CN101891285B

CN101891285B - 一种用于处理苯酚废水的装置及其方法

Info

Publication number: CN101891285B
Application number: CN2010102223082A
Authority: CN
Inventors: 倪晋仁; 朱秀萍; 魏俊俊
Original assignee: Peking University
Current assignee: Peking University Science And Technology Development Department
Priority date: 2010-07-09
Filing date: 2010-07-09
Publication date: 2011-11-02
Anticipated expiration: 2030-07-09
Also published as: CN101891285A

Abstract

本发明涉及废水处理的装置及其方法，属于废水处理技术领域，是以大面积掺硼金刚石膜(BDD)电极为阳极，通过电化学氧化法处理苯酚废水的技术及装置。详细装置及其方法详见说明书。本发明优点是：装置结构紧凑合理，解决了大型电化学反应器的传质、热扩散和导电等问题。用于处理COD为530mg L^-1的苯酚废水，经过3.19h可将废水处理达到国家排放标准(COD＜150mg L^-1)，能量消耗仅为56.94kWh m^-3，处理量可达225Ld^-1，具有处理效果好、能耗低、处理量大和运行稳定等特点。因此，该技术和装置在难降解有机废水处理领域具有广阔的应用前景。

Description

一种用于处理苯酚废水的装置及其方法

技术领域

本发明涉及处理废水的装置及其方法，属于废水处理技术领域，具体涉及一种以大面积掺硼金刚石膜BDD电极为阳极通过电化学氧化法处理苯酚废水的装置及其方法。

背景技术

许多工业过程，如农药、杀虫剂、染料、医药、塑料、清洁剂等生产过程，都产生含有各种难降解有机污染物的废水，这些难降解有机污染物通常是毒性很大的物质，如苯酚类、甲酚类、硝基苯类、苯胺类、氯代苯类、多氯联苯、多环芳烃类等。含有这些难降解有机污染物的有机废水具有如下的特点：有机物含量高、色度高、毒性强、盐度高、pH变化幅度大、成分复杂、氨氮含量高、微生物营养元素比例严重失调、可生化性差。采用常规物理、化学、生物方法处理这类废水，难以满足净化处理在技术和经济上的要求，相关处理技术的开发是目前水处理领域的研究热点和难点。

电化学氧化技术是以电子为氧化剂，不需另外添加氧化还原剂，产生的自由基无选择地直接与废水中的有机污染物反应，将其降解为二氧化碳、水和简单有机物，没有或很少产生二次污染，是一种氧化能力较强、可控性很好、反应条件温和、设备及其操作较为简单的“环境友好”技术(Environmental Friendly Technology)，在难降解有机废水处理方面极具潜力。

对于电化学氧化技术电极材料非常重要，影响着电化学氧化过程的效果和效率。BDD电极是目前研究表明电化学性能最好且最为稳定的电极材料，它具有如下一些独特的优点：①析氧电势高，有利于·OH等具有强氧化能力的活性中间体生成，从而具有较高的电流效率和较强的氧化能力；②化学性能稳定，不会释放有毒有害物质；③吸附性小，不易被污染，且具有“自洁净”能力；④耐腐蚀能力强，因此使用寿命长。

此外，对于电化学氧化技术电化学反应器的合理设计也是提高电流效率和降低成本的一个重要途径。在发生直接电化学氧化时，污染物只有传质到电极的表面，才能被氧化降解；而间接电化学氧化时，高效率的处理只有在污染物与电化学产生的强氧化剂充分混合的条件下才能实现。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足之处，而提供一种高效的处理难降解有机苯酚废水的装置及其方法。

本发明目的是通过如下措施来实现：该处理方法是以面积达2904cm²的掺硼金刚石膜BDD电极为阳极，相同大小的不锈钢为阴极，BDD阳极和不锈钢阴极平行地置于电化学反应器中，电极间距为1.55cm，通过电化学氧化法处理苯酚废水；

处理苯酚废水装置：该装置包括恒流稳压电源、电化学反应器、恒流泵和储水池；其中：电化学反应器主要包括外壳和主体两个部分；

外壳主要起固定主体、保护主体和绝缘作用；骨架为铸铁，底部装有四个轮子，便于反应器的移动；前后左右及上面用木板绝缘；前后木板上各装两个风扇，有利于热扩散；左侧木板上开两个孔作为电极导线的出口，后面木板上开两口，一个为风扇导线的出口，另一个为出水管的出口，风扇开关安装在右侧木板；

