CN102205996A - 一种分室电解废水装置及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于电解反应器技术领域，具体涉及一种分室电解废水装置。该分室电解废水装置包括电解室外壳，阴、阳电极组，离子交换的隔膜，设置有废水进水口和排污口的底座，排水装置设置在电解室的上部，离子交换的隔膜厚度0.2-4mm，并将电解池分为阴、阳两个电解室，阴、阳电极组由金属丝网或带孔金属板紧密排列组成，并分别紧密设置在隔膜两侧，电极组与外部的稳压直流电源相连。由于采用了分室电解，避免了被还原的物质又被氧化成原物质，浪费电能。因隔膜厚度小，电极平板设置紧密，使得电极间的电阻显著减小，因而耗电量显著降低。由多个电极板紧密排列组成的电极组，使得反应面积显著增加，提高了电解效率。

Description

一种分室电解废水装置及其应用

技术领域

本发明属于电解反应器技术领域，具体涉及一种分室电解废水装置及其应用。

背景技术

有机电合成是一门涉及电化学、有机合成及化学工程的交叉学科。有机电合成被称为“古老的方法，崭新的技术”。有机电化学合成是有机电合成与电化学技术相结合的一门边缘学科，广泛应用于染料、药物、农药、香料、有机试剂、氨基酸等精细化学品及有机中间体的合成。电解氧化是有机电合成的重要方法，该方法在处理废水中具有无需添加氧化剂，氧化有机物彻底，无二次污染，设备体积小，占地面积少，操作简便灵活等优点。电解氧化的机理分为直接氧化和间接氧化。直接电解氧化是直接利用阳极的高电位，通过直接的电子转移氧化溶液中的有机或无机化合物。间接氧化主要是通过电极的作用产生羟基自由基等活性基团，这些活性基团再氧化水体中的有机物。

中国专利ZL00132781.X公开了一种催化电解废水处理装置，包括直流电源、反应装置体、正负电极、进水口、出水管和催化剂，其特征在于，电解装置的底部为“V”型，在底部有一进气口，或者进气口与进水口为一体，在进气口上部有一导流板，导流板呈弧形弯曲，弯曲弧度为0-90度，导流板下缘从反应装置底部的进气口上方开始延伸，并且导流板的下缘与槽体之间有一空隙，导流板从反应装置底部的进气口上方沿与出水管一侧相反的方向开始延伸，至反应装置的上部。这种气体导流作用下的催化剂定向流动，增加催化剂的利用率，降低反应的能耗。该发明在电解槽中采用了催化剂，并通入氧气或空气加速氧化废水中有机物的作用。但是其缺点也是显而易见的。使用催化剂必然增加处理废水的成本。由于在电解槽中直接通入气体，使电解液中充满大量气泡，并将增加电解槽的电阻，耗电量将提高。

火炸药工业对环境造成的污染，包括物理性的和化学性的两方面。就化学性污染而言，火炸药工业排放出的化学污染物与某些化学工业比较并不算多，但是若不采取适当的防治措施，将对局部环境造成严重的损害。有些排放物虽然量不是很大，但是却是火 炸药工业特有的，其中不乏高毒性物质，甚至致癌物质，致畸性物质或者致突变物质，都是不容忽视的。此外，由于TNT生产工艺的限制，火炸药工业还造成大量的酸污染、热污染和废气污染等等。由于混酸硝化是制备TNT的必需环节，TNT工业造成的酸污染尤其严重，这部分酸和TNT都主要以废水的形式排放，如果不经过治理，会对环境造成严重污染。

三硝基甲苯工业水污染物一级排放标准规定：当水体稀释倍数≥10，总硝基化合物(以2，4-二硝基甲苯和α-三硝基甲苯计)容许排放浓度为5.0mg·L^-1；稀释倍数＜10，容许排放浓度仅为0.5mg/L。

