CN101891331A - 活性炭吸附与电化学再生一体化处理装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种活性炭吸附与电化学再生一体化处理装置及其使用方法，其特征在于该装置设有填充颗粒活性炭的吸附柱，其中同时装有固定在吸附柱法兰上的等同微孔钛滤芯电极阵列，是融吸附过滤及电化学处理于一体的多功能水处理装置。流体流过时发生吸附和过滤，净化去除有机物、悬浮物和胶粒等杂质；施加与流场平行的电场，在电场力和水流曳力的耦合作用下，同时分解并移除活性炭表面及孔道中吸附的有机污染物和无机颗粒等杂质，抑制水垢生成并保持其净化功效，延长活性炭的寿命周期。解决其持续利用的瓶颈问题，降低持续利用成本和碳排放。

Description

活性炭吸附与电化学再生一体化处理装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及一种活性炭吸附与电化学再生一体化处理装置及其使用方法，尤其涉及一种水处理装置及持续使用方法。

背景技术

活性炭是一种具有发达孔隙结构、巨大比表面积和极强吸附能力的类似石墨结构的无定型炭。作为一种优良吸附剂，具有吸附能力强、化学稳定性好、力学强度高，被广泛应用于工业、交通、医药卫生、环境保护等领域。在食品工业的液相脱色、去除异味；工业用水处理，城市居民和工业废水处理，生活环境的空气净化、烟气脱硫等领域尤为普遍。活性炭作为多孔吸附材料的一种，经过脱色或吸附饱和后，其内部的孔隙结构被吸附质堵塞，从而丧失吸附能力。活性炭在水处理运行中使用量大、运行费用高，其费用往往占运行成本的30％～45％。用过的活性炭不经处理即行废弃，不仅对资源是很大的浪费，还将造成二次污染，产生大量的碳排放，极大地限制了活性炭的应用范围。因此，国内外对废活性炭的再生都很重视，是一项研究已久而又具有应用意义的课题。

所谓活性炭的再生，是指运用物理、化学或生物化学等方法对吸附饱和后失去活性的炭进行处理，恢复其吸附性能，达到重复使用的目的。目前国内外已经成型或基本成型的活性炭再生方法主要有热再生法、溶剂再生法、生物再生法、电化学再生法和超临界流体再生法等。其中热再生以去除有机物效率高，再生时间短等优点成为目前工业上应用最为广泛的活性炭再生方法。但热再生过程中炭损失比较大，能耗高，不能去除无机污染物，活性炭再生后机械强度有所下降，比表面积减小。而且热再生所需设备较为复杂，运转费用较高，不易小型化。

电化学再生是一种正在研究的新型活性炭再生技术，该方法将活性炭填充在两个主电极之间，在电解液中，加以直流电场，活性炭在电场作用下极化，一端呈阳极，另一端呈阴极，可分别发生还原反应和氧化反应，吸附在活性炭上的污染物大部分因此而分解，小部分因电泳力作用发生脱附。多数电化学再生操作在间歇搅拌槽电化学反应器中进行，该方法具有操作简便、再生过程炭损少、能去除无机污染物、处理对象所受局限性较小等优点。但活性炭需经导出、再生、清洗、回装等繁琐运转操作，且所用支持电解质也存在二次污染问题。导致其所产生的积极效果大打折扣，成为普及推广的障碍。

发明内容

本发明的目的在于，提出一种活性炭吸附与电化学再生一体化处理装置及其使用方法，其实质是融吸附过滤及电化学处理技术于一体的多功能水处理装置。

本发明的技术解决方案是这样实现的：

一种活性炭吸附与电化学再生一体化处理装置，其特征在于：该装置中设有填充活性炭的吸附柱，其中同时装有固定于吸附柱法兰上的等同微孔钛滤芯电极阵列。

所述的等同微孔钛滤芯电极阵列为等同微孔钛滤芯流过式电极，其阵列由三只阳极和三只阴极组成，并按等边三角形交叉排布。

一种活性炭吸附与电化学再生一体化处理装置的使用方法，其特征在于包括下述步骤：

(1)首先，将颗粒活性炭填充到装有等同微孔钛滤芯电极阵列的吸附柱(5)中，启动水泵单股输入待处理的微污染水，通过活性炭吸附和过滤去除有机物和余氯，其次待活性炭吸附饱和后，将阴极和阳极与直流电源的相应电极连接，施加适当强度的电场和阳极出水循环工艺，再生活性炭后循环使用；

