CN101691262A - 一种催化氧化处理有机废水的光电一体化装置 - Google Patents

一种催化氧化处理有机废水的光电一体化装置 Download PDF

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滕厚开
谢陈鑫
赵慧
郑书忠
陈永生
陈军
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Abstract

一种催化氧化处理有机废水的光电一体化装置，其特征在于；由进水管(1)，曝气装置(2)，空气分布板(3)，阳极(4)，阴极(5)，催化剂填料(6)，光源系统(7)，直流电源(8)，出水管(9)组成；电催化方面，阴电极采用不锈钢筛网；网内装填催化剂，阳电极(4)采用硅碳棒，光催化方面采用紫外灯系统作为光源系统(7)：难降解有机废水通过进水管(1)进入光电一体化装置；进行光电催化处理，开启曝气装置(2)通过空气分布板(3)往难降解有机废水中曝气，以补充氧气以利氧化并充分搅拌使被处理水均匀；废水在装置中的停留时间为1～4小时；处理后水自排水管(9)排出。

Description

一种催化氧化处理有机废水的光电一体化装置
技术领域
本发明涉及有机废水处理技术领域，具体是指一种催化氧化处理有机废水的光电一体化装置，该装置利用光电催化氧化处理化工、炼油、石化等多种难降解有机废水，可用于废水的预处理或深度处理领域。
背景技术
光激活半导体(通常使用TiO2)价带上的光生空穴(FujishimaA，Honda K，Nature，1972，238：37～38；Matthews R.W.J.Catal.1988，111：264-272；Ollis D F，A1-EkabiH.Amsterdam：Elsevier，1993)，在水中产生氧化能力极强的OH自由基(标准电极电势2.80eV)，可使水中难于降解的有机污染物完全矿化，且对作用物几乎无选择性，降解过程可在常温常压下进行，无须添加任何化学药剂，无二次污染，该方法已经成为国内外水质净化技术的研究前沿和开发热点，但是基于二氧化钛的光催化技术通常只适合于净化低或微污染介质(张彭义，余刚，蒋展鹏。环境科学进展，1998，6(5)：50～56)。
由于光激发所产生的电子-孔穴对极易复合，导致光催化的量子效率很低(一般小于0.1％)，因此，快速俘获激发电子，抑制其与高能孔穴复合对于提高半导体光催化降解有机污染物的效率至关重要。
光电催化技术是将光催化与电催化氧化过程有机结合，发挥其协同作用，以提高对水中有机污染物的去除效率。目前许多学者对电化学辅助的光催化方法进行的研究，但都采用贵金属类极板体系如金、钌、钯、铂等(曲久辉等，水处理电化学原理与技术，科学出版社，2007)，但这些极板存在着造价高，无法大范围工业化应用的缺点。同时研究的对象多为天然和人工水体所常见的有机污染物，涉及的降解体系多有模拟废水，模拟污染物通常为染料、酚类物质、表面活性剂、腐植酸、低相对分子质量有机酸等，处理废水通常为微污染水。
发明内容
一种催化氧化处理有机废水的光电一体化装置，其特征在于；
该反应装置主要由以下部分组成：进水管1，曝气装置2，空气分布板3，阳极4，阴极5，催化剂填料6，光源系统7，直流电源8，出水管9；
电催化方面，阴电极采用不锈钢筛网；不锈钢筛网内装填催化剂填料6，催化剂剂采用TiO2、a-Fe2O3、ZnO、MoS2的一种化合物或多种化合物的混合物；所用光催化剂粒径为1～2mm，堆积密度为500～1000g/L，孔隙率为20～40％；按针对废水10～100g/L的浓度加入催化剂填料6后插入装置阴极5位置内；采用300目～500目不锈钢网装载催化剂，阳电极采用硅碳棒，极间电压控制在5～30V，电极距离为5～10cm；
光催化方面采用254nm或365nm的紫外灯系统作为光源系统7，同时竖列并排摆放，紫外灯外套有石英管；
难降解有机废水通过预处理格栅截留较大颗粒污染物和大部分纤维等固态物质并调节pH值为3～9后，通过进水管1进入光电一体化装置；极板阳极4，阴极5上开启直流电源8通以直流电；并开启光源系统7照射，进行光电催化处理，空气分布板3置于光电一体化装置底部，开启曝气装置2通过空气分布板3往难降解有机废水中曝气，以补充氧气以利氧化并充分搅拌使被处理水均匀；难降解有机废水在装置中的停留时间为1～4小时；处理后水自排水管9排出。
本发明特点：
将固定床光催化反应器与电化学反应器构成一体化设备，使得处理反应装置发挥最大功效，电化学反应与光催化反应的结合产生了强氧化性的羟基自由基，能够高效的降解水中的有机物。具体特点如下：
1)所用的催化剂为半导体材料(价带-禁带-导带，半导体的禁带较大，再有足够的能量激发下，电子才能够从价带跃迁至导带，变成自由电子，从而具有导电性)，在紫外灯照射下，电子可以由价带跃迁至导带，形成光生电子-空穴对，并且电子与空穴分离，电子跃迁至TiO2表面，在其表面聚集。
2)所用电极阴阳级分别为不锈钢网与硅碳棒，通以电压后，在电极内部形成电势梯度，光生电子和空穴各自向相反的方向移动，一定条件下很大程度上降低了空穴与光生电子的复合率，从而大大提高了光催化效率。
下表是本发明与其他光电催化的对比
其他光电催化工艺 本发明的光电一体化工艺
催化剂 TiO2并通过电沉积、热分解法制作成极板 TiO2、a-Fe2O3、ZnO、MoS2的一种化合物或多种化合物的混合物，为颗粒状材料
电极种类 贵金属类极板体系如金、钌、钯、铂 阴极为不锈钢网、阳极为硅碳棒
处理废水种类 模拟废水(单种污染物) 多种难降解有机废水：化工、炼油、石化等，为实际产生废水
应用方向 微污染水处理，生化预处理 废水预处理或深度处理
应用前景 较难实现工业化，多为实验室内研究，运行及投资成本高 已实现工业化，运行及投资成本低
附图说明
附图1：是本发明的光电一体化处理装置结构示意图。
进水管1，曝气装置2，空气分布板3，阳极4，阴极5，催化剂填料6，光源系统7，直流电源8，出水管9。
具体实施方式
实施例一
用本发明的光电一体化处理装置处理天津化工研究设计院内多种阻垢分散剂，缓蚀剂，杀菌剂等药剂生产废水，在10.0V电压条件下，光电催化反应2h时COD由404mg/L降至38mg/L，去除率为91％，这比普通光催化和电催化时的42％和33％均高，甚至高于二者总和，光电一体化反应器表现出的光电协同作用高于两者的单独作用。
实施例二
用本发明的光电一体化处理装置处理某沥青厂经气浮处理后水，在20.0V电压条件下，光电催化反应3h，COD由650mg/L降至192mg/L，去除率为70％，这比普通光催化和电催化时的31％和28％均高；油含量由42mg/L降至2mg/L，去除率95％，这比普通光催化和电催化时的49％和42％均高。
实施例三
用本发明的光电一体化处理装置处理某钢厂焦化废水二级生化出水，在20.0V电压条件下，光电催化反应2h，COD由236mg/L降至38mg/L，去除率为84％，这比普通光催化和电催化时的41％和32％均高；酚含量由32mg/L降至0.6mg/L，去除率98％，这比普通光催化和电催化时的57％和32％均高。

