CN102276088B - 串联电解池系统及利用其去除饮用水中溴酸盐的方法 - Google Patents
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Abstract
串联电解池系统及利用其去除饮用水中溴酸盐的方法，本发明涉及电解池系统及去除水中溴酸盐的方法。本发明解决了现有的减少溴酸盐生成的方法的降低系统处理能力、增加后处理程序，去除已生成溴酸盐的方法产生二次污染，去除溴酸盐的电化学方法电极材料贵、阴极不稳定的技术问题。本发明的串联电解池系统包括两个串联的电解池，电解池以石墨阴极，以碳毡作阳极，离子交换膜将电解池槽体分为阳极区和阴极区；方法：将待处理饮用水通入到第一电解池的阴极区中，反应后，阴极区的水通入第二电解池的阳极区，反应后，阳极区的水流出，完成去除饮用水中溴酸盐的过程。溴酸盐的去除率为75％～82％。本发明可用于处理饮用水。
Description
技术领域
本发明涉及电解池系统及去除水中溴酸盐的方法。
背景技术
溴酸盐是臭氧化副产物，是由于含有溴离子的原水在臭氧化工艺中被O3或OH·氧化生成HOBr和BrO·，然后HOBr和BrO·被O3或OH·进一步氧化生成BrO3 -。溴酸盐在国际上被定为2B级的潜在致癌物，WHO建议饮用水的最大溴酸盐含量25μg/L。美国环保局(USEPA)规定现阶段溴酸盐的最大污染水平(MCL)为10μg/L。我国自2007年7月开始实行的新《生活饮用水卫生标准》也首次规定饮用水中的溴酸盐不得超过10μg/L。在水处理中有两种方式来控制溴酸盐，即在生成之前控制条件使其生成量最小，在溴酸盐生成之后将其去除。目前采用减少溴酸盐生成最常见的技术是控制臭氧化条件。例如，降低pH值可以减少OH·的生成，从而减少与OH·反应生成BrO3 -的途径；降低臭氧投加量也是减少BrO3 -生成的有效方法，但是降低pH和减少臭氧投量会很大程度上影响其对有机物的氧化能力。加入氨氮也可以减少溴酸盐的生成，然而水中残留的过量氨氮会使加氯量增加，后续处理还需要去除氨氮；而去除已生成溴酸盐的有效方法包括混凝、过滤、紫外光降解、光催化降解、活性炭吸附，其中使用最广泛的是二价铁还原和活性炭处理。二价铁可以将BrO3 -还原成Br-，但是由于饮用水中对铁离子浓度有严格要求，规定不超过300μg/L，这种方法往往使水中铁离子超标。活性炭吸附可以很好的去除溴酸盐，但长期使用的活性炭会从颗粒活性炭过渡为生物活性炭，而生物活性炭对溴酸盐的去除效果大大下降。现有的去除溴酸盐的电化学方法是采用三氧化钼或二氧化钨做为电极材料，催化氧化去除溴酸盐。但是这些金属氧化物不仅价格贵，而且在阴极不稳定，所以用作水处理阴极中是很难实现的。
发明内容
本发明的是要解决现有的减少溴酸盐生成的方法的降低系统处理能力、增加后处理程序，去除已生成溴酸盐的方法产生二次污染，去除溴酸盐的电化学方法电极材料贵、阴极不稳定的技术问题，而提供串联电解池系统及利用其去除饮用水中溴酸盐的方法。
串联电解池系统包括第一电解池、第二电解池、第一水槽、第一水泵、第二水泵、中间水槽、第三水泵、第二水槽和气体收集装置；其中第一电解池包括第一电源、第一槽体、第一阳极、第一阴极和第一离子交换膜，以石墨作第一阴极，以碳毡作第一阳极，第一离子交换膜将第一槽体分为第一阳极区和第一阴极区，第一阴极、第一电源和第一阳极用第一钛丝导线连接，在第一阳极区的侧壁下部设有第一进水口，第一阳极区的侧壁上部设有第一出水口，在第一阴极区的侧壁下部设有第二进水口，第一阴极区的侧壁上部设有第二出水口；第二电解池包括第二电源、第二槽体、第二阳极、第二阴极和第二离子交换膜，以石墨作第二阴极，以碳毡作第二阳极，第二离子交换膜将第二槽体分