CN102633325B - 一种新型纳米催化电解装置 - Google Patents

Abstract

一种新型纳米催化电解装置，设有壳体，壳体内部通过上隔板、下隔板与封板分割成左右二室，左室为电解室，右室为气浮沉淀室；电解室壳体上边部设有进水口，进水口通过管道与废水进水管道连接，电解室底部设有排污口，排污口与排污管连接，电解室设有电解槽；电解槽四周采用工程塑料封闭，上下两端敞开，下端设有电解槽进水口，上端设有电解槽出水口，电解槽固定在封板上，电解槽内安装有电极，电极与封板之间为气浮层，其它均密闭连接，电极极板间距间隙构成过水通道。本发明不仅节省水处理成本，而且大幅度降低物料消耗，减少二次污染；大幅度降低污泥排放，减少固体废物处理成本；还提高废水的可生化性，为后续处理工艺创造更好的条件。

Description

一种新型纳米催化电解装置

技术领域

本发明涉及一种运用于水处理的电解装置，特别是涉及一种以表面覆盖有纳米催化材料的钛电极为阳极的电解装置；电流荷载合理，分布有序，电效率高；电极表面反应物浓度保持在有效范围之中；阴极产生的氢气能及时有效排出，并形成较好的气浮效果；具自动清洗除垢特性的纳米催化电解装置。

背景技术

目前，水和废水的杀菌消毒、沉淀净化多采用化学方法和生化方法，在处理过程中需要添加大量的化学药剂并产生大量的污泥。如在自来水生产中，大多采用氯气或次氯酸钠对水体消毒，再经絮凝沉淀和过滤。废水处理时，通常加入絮凝剂进行絮凝反应后，进行沉淀或气浮分离，再经生化处理。虽然这种处理方法可以起到一定的作用，但是都存在运行成本较高、产生污泥量大、存在对环境造成二次污染等不足。此外，随着工业的发展、人们活动的加剧，对环境的污染日益严重，已严重威胁到社会的发展和人类的安全。环境污染主要包括废水污染、土壤污染、大气污染、噪声污染和电磁污染等。其中，废水污染尤其严重，已到了非治不可的地步。目前，治理废水的技术可分为物理处理法、物化处理法和生化处理化三大类。物理处理法主要是采用沉淀、过滤、浮选、蒸发等方法去除较大颗粒的杂质等。物化处理法主要是采用氧化还原、萃取、吸附、离子交换、混凝沉淀、中和、电渗析等方法去除细小悬浮物、胶体和水溶解物质，或者将有毒物质改性成为无毒物质。生化处理法主要是通过生物作用将废水中胶体的和溶解的有机物质分解破坏而分离去除，主要有厌氧、好氧、兼氧发酵等。

近年来，电化学处理是物化处理技术中发展较为活跃的废水处理技术，它主要是利用原电池原理或电解原理对废水进行处理。当前，有各种类型的电解装置，已应用于生活废水、工业有机废水、电镀废水、油田废水等的处理中。但是，现有的电解装置在运行过程中暴露出一些问题（1）电流荷载、分布不佳，电密度小，过电位高，工作电压较高，电流效率不高；（2）电极表面反应物浓度平衡难度大；（3）阴极产生的氢气排出气浮效果不佳，固液分离效果不理想，需要进行二次固液分离，处理工艺流程长；（4）电解机纳污结垢严重，大大降低处理效率，使用寿命短；（5）电极消耗大，电极材料污染水体，处理成本高。

中国专利CN1283595公开一种催化微电解装置，由筒体、充填活化了的铸铁屑活性炭和催化剂的床层、加料口、卸料口、进出水管、高压空气管等所构成。该装置在处理废水过程中具有催化、氧化还原、吸附、脱色、絮凝以及微滤等多种功能，可处理多种工业废水，效果好，装置的造价和运行费用低，操作方便，安全可靠。

中国专利CN101544415公开一种用于水相有机物分解的膨化床电解装置及处理工艺。装置包括电解槽、设置于电解槽内的阴阳电极和颗粒电极，以及循环水泵和电源，电解槽为圆筒状，阴极为圆筒状不锈钢网、沿电解槽的内壁与电解槽同轴设置，阳极为棒状Ti/SnO₂+Sb₂O₄复合电极、设置在所述电解槽轴心位置，颗粒电极为γ-Al₂O₃/SnO₂+Sb₂O₄球形颗粒催化电极、位于阴极和阳极之间形成的电解反应区；循环水泵通过设置在电解槽顶端和底部的出水管和进水管与电解反应区组成水循环系统。