二硝基甲苯(简称DNT)，作为多种化工产品的重要中间体，广泛的应用于医药、染料、炸药以及高分子材料工业中。在二硝基甲苯的制备和精制洗涤过程中，会产生大量的呈碱性有机废水，又称DNT废水，该废水成分异常复杂，废水含有的硝基化合物结构稳定，具有致癌性、生物毒性，且在降解过程中很易产生其它毒性更大的中间产物。鉴于这些问题，国家对DNT碱性废水有着严格的排放标准，规定废水中硝基苯类化合物的含量不得超过5.0mg/L。

常用处理方法包括焚烧法、臭氧氧化法、吸附法、液膜萃取法、絮凝法、超临界水氧化法和电解法。

焚烧法作为难降解有机废水的处理方法，最早被用于TNT碱性废水的处理中，DNT废水作为TNT废水的同类废水亦可用该法进行处理。从操作流程来讲，焚烧法工艺较为简单，设备容易实现，投资经济费用低，并已实现工业化。DNT废水含水量大，耗费燃料多。由于焚烧法存在在解决了硝基苯类污染物污染的同时，又会带来环境的二次污染(大气污染)问题，且存在排渣困难的问题，在一定程度上又限制了浓缩焚烧法的推广运用。

吸附法是指利用吸附剂吸附分离废水中污染物的方法。活性炭、大孔吸附树脂等固体颗粒，其表面有许多微孔，具有一定的吸附性能，特别是固体表面凹陷部位，具有很大的总表面积，吸附能力更强。在吸附剂吸附处理DNT碱性废水过程中，只是将污染物从水相转移到了固体相表面，吸附剂吸附饱和后必须进行再生(又称脱附)，然后对脱附下来的污染物作进一步处理，以免造成二次污染。目前应用最广的吸附剂是活性炭，它的吸附对象比较广泛，许多污染物都能被其吸附。但活性炭或大孔吸附树脂吸附处理 废水的成本较高。

在常见的氧化剂中，臭氧的氧化能力是比较强的。臭氧在水中很不稳定，它能分解成水中最强的氧化剂·OH，能和水中大部分有机物(以及部分无机物)发生反应。由于臭氧具有氧化能力强，反应速度快，降解率高，无二次污染，来源方便等优点，单独使用臭氧氧化法处理DNT废水是可行的，但该法生产臭氧耗电量大、且臭氧在水中的溶解度低，传统气液反应设备的传质效率低，使得臭氧利用率不高，运行费用增加。

由于DNT废水采用单一的处理方法，很难达到国家排放标准，必须将预处理后的废水利用微生物进行生物降解。在生物法处理废水处理方面的研究主要集中在好氧法和厌氧法两个方面。生物法处理TNT废水的优点是处理低浓度废水有好的效果，处理后可达到废水排放标准。缺点是废水的成分复杂，投加的菌种会大量死亡，导致菌种的浓度难以保证，也就不能有效降解污染物；菌种存在退化问题，降解效率会降低。

液膜萃取法的原理：利用膜技术及萃取技术来进行废水处理的方法，此膜是一种疏水膜，不易吸附水分子，而对有机分子有很强的吸附作用。利用膜的这种特性对DNT分子进行吸附，吸附后的DNT分子到了膜孔和膜壁中，膜的另一侧流动的是另一种对DNT具有高溶性的有机溶剂，从而对DNT进行了萃取。虽然该法简单易行，但萃取剂还会带来二次污染，因此限制了该法的应用。

近年来，絮凝法作为一种新型的废水处理技术，被广泛的应用于水处理中，利用新的高效絮凝剂处理红水，先调节pH值，搅拌条件下加入一定浓度的第四代PAMAM树形高分子溶液进行混凝，处理后废水达国家二级排放标准。虽然絮凝剂的用量很少，去除率很高。但大多数的絮凝剂，由于其只能处理特定的废水，没有一定的广谱性，故又限制了其应用，且成本高。此外，絮凝技术只是将污染物沉降下来，污染物没有被直接降解，需要再经过后续处理。