为第二阳极区和第二阴极区，第二阴极、第二电源和第二阳极用第二钛丝导线连接，在第二阳极区的侧壁下部设有第三进水口，第二阳极区的侧壁上部设有第三出水口，在第二阳极区的上盖设有出气口，在第二阴极区的侧壁下部设有第四进水口，第二阴极区的侧壁上部设有第四出水口；第一水槽通过第一水泵与第一电解池的第一进水口连通；第一水槽经第二水泵与第二电解池的第四进水口连通；第一电解池的第一出水口与第二水槽连通；第二电解池的第四出水口与第二水槽连通；第一电解池的第二出水口与中间水槽的进水口连通，中间水槽的出水口经过第三水泵与第二电解池的第三进水口连通；第二电解池的出气口与气体收集装置连通。
利用上述的串联电解池系统去除饮用水中溴酸盐的方法按以下步骤进行：一、将待处理饮用水以2mL/min～50mL/min的速度由第一电解池的第二进水口通入到第一电解池的阴极区中，待处理水的溴离子浓度为0.1mg/L～2mg/L，同时将第一水槽内的去离子水由第一水泵通入到第一电解池的第一阳极区，然后施加1.3V～8V的电压，控制电流密度为1mA/cm2～5mA/cm2，第一阳极区的水排入第二水槽，第一阴极区的水排入中间水槽中；三、将中间水槽内的水以2mL/min～50mL/min速度由第三水泵经通入第二电解池的第二阳极区，同时将第一水槽内的去离子水由第二水泵通入第二电解池的第二阴极区，电源施加2V～20V的电压，控制电流密度为1mA/cm2～15mA/cm2，第二阴极区的水排入第二水槽，第二电解池的阳极区产生的气体由气体收集装置收集，第二阳极区的水流出，完成利用串联电解池去除饮用水中溴酸盐的过程。
本发明以两个电解池串联，电解池以比表面积大的碳毡为阳极，以电化学性质稳定的惰性材料石墨为阴极，中间用阳离子交换膜隔开，以钛丝为导线。第一电解池的作用是将待处理水中的溴酸盐转化为溴离子，然后再由第二电解池将溴离子被氧化生成溴单质，利用气体收集装置将溴单质回收，最终将水中溴酸盐完全去除。本发明的方法第一电解池中溴酸盐转化为溴离子的转化率为80％以上，第二电解池中溴离子转化率75％～82％。通过试验证明，本发明与其他去除溴酸盐的方法比较，反应速度快，去除彻底，无二次污染，操作安全方便，同时由于采用较便宜的电极材料，降低了电化学去除溴酸盐的成本，从而提高了电化学方法去除硝酸盐的实用性。
本方法适用于处理饮用水。
附图说明
图1是串联电解池系统的第一电解池结构示意图，图1中：1-1为第一槽体，1-2为第一离子交换膜、1-3为第一阳极、1-4为第一阴极、1-5为第一阳极区；1-6为第一阴极区；1-7为第一进水口，1-8第一出水口，1-9为第二进水口，1-10为第二出水口；1-11为第一电源，1-12为第一钛丝导线；图2是是串联电解池系统的第二电解池结构示意图，图2中，2-1为第二槽体，2-2为第二离子交换膜、2-3为第二阳极、2-4为第二阴极、2-5为第二阳极区；2-6为第二阴极区；2-7为第二进水口，2-8第二出水口，2-9为第二进水口，2-10为第二出水口；2-11为第二电源，2-12为第二钛丝导线，2-13为出气口；图3是串联电解池系统的示意图，图3中1为第一电解池，2为第二电解池，3为第一水槽，4为第一水泵，5第二水泵，6为中间水槽，7为第三水泵，8为第二水槽，9为气体收集装置。
具体实施方式
