电流效率；

4.本发明所提出的无隔膜喷动床电极高效回收工业废水中金属装置能够实现安全、连续、稳定、高效运行，电流效率70～95％，金属离子去除率85～98％，金属离子回收率达80～95％，大大降低了电化学处理装置的投资和运行成本，实现了废水的无害化与资源化。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

其中：1-废水进入口；2-小颗粒金属；3-阴极馈电极；4-大颗粒金属；5-给料装置；6-小颗粒收集引导挡板；7-阳极网；8-阳极保护挡板；9-净化水出口；10-维修入口；11-阴极反应气体排出口；12-防溢板；13-阳极反应气体排出口；14-大小颗粒分离喷嘴；15-阳极电极；16-阳极反应区域；17-阳极电极支架；18-阳极电极清洗喷嘴；19金属大颗粒收集装置；20-送料装置；21-废水导向管；22-阴极板。

具体实施方式

以下将结合附图详细地说明本发明的技术方案。

本发明所述的无隔膜电化学废水处理方法，其将待处理废水引入电极反应器，并使得该待处理废水中的颗粒处于流态化，通过设置废水导向管以及安装在废水导向管上端的阳极保护挡板，使得电极反应器内部划分为相对独立的阴极反应区域和阳极反应区域16，输入电极反应器所需的流态床料，从而实现待处理废水中流态床料对应的金属颗粒的回收。

为实现上述的废水处理方法，本发明提供一种无隔膜电化学废水处理装置，如图1所示，本发明所述的无隔膜电化学废水处理装置，包括电极反应器，所述电极反应器设置有废水进入口1、净化水出口9以及阴极反应气体排出口11，且该电极反应器内安装有废水导向管21、阳极电极15、阴极馈电极3以及金属大颗粒收集装置19，所述废水进入口1设置于电极反应器的底部，且本发明所述电极反应器底部呈锥形，废水进入口1设置于该电极反应器锥形底部的最低部位，该废水进入口1上方纵向安装废水导向管21，所述废水导向管21下端与废水进入口1之间存在间距，另废水导向管21的上端安装有阳极保护挡板8，且该阳极保护挡板8以一定角度倾斜向下地连接在废水导向管21上，所述阳极保护挡板8上连接有导流板，且靠近该导流板附近的阳极保护挡板8上连接有水流可向上喷射以将大小颗粒分离的喷嘴14，为使分离效果更好，本实用新型将喷嘴14设置于阳极保护挡板8的尾部，所述阳极电极15以一定间隙设置在废水导向管21的外壁，该阳极电极15包括阳极电极支架17以及安装在阳极电极支架17上的阳极网7，且阳极电极支架17呈管状，该管状阳极电极支架17的管体上设置有阳极电极清洗喷嘴18，而阴极馈电极3则设置于电极反应器底部，本发明所述的阴极馈电极3采用阴极板22，将其铺设在电极反应器底部，另靠近阴极馈电极3附近的电极反应器上安装有给料装置5，本发明所述的给料装置5为螺旋给料机，所述金属大颗粒收集装置19位于阳极保护挡板8下方，金属大颗粒收集装置19为中部缺口设置的收集篮，该收集篮置于导流板下方，且所述收集篮的外边缘设置有小颗粒收集挡板，另金属大颗粒收集装置19内安装有用于输送大颗粒金属4的送料装置20，本发明所述送料装置20选用螺旋输送机。

为避免金属颗粒随着净化水流出电极反应器，本发明在靠近净化水出口9的电极反应器内壁倾斜地安装有防止金属颗粒溢出的防溢板12。为便于维修，本发明在电极反应器上设置有维修入口10，且该维修入口10上安装有法兰。

