CN101798130A - 基于电芬顿反应的废水处理方法 - Google Patents

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张铁锴
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Abstract

本发明揭示了一种基于电芬顿反应的废水处理方法，对废水中含铁元素的电极施加电源，电极本身的铁元素失去电子形成亚铁离子，而在废水中的溶解氧在不锈钢阴极表面还原产生过氧化氢，过氧化氢与水中的亚铁离子反应产生氢氧自由基氧化降解废水中的有机物，其特征在于：所述废水处理方法采用不锈钢网作为电化学反应的阴阳两极，且所施加到阴阳两极上的电源采用可切换正负极方向的电源。本发明通过采用市售不锈钢网作为电芬顿反应的阳极，能减少电化学反应的副产物及后续废水处理成本，提高反应效率；同时采用程控电源定时转换阴阳极方向，有效延长了电极的使用寿命，能应用于广泛pH值的废水处理之中。

Description

基于电芬顿反应的废水处理方法
技术领域
本发明涉及一种利用电催化氧化进行废水处理的方法，具体涉及一种采用简易而经济的钢材结构作为电芬顿反应电极的废水处理方法，适于处理高浓度印染、化工、制药等行业难降解的有机废水。
背景技术
一直以来，高浓度难降解有机废水是水处理技术的难点问题。此类废水主要是染料、农药、医药、化工、焦化等生产过程中产生的废水，废水污染物浓度高、毒性大、盐份较高难于生物降解，因此必须采用预处理技术和方法，才能有效妥善处理。如果这些物质不加治理地向环境排放，势必严重污染环境和威胁人类身体健康。随着工农业的迅速发展，人们合成了越来越多的有机物，其中难降解有机物占了很大比例，因此难降解有机物的治理研究已引起国内外有关专家的高度重视，是目前水污染防治研究的热点与难点。
高级氧化技术在处理难降解有机废水领域具有非常明显的优势。芬顿反应是典型的高级氧化方法：利用过氧化氢和亚铁离子反应生成羟基自由基，可以快速去除传统技术无法去除的难降解有机物。芬顿(Fenton)试剂在废水处理中的研究与应用日益受到国内外的关注。芬顿试剂氧化法的优点在于H2O2分解速度快、氧化速率高，但由于大量Fe2+的存在，H2O2的利用率不高，使有机污染物降解不完全，且反应必须在酸性条件下进行，否则因析出Fe(OH)3沉淀而使加入的Fe2+或Fe3+失效，并且溶液的中和还需消耗大量的酸碱，另外处理成本高也制约这一方法的广泛应用。鉴于此，广大环境科学工作者致力于此法的改进，芬顿法基本上是沿着光化学和电化学两条路线向前发展的。
电芬顿法是利用电化学法产生的，以及作为芬顿试剂的持续来源，两者产生后立即作用而生成具有高度活性的羟基自由基，使有机物得到降解，其实质就是在电解过程中直接生成芬顿试剂。与传统芬顿法相比，电芬顿法有它独特的优点不需或只需加人少量化学药剂；可以大幅度降低处理成本；处理过程清洁，不会对水质产生二次污染；设备相对简单，电解过程需控制的参数只有电流和电压，易于实现自动控制。电芬顿法除羟基自由基的氧化作用外，还有阳极氧化，电吸附等伴随的净化作用，所以处理效率比传统芬顿法高、占地面积小、处理周期短、条件要求不苛刻、易于和其它方法结合，为废水的综合治理提供了一条有效途径。
电芬顿法主要包括阴极电芬顿法，牺牲阳极法，和通过电极反应生成芬顿反应所需两种物质的方法。前两种方法都需要外加药剂进行反应，成本较高，反应效率也比较低。电极本身产生芬顿反应所需两种物质的方法可以在发生芬顿反应的同时，利用过量的铁离子生成氢氧化物絮凝沉淀去除有机物，这样就可以在广泛pH范围内达到净化废水的作用。但现有技术状况下，该方法普遍采用铁泥或不锈钢板作为电芬顿反应的阳极材料，副产物较多，且成本较高。
发明内容
鉴于上述通过电极反应生成芬顿反应所需两种物质的方法在富含难降解有机物的废水处理过程中的优势以及存在的不足，本发明的目的旨在提供一种基于电芬顿反应的水处理方法，实现成本低廉化、高效化的废水处理。
上述本发明的目的，将通过以下技术方案得以实现：
基于电芬顿反应的废水处理方法，对废水中含铁元素的电极施加电源，电极本身的铁元素失去电子形成亚铁离子，而在废水中的溶解氧在不锈钢阴极表面还原产生过氧化氢，过氧化氢与水中的亚铁离子反应产生氢氧自由基氧化降解废水中的有机物，其特征在于：所述废水处理方法采用不锈钢网作为电化学反应的阴阳两极，且所施加到阴阳两极上的电源采用可切换正负极方向的电源。
进一步地，前述基于电芬顿反应的废水处理方法，其中该电芬顿反应的液态环境酸碱度为pH值介于2～8之间，在pH值介于2～5的酸性环境下，所述电芬顿反应以氢氧自由基氧化降解有机物为主；中性环境下，反应机理主要为絮凝沉淀机理。