Claims (1)

1.一种催化氧化处理有机废水的光电一体化装置，其特征在于；
该反应装置主要组成：进水管(1)，曝气装置(2)，空气分布板(3)，阳极(4)，阴极(5)，催化剂填料(6)，光源系统(7)，直流电源(8)，出水管(9)；
电催化方面，阴电极采用不锈钢筛网；不锈钢筛网内装填催化剂填料(6)；催化剂填料(6)所用光催化剂采用TiO2、a-Fe2O3、ZnO、MoS2的一种化合物或多种化合物的混合物；光催化剂粒径为1～2mm，堆积密度为500～1000g/L，孔隙率为20～40％；按针对废水10～100g/L的浓度加入光催化剂；采用300目～500目不锈钢网装载催化剂填料(6)，后插入装置阴极(5)位置内；阳电极(4)采用硅碳棒，极间电压控制在5～30V，电极距离为5～10cm；
光催化方面采用254nm或365nm的紫外灯系统作为光源系统(7)，同时竖列并排摆放，紫外灯外套有石英管；
难降解有机废水通过预处理格栅截留较大颗粒污染物和大部分纤维等固态物质并调节pH值为3～9后，通过进水管(1)进入光电一体化装置；极板阳极(4)，阴极(5)上开启直流电源(8)通以直流电；并开启光源系统(7)照射，进行光电催化处理，空气分布板(3)置于光电一体化装置底部，开启曝气装置(2)通过空气分布板(3)往难降解有机废水中曝气，以补充氧气以利氧化并充分搅拌使被处理水均匀；难降解有机废水在光电一体化装置中的停留时间为1～4小时；处理后水自排水管(9)排出。
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