超临界水氧化技术是利用超临界水的特性逐渐发展起来的一种新兴废物处理技术，是20世纪以来最受关注的废水处理新技术之一。但超临界水氧化法投入产业化应用尚有技术问题有待解决，该方法存在处理能力小、能耗高、反应条件苛刻(高温、高压)等问题，严重制约着该法的实际应用。

电化学方法作为一种环境友好技术，近年来在环境污染治理方面越来越受到人们的重视。从20世纪80年代以来，随着人们对环境科学认识的不断深入和对环保要求的日 益提高，又因为电解法水处理技术具有其他处理方法难以比拟的优点，引起了广大环保科研者的很大兴趣。电解法以其处理效率高，设备简单，操作方便，易于自动控制，不易产生二次污染，与环境兼容性好等优点为广大专家学者所重视，成为高浓度、难降解工业废水研究中的热点。电化学法处理废水一般无需很多化学药品，后处理简单，占地面积小，管理方便，污泥量很少，被称为清洁处理法。

微电解法是利用金属腐蚀原理，铁屑在水溶液中与碳形成微小原电池，通过电极反应来处理废水中的有机物，相当于电解过程。该法对有机物处理效果好、操作简便、不消耗能源等特点，能将大部分的硝基化合物胺化，部分苯环开环，降解虽不彻底，但可提高高浓度硝基苯类废水的可生化性，与其它处理方法相结合可以达到较好的效果。采用微电解一混凝沉淀工艺对间二硝基苯生产废水进行预处理。经处理后，废水中硝基苯的去除率可达到70％以上。

浓缩焚烧法、吸附法、臭氧氧化法以及生物法等常规DNT废水处理方法在工业上已有所应用，而液膜萃取法、絮凝法、超临界水氧化法和微电解法等方法仍处于实验室研究阶段，还没有在工业上应用的实例。针对现如今DNT废水处理方面出现的处理效率低、处理不彻底、费用高等问题来说，以处理效率和经济成本核算为依据，选择适宜的处理方法，优化工艺，提高DNT废水处理效率与经济的最优化至关重要。

发明内容

本发明的目的是提供一种分室电解废水装置及其应，该装置可降低电解过程中的耗电量，同时可加速有机物的氧化过程，提高氧化效率。

该分室电解废水装置包括：电解室外壳(5)，阴、阳电极组(4)(10)，阴阳极间设有可进行离子交换的隔膜(3)，设置有废水进水口(7)和排污口(8)的底座(6)，排水装置设置在电解室的上部，离子交换的隔膜厚度0.2-4mm，并将电解池分为阴、阳两个电解室，阴、阳电极组由金属丝网或带孔金属板紧密排列组成，并分别将阴、阳电极组其中一侧的平板紧密设置在隔膜两侧，电极组与外部的稳压直流电源相连。阴阳极间设有可进行离子交换的隔膜为石棉布、电解石棉膜、改性电解石棉膜、合成微孔塑料膜或复合膜。组成阴、阳电极组的金属丝网或带孔金属板为不锈钢、碳钢或金属钛。排水装置为溢流装置(1)，由隔板(9)分成阴、阳电解室排水，并由排水管(2)(10)分别排出。由电解室外壳(5)，阴、阳电极组(4)(11)，阴阳极间设有可进行离子交 换的隔膜(3)组成的电解室单元可竖直排列多组。