具体实施方式一：(参考附图1、2和3)本实施方式的串联电解池系统包括第一电解池1、第二电解池2、第一水槽3、第一水泵4、第二水泵5、中间水槽6、第三水泵7、第二水槽8和气体收集装置9；其中第一电解池1包括第一电源1-11、第一槽体1-1、第一阳极1-3、第一阴极1-4和第一离子交换膜1-2，以石墨作第一阴极1-4，以碳毡作第一阳极1-3，第一离子交换膜1-2将第一槽体1-1分为第一阳极区1-5和第一阴极区1-6，第一阴极1-4、第一电源1-11和第一阳极1-3用第一钛丝导线1-12连接，在第一阳极区1-5的侧壁下部设有第一进水口1-7，第一阳极区1-5的侧壁上部设有第一出水口1-8，在第一阴极区的侧壁下部设有第二进水口1-9，第一阴极区的侧壁上部设有第二出水口1-10；第二电解池包括第二电源2-11、第二槽体2-1、第二阳极2-3-、第二阴极2-4和第二离子交换膜2-2，以石墨作第二阴极2-4，以碳毡作第二阳极2-3，第二离子交换膜2-2将第二槽体2-1分为第二阳极区2-5和第二阴极区2-6，第二阴极2-4、第二电源2-12和第二阳极2-3用第二钛丝导线2-12连接，在第二阳极区2-5的侧壁下部设有第三进水口2-7，第二阳极区2-5的侧壁上部设有第三出水口2-8，在第二阳极区的上盖设有出气口2-13，在第二阴极区2-6的侧壁下部设有第四进水口2-9，第二阴极区2-6的侧壁上部设有第四出水口2-10；第一水槽3通过第一水泵4与第一电解池1的第一进水口1-7连通；第一水槽3经第二水泵5与第二电解池2的第四进水口2-9连通；第一电解池1的第一出水口1-8与第二水槽8连通；第二电解池2的第四出水口2-10与第二水槽8连通；第一电解池的第二出水口1-10与中间水槽6的进水口连通，中间水槽6的出水口经过第三水泵7与第二电解池2的第三进水口2-7连通；第二电解池2的出气口2-13与气体收集装置9连通。
本实施方式以两个电解池串联，电解池以比表面积大的碳毡为阳极，以电化学性质稳定的惰性材料石墨为阴极，中间用阳离子交换膜隔开，以钛丝为导线。第一电解池的作用是将待处理水中的溴酸盐转化为溴离子，然后再由第二电解池将溴离子被氧化生成溴单质，利用气体收集装置将溴单质回收，最终将水中溴酸盐完全去除。
具体实施方式二：利用具体实施方式一所述的串联电解池系统去除饮用水中溴酸盐的方法按以下步骤进行：一、将待处理饮用水以2mL/min～50mL/min的速度由第一电解池的第二进水口1-9通入到第一电解池1的阴极区1-6中，待处理水的溴离子浓度为0.1mg/L～2mg/L，同时将第一水槽3内的去离子水由第一水泵4通入到第一电解池1的第一阳极区1-5，二、第一电源1-11施加1.3V～8V的电压，控制电流密度为1mA/cm2～5mA/cm2，第一阳极区1-5的水排入第二水槽8，第一阴极区1-6的水排入中间水槽6中；三、将中间水槽6内的水以2mL/min～50mL/min速度由第三水泵7通入第二电解池2的第二阳极区2-5，同时将第一水槽内3的去离子水由第二水泵5通入第二电解池2的第二阴极区2-6；四、第二电源2-11施加2V～20V的电压，控制电流密度为1mA/cm2～15mA/cm2，第二阴极区2-6的水排入第二水槽8，第二阳极区2-5的气体由气体收集装置9收集，第二阳极区2-5的水流出，完成利用串联电解池去除饮用水中溴酸盐的过程。
本实施方式以两个电解池串联，电解池以比表面积大的碳毡为阳极，以电化学性质稳定的惰性材料石墨为阴极，中间用阳离子交换膜隔开，以钛丝为导线。第一电解池的作用是将待处理水中的溴酸盐转化为溴离子，然后再由第二电解池将溴离子被氧化生成溴单质，利用气体收集装置将溴单质回收，最终将水中溴酸盐完全去除。本发明第一电解池中溴酸盐转化为溴离子的转化率为80％以上，第二电解池中溴离子转化率75％～82％。通过试验证明，本实施方式与其他去除溴酸盐的方法比较，反应速度快，去除彻底，无二次污染，操作安全方便，同时由于采用较便宜的电极材料，降低了电化学去除溴酸盐的成本，从而提高了电化学方法去除硝酸盐的实用性。