主体为平板状，由两块绝缘板、两根铜导线、BDD阳极和不锈钢阴极、二个密封垫和一个聚四氟乙烯框压在一起构成；四周用铸铁夹密封，面上再用三对铸铁条加固，前后的铸铁通过两端的螺栓固定；绝缘板上开许多通风口以便热扩散；聚四氟乙烯框上下各开三个进水口和出水口；

所述的电化学反应器为平板式的密闭体系，有利于传质过程；

通过安装风扇和打孔的方式有效地改善了电化学反应器热扩散的问题；

所述的电化学反应器采用铜导线内置的方式来有效导电和通过添加绝缘板来有效防止漏电；

用于处理苯酚废水的装置的方法为电化学氧化法，运行条件为流速1～4L min^-1、废水体积/阳极面积(V/A)6.89～13.77cm和电流密度15～30mA cm^-2。

电化学氧化法优选运行条件为流速4L min^-1、V/A 10.33cm和电流密度20mA cm^-2；处理苯酚废水，经过3.19h可达到国家排放标准COD＜150mg L^-1，能量消耗仅为56.94kWhm^-3，处理量可达225Ld^-1。

电化学氧化处理过程中，苯酚废水通过恒流泵以一定的流速从储水池流入电化学反应器，恒流稳压电源向电化学反应器提供一定的电流电压，在BDD阳极表面将产生羟基自由基(·OH)等强氧化剂，可有效去除废水中的有机污染物，处理后的水从反应器的上部流入储水池中，如此循环一段时间即可将废水处理到国家排放标准或者将废水中的有机污染物完全去除。每隔一段时间从储水池中取样分析COD的变化情况，并通过下式计算得到该过程的单位能量消耗：

E_sp＝UIt/V

其中，E_sp为能量消耗(kWhm^-3)，U为电压(V)，I为电流(A)，t为电解时间(h)，V为废水体积(L)。

本发明与现有技术相比具有如下优点：以面积达2904cm²的BDD电极为阳极，相同大小的不锈钢为阴极，构建了一个平板式大电化学反应器，装置结构紧凑合理，有效地解决了传质、热扩散和导电等问题，用于处理苯酚废水，具有处理效果好、能耗低、处理量大和运行稳定等特点。

附图说明

图1本发明的处理苯酚废水装置示意图

图2本发明的电化学反应器主体正面示意图

图3本发明的电化学反应器主体侧面示意图

图4本发明的绝缘板示意图

图5本发明的聚四氟乙烯框示意图

图中数字说明：1为恒流稳压电源，2为电化学反应器，3为恒流泵，4为储水池，5为轮子，6为风扇，7为电极导线出口，8为风扇导线出口，9为出水管出口，10为风扇开关，11为进水口，12为出水口，13为通风口，14为铸铁夹，15为铸铁条，16为螺栓，17和25为绝缘板，18和24为铜导线，19为BDD阳极，20和22为密封垫，21为聚四氟乙烯框，23为不锈钢阴极。

具体实施方式

下面列举3个实施例，对本发明专利作进一步的说明，但本发明不只限于这些实施例。

实施例1

处理苯酚废水，COD为530mg L^-1，电导率为5.53mS cm^-1。BDD阳极和不锈钢阴极的有效面积分别为2904cm²，电极间距为1.55cm。流速分别为1Lmin^-1、2Lmin^-1、3Lmin^-1和4Lmin^-1，V/A比为10.33cm，电流密度为20mA cm^-2，实验结果列于表1中。可以看到，随着流速的增加，COD的去除速率增大，但是当流速增至4L min^-1后，COD去除速率的增加就不是那么明显了，在此条件下电解3.19h，可将COD降到150mg L^-1，达到国家排放标准，而能量消耗仅为56.94kWh m^-3，处理量可达225L d^-1。