进一步地，前述基于电芬顿反应的废水处理方法，其中该电芬顿反应的液态环境中实时注有氧气，可用简单的曝气装置向废水通入空气。
进一步地，前述基于电芬顿反应的废水处理方法，其中该不锈钢网可以为多种目数，其材质选择可以包括0Cr18Ni9、0Cr19Ni10、0Cr25Ni20及0Cr17Ni12Mo2等；而且该不锈钢网的阴阳两极可以根据实际废水处理装置情况加工成任意所需形状。
本发明基于电芬顿反应的废水处理方法应用后，其有益效果在于：
采用市售不锈钢网作为电芬顿反应的阳极，能缓慢释放电芬顿反应所需的铁离子，减少电化学反应的副产物；由于不锈钢网本身具有导电性佳及较高的比表面积，能有效提高反应效率，降低废水处理成本。同时，采用程控电源定时转换阴阳极方向，有效延长了电极的使用寿命，能应用于广泛pH值的废水处理之中。
具体实施方式
本发明提供了一种廉价而高效的有机废水的电芬顿处理方法。该方法将市售不锈钢网作为电化学反应的阴阳极，反应过程中作为阳极的不锈钢网可相对于其它铁质材料可以缓慢释放出亚铁离子，该亚铁与阴极产生的过氧化氢产生高效的芬顿催化剂(氢氧自由基)，相对于直接采用不锈钢板和铁作为阳极的反应，产生的污泥量更少。不锈钢网柔软可以加工成各种形状的电极，便于实际应用；而且此反应阴阳极同质，通过程控电源即可轻松控制正负极的方向，增加电极的使用寿命。
该水处理方法能应用于废水酸碱度pH值介于2～8的的废水处理中，可适当加入电解质，并调节电解质浓度为0.1g/L～20g/L，并在废水中通入氧气，阴阳极接通程控电源后即可基于电芬顿反应进行废水处理。
该不锈钢网可以为多种目数，其材质选择可以包括0Cr18Ni9、0Cr19Ni10、0Cr25Ni20及0Cr17Ni12Mo2等；而且该不锈钢网的阴阳两极可以根据实际废水处理装置情况加工成任意所需形状。
上述电解质可以是硫酸盐或者盐酸盐。通过优化，可以加入活性炭、TiO2/C纳米复合材料等多种导电材料，同时提高装置的整体催化降解效率。
下面通过具体的实施例，详述本发明的技术特征和优点。
将阴极板和阳极板以一定间距固定在500mL的反应器中，在阴阳极板间通入空气，阴阳极板间距2cm左右，同时连接好电源线路。将pH2～pH8左右的含一定浓度有机物的废水注入反应器中，加入一定量的支持电解质。开启曝气装置，接入直流电源，通过调节直流电源的输入电压和电流强度，使反应得以进行，达到最佳处理效果。
实施例1
处理浓度为40mg/L，体积为300mL的次甲基蓝和刚果红有机染料水溶液，未调节体系的pH值，其中次甲基蓝水溶液pH6.35，刚果红水溶液pH6.97。阳极和阴极为40目牌号为SUS 304的不锈钢网。调节硫酸钠电解质的浓度为3g/L，通入空气进行曝气。接通直流电源控制电流为0.6A，计时反应。处理效果见表1
  时间(h)   1   2
  次甲基蓝(去除率)   92％   99.7％
  刚果红(去除率)   84.8％   95.5％
表1
从实施例1可以看出，在中性pH左右，此电芬顿反应对有机废水就可以进行高效处理，效果明显。
实施例2
处理浓度为20mg/L，体积为300mL的次甲基蓝水溶液，分别考察调节与未调节体系pH的反应效果，未调时本征pH6.50，用盐酸溶液调节体系的pH3.00；阳极和阴极为80目牌号为SUS 304的不锈钢网。调节硫酸钠电解质的浓度为3g/L，通入空气进行曝气。接通直流电源控制电流为0.3A，计时反应。处理效果见表2
  时间(h)   1   2
  次甲基蓝pH6.50(去除率)   66.5％   92.8％
  次甲基蓝pH3.00(去除率)   99.8％
表2
从实施例2可以看出，在酸性pH条件下，电化学反应的效率更高，这是因为酸性pH下芬顿反应的氢氧自由基反应占主导地位，而中性pH下，主要是絮凝沉淀作用。
实施例3
处理浓度为40mg/L，体积为300mL的次甲基蓝水溶液，分别考察采用不同目数的不锈钢网和不锈钢板作为反应阴阳极的效果。未调节体系的pH。调节硫酸钠电解质的浓度为3g/L，通入空气进行曝气，计时反应，处理效果详见
表3
  时间(h)   1   2
  次甲基蓝(去除率)电极：目数为40目的不锈钢网   80％   94.5％
  次甲基蓝(去除率)电极：目数为80目的不锈钢网   95％   99.4％
  次甲基蓝(去除率)电极：不锈钢板   72.3％   95％
表3
从实施例3可看出，随着不锈钢网目数的提高，有机物的去除效率提高，且观察到的副产物黄色沉淀比较少。如果采用不锈钢板做阴阳极，很快便可以观察到大量的黄色絮状沉淀，说明副产物非常多，这不利于实际污水处理。