发明内容

本发明提供一种新型纳米催化电解装置，其主要目的在于克服现有点解装置存在的上述各种问题。

本发明设有壳体，壳体内部通过上隔板、下隔板与封板分割成左右二室，左室为电解室，右室为气浮沉淀室；电解室壳体上边部设有进水口，进水口通过管道与废水进水管道连接，电解室底部设有排污口，排污口与排污管连接，电解室设有至少一个电解槽；电解槽四周采用工程塑料封闭，上下两端敞开，下端设有电解槽进水口，上端设有电解槽出水口，电解槽固定在封板上，电解槽内安装有电极，电极与封板之间留有160~200mm间隙，为气浮层，其它均密闭连接，电极极板间距间隙构成过水通道，电极包括阳极和阴极，阳极与直流电源的阳极联接，阴极与直流电源的阴极联接；气浮沉淀室壳体一边设有出水口、冲洗嘴、冲洗管，出水口通过管道与出水管道连接，冲洗嘴、冲洗管通过管道与冲洗泵管道连接，气浮沉淀室壳体上部设有排气排渣口，排气排渣口通过管道与排气管道连接。

所述壳体设有内层和外层，内层采用工程塑料内层，外层采用钢板外层。

所述每个电解槽出水口均设置一个用于电解槽冲洗的冲洗嘴。

所述装置设有受流量变化控制的自动清洗装置，当电解槽的流量小于设定值时，自动启动清洗开关，喷水冲洗。

所述装置设有受电阻变化控制的自动除垢装置，当电解槽的电阻大于设定值时，启动电极倒极除去结垢，除垢完成后自动倒回。

所述阳极采用表面覆盖有晶粒为10～35nm的金属氧化物涂层的钛基板阳极，所述阳极为平板状、圆弧状、圆筒状或网状阳极；所述阴极为钛阴极、铁阴极、铝阴极、不锈钢阴极、锌阴极、铜阴极、镍阴极、铅阴极或石墨阴极，所述阴极为平板状、圆弧状、圆筒状或网状阴极。

所述阳极和阴极间距为2mm ~ 12mm。

所述的阳极与阴极间的工作电压为2～8V，电流密度为10～320mA/cm²。

所述的于阳极与阴极间的最佳工作电压为3～5V，最佳电流密度为100～230mA/cm²。

在对淡水电解消毒净化时，通过覆盖于阳极表层的具有良好催化特性贵金属氧化物纳米涂层的电催化作用，从而使电流荷载合理，分布有序，降低电解的过电位，增大电密度，提高电流效率；通过内部结构设计达到电极表面反应物浓度保持在有效范围之中、阴极产生的氢气能及时有效排出、形成较好的气浮效果；使水电解产生初生态的氧、羟基和初生态的氢，并具有以下四个作用：

1、电解产生初生态的氧、羟基等强氧化物质可以杀灭水中的微生物、细菌、藻类和浮游生物，产生的尸体可以与阴极产生的大量微小气泡结合上浮去除，消除微生物、藻类和浮游生物的污染并降低浊度；

2、电解产生初生态的氧、羟基等强氧化物质可以氧化分解水中的有机物，降低水中的COD_Cr、色度、臭味等污染指标；

3、在电场作用下，一方面使得水中的悬浮物、胶体、带电微粒等物质脱稳，另一方面水中的阳离子、阴离子分别向阴极和阳极移动，在阴极和阳极发生双电层作用和多电层作用，形成沉淀诱发絮凝作用，促使细小的悬浮物、胶体、带电微粒等物质形成粗大的絮凝体，加速杂质沉降，有效降低SS、浊度等污染指标；

4、电解时阴极产生的大量初生态的氢可形成氢气小气泡，具有气浮效果，随着气泡的上浮，会粘附大量的轻质悬浮物，达到固液分离或液液分离的效果，从而进一步降低水中的COD_Cr、色度、浊度等。

通过以上四个作用，从而实现水的消毒净化。

在对海水和苦咸水净化消毒时，通过覆盖于阳极表层的具有良好催化特性贵金属氧化物纳米涂层的电催化作用，从而使电流荷载合理，分布有序，降低电解的过电位，增大电密度大，提高电流效率；通过内部结构设计达到电极表面反应物浓度保持在有效范围之中、阴极产生的氢气能及时有效排出、形成较好的气浮效果；电解产生初生态的氯[Cl]和初生态的氢[H]，并发生以下四个作用：

