CN102583661A - 一种强化传质和防污除垢的高效电解装置及其水处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种强化传质和防污除垢的高效电解装置及其水处理方法，所述装置包括：储液池、漩涡泵、空化发生器、多组阳极和阴极构成的筒状电极、直流电源，所述储液池底部与漩涡泵连接，漩涡泵出口依次安装控制阀、压力表和空化发生器，空化发生器位于筒状电极的中心。所述处理方法包括：将废水和电解质加入储液池至废水浸没空化发生器和筒状电极，调节控制阀控制空化发生器的入口压力，开启漩涡泵，使废水高速流经空化发生器形成射流，对电极进行喷射和冲刷，接通直流电源进行处理。本发明利用水力回流装置产生空化，可以减小电极表面扩散层的厚度，加快电极表面和主体溶液物质的交换更新，强化传质，提高降解效率，在规模化应用方面具有优势。

Description

一种强化传质和防污除垢的高效电解装置及其水处理方法

技术领域

本发明涉及水处理技术领域，特别涉及一种强化传质和防污除垢的高效电解装置及其水处理方法。

背景技术

目前，随着生活污水和工业废水的种类增多，成份也更加复杂，废水处理日趋困难。废水中通常含有难生物降解的有机物，因其毒性大、易生物富集等特点，逐步被人类认识和关注，成为水环境保护领域的热点和难点。高级氧化技术因其产生羟基自由基等强氧化性物质，能使绝大多数有机污染物完全矿化或部分分解，因而具有良好的应用前景。

电化学降解是一种清洁的高级氧化技术，目前在水环境治理方面越来越受到人们的重视。与其他传统水处理技术相比，电解的优点在于：不需另外添加氧化还原剂，避免了由此引起的二次污染问题；可通过改变外加电流、电压随时调节反应条件，可控制性较强；反应条件温和，操作简单等。然而，在将实验室规模的电解过程放大至实际应用时，会出现一些限制。首先，在电化学反应过程中，电极表面易受污染，活性不易维持；其次，反应过程中生成的气体吸附在电极表面不易脱除；再次，传统的电化学反应装置的传质问题尚未得到很好的解决，尤其对于低浓度废水体系，传质因素限制了电极反应速率，使电解效率低下，能耗和经济成本增高，不具工业应用竞争性。

为了提高电解效率，G. Zhao等人研究了超声波对苯酚在掺硼金刚石和Pt 电极上电化学氧化过程的强化机制和动力学，发现超声波在溶液传质、电极表面吸附的物质的量和电化学反应方面都有积极的影响，因而在超声波作用下，苯酚在这两种电极上的降解速率和电流效率都得到了提高(Chemosphere 2008，73(9)：1407-1413)。超声波的强化效应是由于超声波在液相中产生的空化现象，即在微秒的数量级内发生空泡的成核、生长和溃灭过程，并在小区域内释放出大量的能量。因此，空化现象相当于将声波这种发散性的能量汇集成微小的“热点”，而每一个“热点”都会成为一个微反应器。在空泡溃灭瞬间，空泡内部产生的极端条件会使水分子发生热解，生成羟基自由基，从而氧化降解废水中的有机污染物。空化现象也具有高能量的物理效应，如增强溶液传质、使脆性固体碎裂、更新固体表面等。然而，超声波引发的空化在大规模的水处理体系中不能有效地分布空化活性，超声装置昂贵，而且电声转化进入溶液中的效率很低，因而超声空化技术在实际的工业化应用中受到很大的限制。

发明内容

本发明的第一目的在于提供一种强化传质和防污除垢的高效电解装置，以解决现有水处理装置无法有效解决电解溶液传质效率低下及电极表面由于吸附导致的活性降低问题。

本发明的第二目的在于提供一种利用强化传质和防污除垢的高效电解装置进行水处理的方法，以解决现有水处理方法无法有效解决电解溶液传质效率低下及电极表面由于吸附导致的活性降低问题。

本发明的技术方案如下：

一种强化传质和防污除垢的高效电解装置，包括：储液池、若干阳极和阴极，以及直流电源，所述阳极和阴极间隔设置，并均竖直置于储液池内，其相邻两边通过绝缘条相互连接构制成筒状，且阴阳电极中心对称，所述阳极和阴极分别与直流电源的正负极相连，还包括漩涡泵和空化发生器，所述储液池与漩涡泵入口相连接，漩涡泵出口处连接空化发生器，所述空化发生器设于所述储液池内；