表1不同流速条件下电化学氧化处理苯酚废水过程中COD的变化情况

备注：电解时间的单位为h，COD的单位为mg L^-1，E_sp的单位为kWh m^-3。

实施例2

处理苯酚废水，COD为530mg L^-1，电导率为5.53mS cm^-1。BDD阳极和不锈钢阴极的有效面积分别为2904cm²，电极间距为1.55cm。流速为4L min^-1，V/A比分别为6.89cm、10.33cm和13.77cm，电流密度为20mA cm^-2，实验结果列于表2中。可以看到，V/A比越小，即废水水量越小，COD的去除速率越快，但是处理单位废水所需的能量并不是越低，这是因为处理量相应的减小了。如当V/A比为6.89时，将COD处理到100mg L^-1，虽然只需电解2.9h，但每天的处理量只有166L，处理单位废水的能量消耗为77.47kWh m^-3。而当V/A比为10.33时，将COD处理到100mg L^-1，虽然需要电解4h，但每天的处理量是180L，处理单位废水的能量消耗为71.15kWh m^-3。可见，V/A比为10.33比较合适，处理单位废水的能量消耗最低，每天的处理量最大。

表2不同V/A比条件下电化学氧化处理苯酚废水过程中COD的变化情况

备注：电解时间的单位为h，COD的单位为mg L^-1，E_sp的单位为kWhm^-3。

实施例3

处理苯酚废水，COD为530mg L^-1，电导率为5.53mS cm^-1。BDD阳极和不锈钢阴极的有效面积分别为2904cm²，电极间距为1.55cm。流速为4L min^-1，V/A比为10.33cm，电流密度分别为15mA cm^-2、20mA cm^-2、25mA cm^-2和30mA cm^-2，实验结果列于表3中。可以看到，随着电流密度的增加，COD去除率加快，但能量消耗增加。当电流密度大于20mA cm^-2时，电流密度的增加几乎对COD的去除率没有影响而能量消耗大大增加，这可能是由于电流密度增加导致析氧副反应的加强所致。当电流密度为15mAcm^-2时，能量消耗与20mAcm^-2时相当，但是由于COD的去除速率比较慢，将COD处理到100mg L^-1，需要电解5.69h，每天的处理量只有131L，而当电流密度为20mAcm^-2时，只需电解4h，每天的处理量是180L。可见，电流密度为20mA cm^-2比较合适。

表3不同电流密度条件下电化学氧化处理苯酚废水过程中COD的变化情况

Claims

1.一种用于处理苯酚废水的装置，其特征在于以面积达2904cm²的掺硼金刚石膜BDD电极为阳极，相同大小的不锈钢为阴极，BDD阳极和不锈钢阴极平行地置于电化学反应器中，电极间距为1.55cm，通过电化学氧化法处理苯酚废水；

处理苯酚废水装置：该装置包括恒流稳压电源(1)、电化学反应器(2)、恒流泵(3)和储水池(4)；其中：电化学反应器主要包括外壳和主体两个部分；

外壳主要起固定主体、保护主体和绝缘作用；骨架为铸铁，底部装有四个轮子(5)，便于反应器的移动；前后左右及上面用木板绝缘；前后木板上各装两个风扇(6)，有利于热扩散；左侧木板上开两个孔作为电极导线的出口(7)，后面木板上开两口，一个为风扇导线的出口(8)，另一个为出水管的出口(9)，风扇开关(10)安装在右侧木板；

主体为平板状，由绝缘板(17和25)、铜导线(18和24)、BDD阳极和不锈钢阴极(19和23)、密封垫(20和22)和聚四氟乙烯框(21)压在一起构成；四周用铸铁夹(14)密封，面上再用三对铸铁条(15)加固，前后的铸铁通过两端的螺栓(16)固定；绝缘板上开许多通风口(13)以便热扩散；聚四氟乙烯框上下各开三个进水口(11)和出水口(12)。

2.根据权利要求1所述的用于处理苯酚废水的装置，其特征在于电化学反应器为平板式的密闭体系，有利于传质过程。

3.根据权利要求1所述的用于处理苯酚废水的装置，其特征在于电化学反应器采用铜导线内置的方式来有效导电和通过添加绝缘板来有效防止漏电。

4.应用权利要求1所述的用于处理苯酚废水的装置的方法，其特征在于该方法为电化学氧化法，运行条件为流速4L·min^-1、废水体积/阳极面积10.33cm和电流密度20mAcm^-2；处理苯酚废水，经过3.19h可达到国家排放标准COD＜150mg L^-1，能量消耗仅为56.94kWhm^-3，处理量可达225L·d^-1。