使用时，将含有可回收金属离子的工业废水由电极反应器底部设置的废水进入口1进入电极反应器，流速1～10m/s，喷入的废水与携带负电荷的小颗粒金属2，进入废水导向管21，并最终从废水导向管21内喷出，在此过程中，废水中的金属离子与负电荷结合，还原成金属单质，吸附在金属颗粒表面上，金属颗粒逐渐长大，反应方程如式(1)所示。从导向管喷出的金属颗粒向周围散开，由于阳极保护挡板8的遮挡，不会落入阳极反应区域16内。由于废水导向管21外液体流速大大降低，金属颗粒会在重力作用下，向下运动。当金属颗粒向下沉降到阳极保护挡板8尾端时，大小颗粒分离喷嘴14喷出流速0.3～1m/s的净化水，由于已经长大的金属颗粒质量较大，所喷出水流的影响较小，沉降较快，会落入较近的大颗粒金属收集篮中，由螺旋输送机送出电化学反应装置。大颗粒金属4一部分会被辗碎成小颗粒后，重新作为新的流化床料，经螺旋给料机送入电极反应器底部；另一部分就可回收利用。小颗粒金属2由于受大小颗粒分离喷嘴14喷出水流的影响较大，会运动到更远的地方(更接近电化学反应器边缘)后沉降，落入小颗粒收集引导挡板6上，沿着反应器边壁落入反应器底部的阴极板22上，在阴极板22上向下移动过程中获得负电荷，当下移到喷动床入口处时，被入口水流带入废水导向管21，与废水中的金属离子发生阳极反应。净化后的废水从净化水出口9排出，由于出口前面布置防止颗粒溢出挡板，可防止金属颗粒随着水流溢出。在反应阴极区(主要指喷动导向管内部区域)主要发生的电化学反应如反应方程式(1)所示，副反应如方程式(2)所示，该过程中的主要气体为氢气。阳极反应区内的主要电化学反应如方程式(3)所示，过程中中的产生的副产物为二氧化碳，还含有少量的氧气和一氧化碳。电化学反应过程中产生的气体分别从阳极反应气体排出口13和阴极反应气体排出口11排出。

阴极反应区主要反应方程式：

Mⁿ⁺+ne→M M为金属或者金属离子(1)

阴极反应区副反应方程式：

2H⁺+e→H₂ H₂为氢气(2)

阳极反应区主要反应方程式：

aH₂O-ae+cC_xH_yO_z→aH⁺+cCO₂+dCO+eH₂O+fO₂

其中，C_xH_yO_z为废水中的有机物 (3)

Claims

1.一种无隔膜电化学废水处理装置，包括电极反应器，所述电极反应器设置有废水进入口、净化水出口以及阴极反应气体排出口，其特征在于，所述电极反应器内安装有废水导向管、阳极电极、阴极馈电极以及金属大颗粒收集装置，所述废水进入口设置于电极反应器底部，该废水进入口上方纵向安装废水导向管，且废水导向管下端与废水进入口之间存在间距，另废水导向管的上端安装有阳极保护挡板，所述阳极电极以一定间隙设置在废水导向管的外壁，而阴极馈电极则设置于电极反应器底部，另靠近阴极馈电极附近的电极反应器上安装有给料装置，所述金属大颗粒收集装置位于阳极保护挡板下方。

2.根据权利要求1所述的无隔膜电化学废水处理装置，其特征在于，所述阳极保护挡板以一定角度倾斜向下地连接在废水导向管上。

3.根据权利要求1或2所述的无隔膜电化学废水处理装置，其特征在于，所述阳极保护挡板上连接有导流板，且阳极保护挡板上连接有水流可向上喷射的以将大小颗粒分离的喷嘴。

4.根据权利要求3所述的无隔膜电化学废水处理装置，其特征在于，所述金属大颗粒收集装置为中部缺口设置的收集篮，该收集篮置于导流板下方。

5.根据权利要求3所述的无隔膜电化学废水处理装置，其特征在于，所述金属大颗粒收集装置内安装有用于输送大颗粒金属的送料装置。

6.根据权利要求4所述的无隔膜电化学废水处理装置，其特征在于，所述收集篮的外边缘设置有小颗粒收集挡板。

7.根据权利要求1所述的无隔膜电化学废水处理装置，其特征在于，所述阳极电极包括阳极电极支架以及安装在阳极电极支架上的阳极网。

8.根据权利要求7所述的无隔膜电化学废水处理装置，其特征在于，所述阳极电极支架呈管状，且该管状阳极电极支架的管体上设置有阳极电极清洗喷嘴。

9.根据权利要求1所述的无隔膜电化学废水处理装置，其特征在于，所述电极反应器底部呈锥形，废水进入口设置于该电极反应器锥形底部的最低部位。

10.根据权利要求1所述的无隔膜电化学废水处理装置，其特征在于，靠近净化水出口的电极反应器内壁倾斜地安装有防止金属颗粒溢出的防溢板。