所述漩涡泵与所述空化发生器之间设有第一控制阀。

较佳地，还包括支管，所述支管伸入所述储液池内并与所述空化发生器并联设置；

所述支管上设有第二控制阀。

较佳地，所述空化发生器还串联设置有压力检测装置。

较佳地，所述空化发生器设于所述筒状电极的中心轴线上。

较佳地，所述的阳极和阴极选自平板电极、网状电极或纤维电极的至少一种。

较佳地，所述平板电极选自整板电极和开设有小孔的电极的至少一种。

较佳地，所述的空化发生器选自文丘里管和多孔板中的一种。

一种利用上述任一权利要求所述强化传质和防污除垢的高效电解装置的水处理方法，包括将废水溶液和电解质加入储液池中，将储液池内的阳极和阴极分别连接到直流电源的正负极，还包括如下步骤：

加入储液池的所述废水溶液浸没空化发生器和筒状电极；

调节所述控制阀，控制所述废水溶液在空化发生器处的入口压力；

开启漩涡泵，使废水溶液高速流经空化发生器，形成射流，对阳极和阴极进行喷射和冲刷。

较佳地，调节所述控制阀包括调节设于所述漩涡泵和空化发生器之间的第一控制阀和设于所述支管的第二控制阀。

较佳地，所述电解电压在50V以下，所述反应时间在3小时以内，所述电解质浓度不大于5g/L，所述废水溶液在空化发生器处的入口压力在0.3MPa以上，所述废水溶液在空化发生器内的最高流速不小于20米/秒。

较佳地，所述电解质为无机盐。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

第一．本发明利用水力回流装置产生的空化，能不断冲刷电极板表面，减小极板表面的扩散层厚度，提高电流密度。同时，废水的循环流动加快了极板表面和溶液主体之间物质的交换更新，强化了传质，提高了降解效率；

第二．与传统的电解反应装置相比，本发明的水力空化与电解联合处理装置和方法更加高效和低能耗；

第三．与超声波空化和电解联合处理有机废水的装置和方法相比较，本发明设备简单、易于操作和维护、成本较低、能效较高，且更适于大规模的应用。

附图说明

图1a、图1b是本发明实施例1装置的结构示意图，其中，图1a为本发明实施例1装置侧视图；图1b为图1a虚线处截面俯视图；

   图2是本发明实施例2的多孔板的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应该理解，这些实施例仅用于说明本发明，而不用于限定本发明的保护范围。

实施例1

如图1 所示，本实施例采用的反应装置包括：储液池1，漩涡泵3，空化发生器7，两个阳极8，两个阴极9和直流电源10，其中，两个阳极8和两个阴极9间隔设置，并均竖直置于储液池1内，其相邻两边通过绝缘条11相互连接构制成筒状，且阴阳电极中心对称。两个阳极8和两个阴极9分别与直流电源10的正负极相连，储液池1底部通过管道与漩涡泵3入口相连接，漩涡泵3出口处安装第一控制阀4，之后管道叉分为并联设置的主管和支管并伸入储液池1内，主管上安装压力检测装置，此处为压力表6，伸入储液池1的主管部分位于筒状电极的中心轴线上，其末端安装空化发生器7，支管上安装第二控制阀5。具体实施时，所述水处理装置中储液池、漩涡泵、空化发生器、控制阀和压力检测装置的设置和连接方式还可有很多变形，阳极和阴极的数量也可有很多选择，压力监测装置也不限于压力表，此处仅为举例，本发明不对此进行限定。

本实施例的空化发生器采用文丘里管，所述文丘里管依次包括扩张段、喉管部与缩小段，其扩张和缩小角度为20度，喉管与文丘里管的直径之比为1:14。具体实施时，还可选用其它类型空化发生器，所述文丘里管的参数还可有很多变形，此处仅为举例，本发明不对此进行限定。

上述装置通过以下步骤实现水处理：在待处理的废水溶液2中加入电解质，然后将溶液2注入储液池1中至浸没空化发生器7和筒状电极，调节控制阀4和5，以获得合适的水流量和空化发生器入口压力；开启漩涡泵3，使废水高速流经空化发生器7，形成射流；接通直流电源10，将反应物电解去除。具体实施时，上述水处理的具体实施步骤还可作调节，本发明不对此进行限定。