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式二不同的是：步骤一中将待处理的饮用水以5mL/min～30mL/min的速度由第一电解池1的阴极区进水口1-10通入到第一电解池1的阴极区1-6中。其它与具体实施方式二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式二不同的是：步骤一中将待处理的饮用水以20mL/min的速度由第一电解池1的阴极区进水口1-10通入到第一电解池1的阴极区1-6中。其它与具体实施方式二相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式二至四之一不同的是：步骤一中待处理饮用水的溴离子浓度为0.5mg/L～1.8mg/L。其它与具体实施方式二至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式二至四之一不同的是：步骤一中待处理饮用水的溴离子浓度为1.0mg/L。其它与具体实施方式二至四之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式二至六之一不同的是：步骤二中第一电源1-11施加1.5V～7V的电压，控制电流密度为1.5mA/cm2～4.5mA/cm2。其它与具体实施方式二至六之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式二至六之一不同的是：步骤二中第一电源施加3V的电压，控制电流密度为3mA/cm2。其它与具体实施方式二至六之一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式二至八之一不同的是：步骤三中中间水槽6内的饮用水以5mL/min～45mL/min速度经第三水泵7通入第二电解池2的阳极区。其它与具体实施方式二至八之一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式二至八之一不同的是：步骤三中中间水槽6内的饮用水以30mL/min速度经第三水泵7通入第二电解池2的阳极区。其它与具体实施方式二至八之一相同。
具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式二至十之一不同的是：步骤四中第二电源2-11施加5V～17V的电压，控制电流密度为3mA/cm2～12mA/cm2。其它与具体实施方式二至九之一相同。
具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式一至十之一不同的是：步骤四中第二电源2-11施加10V的电压，控制电流密度为8mA/cm2。其它与具体实施方式一至十之一相同。
具体实施方式十二：(请参见附图1、2和3)本实施方式的利用具体实施方式一所述的串联电解池系统去除饮用水中溴酸盐的方法按以下步骤进行：一、将待处理饮用水以40mL/min的速度由第一电解池1的第二进水口1-9通入到第一电解池1的阴极区1-6中，待处理水的溴离子浓度为0.2mg/L，同时将第一水槽3内的去离子水由第一水泵4通入到第一电解池1的第一阳极区1-5，二、第一电源1-11施加5V的电压，控制电流密度为3mA/cm2，第一阳极区1-5的水排入第二水槽8，第一阴极区1-6的水排入中间水槽6中；三、将中间水槽6内的水以40mL/min速度由第三水泵7通入第二电解池2的第二阳极区2-5，同时将第一水槽内3的去离子水由第二水泵5通入第二电解池2的第二阴极区2-6；四、第二电源2-11施加15V的电压，控制电流密度为6mA/cm2，第二阴极区2-6的水排入第二水槽8，第二阳极区2-5的气体由气体收集装置9收集，第二阳极区2-5的水流出，完成利用串联电解池去除饮用水中溴酸盐的过程。