该分室电解废水装置的应用方法，包括以下步骤：

a.调节废水的pH至6-10左右，最好调节至8-9，并使中硫酸钠含量达到0.005-0.02mol/L，最好达到0.01mol/L左右；

b.如有不溶悬浮物，需经沉降或过滤除去；

c.经进水管进入阳极电解室，经出水管在引入阴极电解室；

d.电解室充满水后，电极组电压由稳压直流电源控制在1.5-3.0V，最好控制在1.6-2.0V；

e.初始废水因未完全电解经回流管路，应返回阳极电解室，稳定后的流出水可进入活性污泥处理装置进行进一步处理。

本发明的优点是，由于采用了分室电解，使在电解过程中发生的氧化还原反应分别在阳极和阴极室进行，避免了被还原的物质又被氧化成原物质，或被氧化的物质又被还原成原物质，导致无用反应，浪费电能。使用时可根据不同的废水，采用先进阴极室或进阳极室再进阳极室或阴极室进行电解废水处理。因离子交换的隔膜厚度小，阴、阳电极组其中一侧的平板紧密设置在隔膜两侧，使得电极间的电阻比现有的电解废水装置显著减小，因而耗电量显著降低。由于阴、阳电极组由多个金属丝网或带孔金属板紧密排列组成，且电解室单元可竖直排列多组，使得废水与电极接触面积显著增加，提高了电解效率。

附图说明

图1是发明提供的一种分室电解废水装置。

图2是发明提供的一种多组电解室单元的分室电解废水装置。

图中：1溢流装置，2阴极室排水管，3隔膜，4阴极电极组，5电解室外壳，电解室底座，7废水进水口，8排污口，9溢流槽隔板，10阳极室排水管，11阳极电极组。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步地详细描述。

实施例1。

如图1所示一种分室电解废水装置，该分室电解废水装置包括：电解室外壳(5)，阴、阳电极组(4)(10)，阴阳极间设有可进行离子交换的隔膜(3)，设置有废水进水口(7)和排污口(8)的底座(6)。电解室外壳为碳钢骨架外覆玻璃钢，隔膜采用石棉布，厚度为1.5mm，应高于电解室外壳，固定于电解室壳内，将电解室分割成阴、阳极两个室，使两室废水不能自由流动。电极由10目的304不锈钢丝网制成，钢丝直径为0.6mm，孔径为1.9mm，每片电极长×宽为0.5×0.5m，阴、阳电极组分别由35片304不锈钢丝网组成，每片极板均在下部中间均与一根电流分配用的铜线连接，外径为2mm。将阴、阳电极组安装固定在隔膜两侧，面向隔膜的电极板应紧密靠近隔膜，没有间隙，分配电流的铜线引出电解室外壳，并做好密封，电极的分配电流的铜线与外部的稳压直流电源相连，给电极组供电。电解室外壳内侧长×宽×高为1.10×0.55×0.60m，其上部外侧设置高为0.20m、宽为0.1m的溢流槽，槽底部低于电解室外壳顶部0.1m，并设置引水管导出溢流处的废水。电解池底座为碳钢骨架外覆玻璃钢，V型结构，呈锥状，高约0.5m，锥顶设置带有阀门的排污管，内径大于15cm，在靠近底座上沿部设置废水进水口，进水口分别伸至阴极和阳极室中部。