本实施例具体的实施条件还包括：处理对象为不同浓度的活性艳红X-3B（pH 6.7）模拟染料废水。废水体积为5.0L。电解质为1.0g/L 的Na₂SO₄；阳极8为钛基二氧化钌网状电极（简称钌钛电极），阴极9为石墨电极，电解电压为30 V；调节控制阀4和5，使空化发生器7的入口压力为0.4MPa，此时空化发生器7内的最大流速，即喉管处的水流速为43.6米/秒；反应时间为60分钟。测定活性艳红X-3B在538nm处的吸光度，求色度去除率。

采用上述装置及方法得到的废水中活性艳红的色度去除率与传统电解处理的去除率值如下表1所示：

表1

 上述结果说明本发明实施例的电解装置和方法比传统的电解方法更加高效，特别是在染料浓度较高的时候。

实施例2

本实施例采用的反应装置和实施过程与实施例1 相同。

本实施例的空化发生器采用多孔板，其板孔孔径为1mm，板孔个数为13个，如图2。具体实施时，所述多孔板的板孔孔径及板孔个数还可有很多选择，此处仅为举例，本发明不对此进行限定。

本实施例具体的实施条件还包括：处理对象为40mg/L的活性艳红X-3B（pH 6.7）模拟染料废水。废水体积为5.0L；电解质为2.0g/L 的Na₂SO₄，阳极8采用钛基二氧化铱平板电极（简称铱钛电极），阴极9采用石墨电极，所述平板电极上开设有小孔，以便水流通过；电解电压为20V；第一控制阀4完全打开，第二控制阀5完全关闭，空化发生器7的入口压力为0.38MPa，此时空化发生器7内的最大流速，即板孔处的水流速为20.7米/秒；反应时间为60分钟。

采用上述装置及方法得到的废水中活性艳红的色度去除率为63.9%，说明本实施例装置及方法可相对有效地去除废水中的有机物。

实施例3

本实施例采用的反应装置和实施过程与实施例1 相同。

本实施例具体的实施条件还包括：

处理对象为80mg/L 的活性艳红X-3B（pH 6.7）模拟染料废水，废水体积为5.0 L。所用的空化发生器7为文丘里管，其扩张和缩小角度为20度，喉管与文丘里管的直径之比为1:14；电解质为0.5 g/L的Na₂SO₄；阳极8为钛基二氧化钌网状电极（钌钛电极），阴极9为石墨电极，电解电压为30V；第一控制阀4完全打开，第二控制阀5完全关闭，空化发生器7的入口压力为0.7MPa，此时空化发生器7内的最大流速，即喉管处的水流速为60.5米/秒；反应时间为90分钟。

采用上述装置及方法得到的废水中活性艳红的色度去除率为94.1%，说明本实施例装置及方法可使废水中有机物达到很高的降解效率。

实施例4

本实施例与实施例3的不同之处在于，所述阳极8为活性炭纤维电极（简称ACF 电极），阴极9为ACF 电极。

采用上述装置及方法得到的废水中活性艳红的色度去除率为77.1%，说明本实施例装置及方法可有效地去除废水中的有机物。

实施例5

本实施例采用的反应装置和实施过程与实施例1 相同。

本实施例具体的实施条件还包括：

处理对象为80mg/L 的活性艳红X-3B（pH 6.7）模拟染料废水。废水体积为5.0L。所用的空化发生器7为文丘里管，其扩张和缩小角度为20度，喉管与文丘里管的直径之比为1:14；电解质为1.0 g/L 的Na₂SO₄；阳极8为钛基二氧化钌网状电极（钌钛电极），阴极9为石墨电极，电解电压为50V；调解控制阀4和5，使空化发生器7的入口压力为0.4MPa，此时空化发生器7内的最大流速，即喉管处的水流速为43.6米/秒；反应时间为60分钟。

采用上述装置及方法得到的废水中活性艳红的色度去除率为99.8%，说明本实施例装置及方法可使废水中有机物达到很高的降解效率。

实施例6

本实施例采用的反应装置和实施过程与实施例1 相同。

本实施例具体的实施条件还包括：

处理对象分别为80mg/L 活性艳红X-3B（pH 6.7），80mg/L 罗丹明B（pH 5.0）和80mg/L直接橙S（pH 5.0）模拟染料废水。废水体积各为5.0L。