本实施方式中，经本实施方式的处理，待处理饮用水中溴酸盐的去除率为80％。本实施方式以两个电解池串联，电解池以比表面积大的碳毡为阳极，以电化学性质稳定的惰性材料石墨为阴极，中间用阳离子交换膜隔开，以钛丝为导线。第一电解池的作用是将待处理水中的溴酸盐转化为溴离子，然后再由第二电解池将溴离子被氧化生成溴单质，利用气体收集装置将溴单质回收，最终将水中溴酸盐完全去除。本实施方式第一电解池中溴酸盐转化为溴离子的转化率为92％，第二电解池中溴离子转化率80％。通过试验证明，本实施方式与其他去除溴酸盐的方法比较，反应速度快，去除彻底，无二次污染，操作安全方便，同时由于采用较便宜的电极材料，降低了电化学去除溴酸盐的成本，从而提高了电化学方法去除溴酸盐的实用性。
具体实施方式十三：(请参见附图1、2和3)本实施方式的利用具体实施方式一所述的串联电解池系统去除饮用水中溴酸盐的方法按以下步骤进行：一、将待处理饮用水以15mL/min的速度由第一电解池1的第二进水口1-9通入到第一电解池1的阴极区1-6中，待处理水的溴离子浓度为1.5mg/L，同时将第一水槽3内的去离子水由第一水泵4通入到第一电解池1的第一阳极区1-5，二、第一电源1-11施加7V的电压，控制电流密度为5mA/cm2，第一阳极区1-5的水排入第二水槽8，第一阴极区1-6的水排入中间水槽6中；三、将中间水槽6内的水以10mL/min速度由第三水泵7通入第二电解池2的第二阳极区2-5，同时将第一水槽内3的去离子水由第二水泵5通入第二电解池2的第二阴极区2-6；四、第二电源2-11施加18V的电压，控制电流密度为15mA/cm2，第二阴极区2-6的水排入第二水槽8，第二阳极区2-5的气体由气体收集装置9收集，第二阳极区2-5的水流出，完成利用串联电解池去除饮用水中溴酸盐的过程。
本实施方式中，经本实施方式的处理，待处理饮用水中溴酸盐的去除率为90％。本实施方式以两个电解池串联，电解池以比表面积大的碳毡为阳极，以电化学性质稳定的惰性材料石墨为阴极，中间用阳离子交换膜隔开，以钛丝为导线。第一电解池的作用是将待处理水中的溴酸盐转化为溴离子，然后再由第二电解池将溴离子被氧化生成溴单质，利用气体收集装置将溴单质回收，最终将水中溴酸盐完全去除。本发明第一电解池中溴酸盐转化为溴离子的转化率为90％，第二电解池中溴离子转化率82％。通过试验证明，本实施方式与其他去除溴酸盐的方法比较，反应速度快，去除彻底，无二次污染，操作安全方便，同时由于采用较便宜的电极材料，降低了电化学去除溴酸盐的成本，从而提高了电化学方法去除溴酸盐的实用性。
Claims (7)
1.串联电解池系统，其特征在于串联电解池系统包括第一电解池(1)、第二电解池(2)、第一水槽(3)、第一水泵(4)、第二水泵(5)、中间水槽(6)、第三水泵(7)、第二水槽(8)和气体收集装置(9)；其中第一电解池(1)包括第一电源(1-11)、第一槽体(1-1)、第一阳极(1-3)、第一阴极(1-4)和第一离子交换膜(1-2)，以石墨作第一阴极(1-4)，以碳毡作第一阳极(1-3)，第一离子交换膜(1-2)将第一槽体(1-1)分为第一阳极区(1-5)和第一阴极区(1-6)，第一阴极(1-4)、第一电源(1-11)和第一阳极(1-3)用第一钛丝导线(1-12)连接，在第一阳极区(1-5)的侧壁下部设有第一进水口(1-7)，第一阳极区(1-5)的侧壁上部设有第一出水口(1-8)，在第一阴极区(1-6)的侧壁下部设有第二进水口(1-9)，第一阴极区(1-6)的侧壁上部设有第二出水口(1-10)；第二电解池(2)包括第二电源(2-11)、第二槽体(2-1)、第二阳极(2-3)、第二阴极(2-