采用上述分室电解废水装置处理辽阳国营375厂DNT生产车间的废水，步骤如下：

a.调节废水的pH至8-9，并使中硫酸钠含量达到0.01mol/L左右；

b.过滤除去不溶的悬浮物；

c.经进水管进入阳极电解室，经出水管在引入阴极电解室；

d.电解室充满水后，电极组电压由稳压直流电源控制在1.8-2.0V；

e.初始废水因未完全电解经回流管路，应返回阳极电解室，稳定后的流出水进入活性污泥处理装置进行进一步处理。

废水中的硝基甲苯化合物去除率达到100％(以DNT计)，电解后的废水可以进行活性污泥法的生化处理，不影响微生物的生长。

实施例2。

与实施例1不同的是：隔膜采用石棉布，厚度为4mm，电极由7目的钛丝网制成，由20片组成电极组，电解室上部排水采用直接设置的排水管排水。

电解步骤中a.调节废水的pH至9-10，并使中硫酸钠含量达到0.02mol/L左右；d.电极组电压控制在2.8-3.0V。

废水中的硝基甲苯化合物去除率达到100％(以DNT计)，电解后的废水可以进行活性污泥法的生化处理，不影响微生物的生长。

实施例3。

与实施例1不同的是：隔膜采用电解石棉膜，厚度为0.5mm，电极由厚度为1.5mm的钛基网状电极制成，由28片组成电极组。

电解步骤中a.调节废水的pH至6-7左右，并使中硫酸钠含量达到0.005mol/L左右；d.电极组电压控制在2.5-2.8V。

废水中的硝基甲苯化合物去除率达到100％(以DNT计)，电解后的废水可以进行活性污泥法的生化处理，不影响微生物的生长。

实施例4。

与实施例1不同的是：隔膜采用改性电解石棉膜，厚度为0.2mm，电极由厚度为2.0mm的碳钢网状电极制成，由28片组成电极组。

电解步骤中a.调节废水的pH至7左右，并使中硫酸钠含量达到0.015mol/L左右；d.电极组电压控制在1.6-1.8V。

废水中的硝基甲苯化合物去除率达到100％(以DNT计)，电解后的废水可以进行活性污泥法的生化处理，不影响微生物的生长。

实施例5。

与实施例1不同的是：如图2所示，在原电解室和底座间增加一个由电解室外壳(5)，阴、阳电极组(4)(11)，隔膜(3)组成的电解室单元，其内腔连通，中间无隔板，但每单元内的电极组分别固定在本电解室单元内，并单独在用并联方式供电，使其每个单元内电极组的电压相同并恒定。隔膜采用电解用石棉膜布，厚度为1.5mm，电极由厚度为1.0mm的不锈钢网状电极制成，由30片组成电极组。

电解步骤中a.调节废水的pH至8左右，并使中硫酸钠含量达到0.01mol/L左右；d.电极组电压控制在1.7-1.9V。

废水中的硝基甲苯化合物去除率达到100％(以DNT计)，电解后的废水可以进行活性污泥法的生化处理，不影响微生物的生长。

Claims (8)

1.一种分室电解废水装置，包括电解室外壳(5)，阴、阳电极组(4)(11)，阴阳极间设有可进行离子交换的隔膜(3)，设置有废水进水口(7)和排污口(8)的底座(6)，排水装置设置在电解室的上部，离子交换的隔膜厚度为0.2-4mm，并将电解池分为阴、阳两个电解室，阴、阳电极组由金属丝网或带孔金属板紧密排列组成，并分别将阴、阳电极组其中一侧的平板紧密设置在隔膜两侧，电极组与外部的稳压直流电源相连。

2.根据权利要求1所述的分窒电解废水装置，其特征在于阴阳极间设有可进行离子交换的隔膜为石棉布、电解石棉膜、改性电解石棉膜、合成微孔塑料膜或复合膜。

3.根据权利要求1所述的分室电解废水装置，其特征在于组成阴、阳电极组的金属丝网或带孔金属板为不锈钢、碳钢或金属钛。

4.根据权利要求1所述的分室电解废水装置，其特征在于排水装置为溢流装置(1)，由隔板(9)分成阴、阳电解室排水，并由排水管(2)(10)分别排出。

5.根据权利要求1所述的分室电解废水装置，其特征在于由电解室外壳(5)，阴、阳电极组(4)(11)，阴阳极间设有可进行离子交换的隔膜(3)组成的电解室单元可竖直排列多组。

6.根据权利要求1所述的分室电解废水装置的应用方法，包括以下步骤：

a.调节废水的pH至6-10左右，并使中硫酸钠含量达到0.005-0.02mol/L；

b.如有不溶悬浮物，需经沉降或过滤除去；

c.经进水管进入阳极电解室，经出水管在引入阴极电解室；

d.电解室充满水后，电极组电压由稳压直流电源控制在1.5-3.0V；

e.初始废水因未完全电解经回流管路，应返回阳极电解室，稳定后的流出水可进入活性污泥处理装置进行进一步处理。

7.根据权利要求6所述的分室电解废水装置的应用方法，其特征在于步骤a.调节废水的pH至8-9，并使中硫酸钠含量达到0.01mol/L左右。

8.根据权利要求6所述的分窒电解废水装置的应用方法，其特征在于步骤d.电解室充满水后，电极组电压由稳压直流电源控制在1.6-2.0V。

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