所用的空化发生器7 为文丘里管，其扩张和缩小角度为20度，喉管与文丘里管的直径之比为1:14；电解质为1.0g/L 的Na₂SO₄；阳极8为钛基二氧化钌网状电极（钌钛电极），阴极9为石墨电极，电解电压为30V；调节控制阀4和5，使空化发生器7的入口压力为0.4MPa，此时空化发生器7内的最大流速，即喉管处的水流速为43.6米/秒；反应时间分别为120分钟和180分钟。测定活性艳红X-3B 在538nm、罗丹明B 563nm 和直接橙S 在496nm 处的吸光度，求色度去除率。

采用上述装置及方法得到的废水中各有机物的色度去除率如下表2所示：

表2

 上述结果说明本实施例装置及方法可使废水中有机物达到很高的降解效率。

实施例7

本实施例采用的反应装置和实施过程与实施例1 相同。

本实施例具体的实施条件还包括：

处理对象为80mg/L 的活性艳红X-3B（pH 6.7）模拟染料废水。废水体积为5.0 L。所用的空化发生器7为文丘里管，其扩张和缩小角度为20度，喉管与文丘里管的直径之比为1:14；电解质浓度为5.0g/L的Na₂SO₄；阳极8为钛基二氧化钌网状电极（钌钛电极），阴极9为石墨电极，电解电压为30V，调节控制阀4和5，使空化发生器7的入口压力为0.4MPa，此时空化发生器7内的最大流速，即喉管处的水流速为43.6米/秒；反应时间为30分钟。

采用上述装置及方法得到的活性艳红X-3B色度去除率为64.1%，上述结果说明本实施例装置及方法可相对有效地去除废水中的有机物。

总结上述所有实施例的实验结果说明，本发明水力空化与电化学联合处理有机废水（以染料废水为例）的装置和方法，可有效降解多种模拟染料废水，装置简单、易于操作，同时可提高电流密度，降低能耗，在工业上有很大的应用前景。

Claims (11)

1.一种强化传质和防污除垢的高效电解装置，包括：储液池、若干阳极和阴极，以及直流电源，所述阳极和阴极间隔设置，并均竖直置于储液池内，其相邻两边通过绝缘条相互连接构制成筒状，且阴阳电极中心对称，所述阳极和阴极分别与直流电源的正负极相连，其特征在于，还包括漩涡泵和空化发生器，所述储液池与漩涡泵入口相连接，漩涡泵出口处连接空化发生器，所述空化发生器设于所述储液池内；

所述漩涡泵与所述空化发生器之间设有第一控制阀。

2.如权利要求1所述的电解装置，其特征在于，还包括支管，所述支管伸入所述储液池内并与所述空化发生器并联设置；

所述支管上设有第二控制阀。

3.如权利要求1或2所述的电解装置，其特征在于，所述空化发生器还串联设置有压力检测装置。

4.如权利要求1所述的电解装置，其特征在于，所述空化发生器设于所述筒状电极的中心轴线上。

5.如权利要求1或4所述的电解装置，其特征在于，所述的阳极和阴极选自平板电极、网状电极或纤维电极的至少一种。

6.如权利要求5所述的电解装置，其特征在于，所述平板电极选自整板电极和开设有小孔的电极的至少一种。

7.如权利要求1所述的电解装置，其特征在于，所述的空化发生器选自文丘里管和多孔板中的一种。

8.一种利用上述任一权利要求所述强化传质和防污除垢的高效电解装置的水处理方法，包括将废水溶液和电解质加入储液池中，将储液池内的阳极和阴极分别连接到直流电源的正负极，其特征在于，还包括如下步骤：

加入储液池的所述废水溶液浸没空化发生器和筒状电极；

调节所述控制阀，控制所述废水溶液在空化发生器处的入口压力；

开启漩涡泵，使废水溶液高速流经空化发生器，形成射流，对阳极和阴极进行喷射和冲刷。

9.如权利要求8所述的水处理方法，其特征在于，调节所述控制阀包括调节设于所述漩涡泵和空化发生器之间的第一控制阀和设于所述支管的第二控制阀。

10.如权利要求8所述的水处理方法，其特征在于，所述电解电压在50V以下，所述反应时间在3小时以内，所述电解质浓度不大于5g/L，所述废水溶液在空化发生器处的入口压力在0.3MPa以上，所述废水溶液在空化发生器内的最高流速不小于20米/秒。

11.如权利要求8所述的水处理方法，其特征在于，所述电解质为无机盐。

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