4)和第二离子交换膜(2-2)，以石墨作第二阴极(2-4)，以碳毡作第二阳极(2-3)，第二离子交换膜(2-2)将第二槽体(2-1)分为第二阳极区(2-5)和第二阴极区(2-6)，第二阴极(2-4)、第二电源(2-12)和第二阳极(2-3)用第二钛丝导线(2-12)连接，在第二阳极区(2-5)的侧壁下部设有第三进水口(2-7)，第二阳极区(2-5)的侧壁上部设有第三出水口(2-8)，在第二阳极区(2-5)的上盖设有出气口（2-13），在第二阴极区(2-6)的侧壁下部设有第四进水口(2-9)，第二阴极区(2-6)的侧壁上部设有第四出水口(2-10)；第一水槽(3)通过第一水泵(4)与第一电解池(1)的第一进水口(1-7)连通；第一水槽(3)经第二水泵(5)与第二电解池(2)的第四进水口(2-9)连通；第一电解池(1)的第一出水口(1-8)与第二水槽(8)连通；第二电解池(2)的第四出水口(2-10)与第二水槽(8)连通；第一电解池(1)的第二出水口(1-10)与中间水槽(6)的进水口连通，中间水槽(6)的出水口经过第三水泵(7)与第二电解池(2)的第三进水口(2-7)连通；第二电解池(2)的出气口(2-13)与气体收集装置(9)连通。
2.利用权利要求1所述的串联电解池系统去除饮用水中溴酸盐的方法，其特征在于利用串联电解池系统去除饮用水中溴酸盐的方法按以下步骤进行：一、将待处理饮用水以2mL/min～50mL/min的速度由第一电解池(1)的第二进水口(1-9)通入到第一阴极区(1-6)中，待处理水的溴离子浓度为0.1mg/L～2mg/L，同时将第一水槽(3)内的去离子水由第一水泵(4)通入到第一阳极区(1-5)中；二、第一电源(1-11)施加1.3V～8V的电压，控制电流密度为1mA/cm2～5mA/cm2，第一阳极区(1-5)的水排入第二水槽(8)，第一阴极区(1-6)的水排入中间水槽(6)中；三、将中间水槽(6)内的水以2mL/min～50mL/min速度由第三水泵(7)通入第二电解池(2)的第二阳极区(2-5)，同时将第一水槽(3)内的去离子水由第二水泵(5)通入第二电解池(2)的第二阴极区(2-6)；四、第二电源(2-11)施加2V～20V的电压，控制电流密度为1mA/cm2～15mA/cm2，第二阴极区(2-6)的水排入第二水槽(8)，第二阳极区(2-5)的气体由气体收集装置(9)收集，第二阳极区(2-5)的水流出，完成利用串联电解池去除饮用水中溴酸盐的过程。
3.根据权利要求2所述的利用串联电解池系统去除饮用水中溴酸盐的方法，其特征在于步骤一中将待处理的饮用水以5mL/min～30mL/min的速度由第一电解池(1)的第二进水口(1-9)通入到第一电解池(1)的阴极区(1-6)中。
4.根据权利要求2或3所述的利用串联电解池系统去除饮用水中溴酸盐的方法，其特征在于步骤一中待处理饮用水的溴离子浓度为0.5mg/L～1.8mg/L。
5.根据权利要求2或3所述的利用串联电解池系统去除饮用水中溴酸盐的方法，其特征在于步骤二中第一电源(1-11)施加1.5V～7V的电压，控制电流密度为1.5mA/cm2～4.5mA/cm2。
6.根据权利要求2或3所述的利用串联电解池系统去除饮用水中溴酸盐的方法，其特征在于步骤三中中间水槽(6)内的饮用水以5mL/min～45mL/min速度经第三水泵(7)通入第二阳极区(2-5)。
7.根据权利要求2或3所述的利用串联电解池系统去除饮用水中溴酸盐的方法，其特征在于步骤四中第二电源(2-11)施加5V～17V的电压，控制电流密度为3mA/cm2～12mA/cm2。
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