Claims (5)

1.基于电芬顿反应的废水处理方法，对废水中含铁元素的电极施加电源，电极本身的铁元素失去电子形成亚铁离子，而在废水中的溶解氧在不锈钢阴极表面还原产生过氧化氢，过氧化氢与水中的亚铁离子反应产生氢氧自由基氧化降解废水中的有机物，其特征在于：所述废水处理方法采用不锈钢网作为电化学反应的阴阳两极，且所施加到阴阳两极上的电源采用可切换正负极方向的电源。
2.根据权利要求1所述的基于电芬顿反应的废水处理方法，其特征在于：所述电芬顿反应的液态环境酸碱度为pH值介于2～8之间，在pH值介于2～5的酸性环境下，所述电芬顿反应以氢氧自由基氧化降解有机物为主；而在中性的废水中，反应机理为絮凝沉淀机理。
3.根据权利要求1所述的基于电芬顿反应的废水处理方法，其特征在于：所述电芬顿反应的液态环境中实时注有氧气。
4.根据权利要求1所述的基于电芬顿反应的废水处理方法，其特征在于：所述电源至少包括直流电源、高压脉冲电源或方波电源。
5.根据权利要求1所述的基于电芬顿反应的废水处理方法，其特征在于：所述不锈钢网的阴阳两极可加工成任意所需形状。
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