(2)用于污水处理时，需依据待处理水的特性及处理要求，选择施加电场强度、阳极出水回流比及水力停留时间等参数。

(3)施加与流场一致的平行电场，其电场强度为0.1～1V/mm，表观电流密度为10～80A/m²。

与现有技术相比较，本发明的积极效果在于：

1、延长活性炭的寿命周期；降低运行成本和碳排放。

2、赋予一体化处理装置杀菌和浅度脱盐功效，拓宽了适用范围。

3、提供了一种活性炭和钛滤芯的原位再生清洗方法，不需另外设备和化学药剂。

附图说明

本发明有附图4幅，其中：

图1是本发明装置的外部结构示意图；

图2是图1的A-A剖视图；

图3是图1的B-B剖视图；

图4是本发明的污水处理工艺过程示意图。

图中：1、阴极水出口，2、阴极集水封头，3、阴极固定法兰，4、阴极，5、吸附柱外壳，6、进水口，7、活性炭，8、阳极，9、阳极固定法兰，10阳极水出口。

具体实施方式

如图1～图4所示的一种活性炭吸附与电化学再生一体化处理装置，其特征在于该装置中设有填充颗粒活性炭的吸附柱5，其中同时装有是固定于吸附柱法兰上的等同微孔钛滤芯电阴阵列4。作为一种优先选择的方案，可选用等同微孔钛滤芯流过式电极阵列，其阵列由三只阴极和三只阳极组成，并按等边三角形交叉排布。当待处理水通过该装置时，活性炭依据吸附和深床过滤作用富集去除有机物、悬浮物和胶粒等杂质。施加与流场平行电场，使活性炭颗粒极化，形成局部微电解，可分别发生氧化和还原反应，吸附在活性炭上杂质大部分因此而分解成水溶性或完全矿化。并在电场力和水流曳力的耦合作用下，脱离活性炭表面及孔道使其吸附净化能力保持动态平衡。带负电荷的Cl^-及有机污染物在直流电场作用下向阳极方向运动，并在阳极表面发生进一步直接或间接氧化降解，生成Cl₂及CO₂。这些生成物在压力驱动下流过阳极，不仅避免了电解过程中间物脱离电极时的电流降低和传质阻碍，并完全消除其被阴极还原的不利反应，使这些中间物的间接氧化作用在阳极滤芯内部及后续应用中得到充分发挥。从而使阳极出水的pH值低于原水，Cl^-和HClO浓度显著高于原水。

本发明的技术方案是待处理水单股输入，通过滤芯电极分流为碱性阴极出水和酸性阳极出水，其中部分阳极出水进行回流以改善净化和杀菌效果，并起支持电解质与防止无机水垢形成及堵塞的作用。

本发明的杀菌机制为电场和电极的协同作用。Zimmermann于1986年提出的“细胞膜机械压缩理论”认为，细胞膜在电场作用下会产生膜电位，当电场强度超过细胞膜电位的某一临界值时，细胞膜会形成孔而被穿透，细胞质流失造成细胞死亡。本发明装置中所述电极为流过式，出水全部接触电极表面，使细菌触电死亡。

在电场力和水流曳力的耦合作用下，水合程度高的阳离子在直流电场作用下，带着其水合层向阴极方向运动，在穿过电极之间的活性炭时，并可拖动其微孔表面的部分扩散层(水合层)。Mg²⁺、Na⁺等阳离子并不电解，阴极表面主要是水分子放电：

               2H₂O+2e^-→H₂+2OH^-

在压力驱动下流过阴极，并带出阴极反应产生的OH^-和H₂，避免放电过程中产生气体覆盖在电极表面导致电流降低和传质阻碍。

因此阴极出水具有较高的pH值，与未回流部分的阳极水混合可产生浅度脱盐效果：

        Mg²⁺+2OH^-→Mg(OH)₂↓

        Ca(HCO₃)₂+2OH^-→CaCO₃↓+CO₃ ^2-+H₂O

本发明装置用于饮水处理时，采用分阶段运行工艺即净化处理时无需施加电场，通过活性炭吸附和过滤去除有机物、余氯等污染物，改善水质。活性炭吸附饱和后，将阴极4和阳极8与直流电源的阴、阳极连接，施加适当强度电场和阳极出水循环工艺，再生活性炭后循环使用。用于污水深度处理时，需依据待处理水的特性及处理要求，选择施加电场强度、回流比及水力停留时间等参数。用于酸性废水资源化时，需依据酸性废水的特性与循环使用要求，通过调控电压、阴、阳极出水比例提高阳极出水酸浓度和氧化电位，实现循环使用。当用于特种(高盐、难降解)废水处理时，需采用循环处理工艺，直至污染物转化为适于生物处理为止。

Claims (3)

1.一种活性炭吸附与电化学再生一体化处理装置，其特征在于：该装置中设有填充活性炭的吸附柱(5)，其中同时装有固定于吸附柱法兰上的等同微孔钛滤芯电极阵列(4)。

2.根据权利要求1所述的活性炭吸附与电化学再生一体化处理装置，其特征在于：所述的等同微孔钛滤芯电极阵列为等同微孔钛滤芯流过式电极，其阵列由三只阳极和三只阴极组成，并按等边三角形交叉排布。

3.一种活性炭吸附与电化学再生一体化处理装置的使用方法，其特征在于包括下述步骤：

(1)首先，将颗粒活性炭填充到装有等同微孔钛滤芯电极阵列的吸附柱(5)中，启动水泵单股输入待处理的微污染水，通过活性炭吸附和过滤去除有机物和余氯，其次待活性炭吸附饱和后，将阴极和阳极与直流电源的相应电极连接，施加适当强度的电场和阳极出水循环工艺，再生活性炭后循环使用；

(2)用于污水处理时，需依据待处理水的特性及处理要求，选择施加电场强度、阳极出水回流比及水力停留时间等参数。

(3)施加与流场一致的平行电场，其电场强度为0.1～1V/mm，表观电流密度为10～80A/m²。

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