1、电解产生的初生态的氯[Cl]具有强氧化性，可以杀灭水中的微生物、藻类和浮游生物，产生的尸体可以与阴极产生的大量微小气泡结合上浮去除，彻底消除微生物、藻类和浮游生物的污染并降低浊度；

2、电解产生的初生态的氯[Cl]能氧化分解水中的有机物，降低水中的COD_Cr、色度、臭味等污染指标；

3、在电场作用下，一方面使得水中的悬浮物、胶体、带电微粒等物质脱稳，另一方面水中的阳离子、阴离子分别向阴极和阳极移动，在阴极和阳极发生双电层作用和多电层作用，形成沉淀诱发絮凝作用，促使细小的悬浮物、胶体、带电微粒等物质形成粗大的絮凝体，加速杂质沉降，有效降低SS、浊度等污染指标；

4、电解时阴极产生的大量初生态的氢可形成氢气小气泡，具有气浮效果，随着气泡的上浮，会粘附大量的轻质悬浮物，达到固液分离或液液分离的效果，从而进一步降低水中的COD_Cr、色度、浊度等。

通过以上四个作用，从而实现海水、苦咸水的消毒净化消毒。

在对废水进行处理时，是通过覆盖于阳极表层的具有良好催化特性贵金属氧化物纳米涂层的电催化作用，从而使电流荷载合理，分布有序，降低电解的过电位，增大电密度大，提高电流效率；通过内部结构设计达到电极表面反应物浓度保持在有效范围之中、阴极产生的氢气能及时有效排、形成较好的气浮效果，电解产生初生态的强氧化性物质，在有大量氯离子存在时，产生的是初生态的氯[Cl]和初生态的氢[H]；在没有氯离子存在时，产生的是初生态的氧[O]、羟基[OH]和初生态的氢[H]，并发生以下七个作用：

1、电解产生的初生态的强氧化性物质杀灭水中的微生物、细菌、藻类和浮游生物并与阴极产生的大量微小气泡结合上浮去除，消除微生物、细菌、藻类、浮游生物的污染并降低浊度；

2、电解产生的初生态的强氧化性物质快速氧化分解废水中的有机物，使得大分子物质分解为小分子物质，降低废水中的COD_Cr，同时提高B/C值，改善可生化性，为后续处理创造更好的生化条件；

3、电解产生的初生态的强氧化性物质快速氧化分解残留在废水中有色物质的发色基团和助色基团，使其发生断链或开环，使废水脱色，并结合阴极产生的大量微小气泡的气浮作用，有效降低废水色度，达到脱色的目的；

4、电解产生的初生态的强氧化性物质快速氧化分解废水中的氨氮，降低水中的氨氮指标；

5、电解产生的多种游离基（强氧化性物质）可以氧化分解废水中的发臭基团，去除废水中的恶臭；

6、在电场作用下，一方面使得水中的悬浮物、胶体、带电微粒等物质脱稳，另一方面水中的阳离子、阴离子分别向阴极和阳极移动，在阴极和阳极发生双电层作用和多电层作用，形成沉淀诱发絮凝作用，促使细小的悬浮物、胶体、带电微粒等物质形成粗大的絮凝体，加速杂质沉降，有效降低SS、浊度等污染指标；

7、电解时阴极产生的大量初生态的氢可形成氢气小气泡，具有气浮效果，随着气泡的上浮，会粘附大量的轻质悬浮物，达到固液分离或液液分离的效果，从而进一步降低水中的COD_Cr、色度、浊度等。

通过以上七个作用，从而实现废水的净化处理。

综上所述，本发明是集纳米技术、催化技术和电化学技术为一体同时有效结合流体力学原理的新型水处理装置，其纳米电极具有较高的电催化活性，电解过程中会提高产生大量具有强氧化性的自由基，能快速有效氧化分解水中的还原性物质（包括染料等有机物），此外，有效运用流体力学原理，使电解处理能力最大化、经济效益最高化。

采用该新型纳米催化电解装置对水进行净化处理，具有如下显著优点：

1、加入絮凝剂和气浮剂等化学物质只有传统工艺的三分之一，不仅节省水处理成本，而且大幅度降低物料消耗，减少二次污染；

2、加入絮凝剂和气浮剂等化学物质只有传统工艺的三分之一，产生的污泥量只有传统技术的三分之一，大幅度降低污泥排放，减少固体废物处理成本；

3、电解产生的强氧化性物质可以使废水中的有机物质大环开环，长链断链，大分子物质分解成小分子物质，既消除了废水的色度，也去除了臭味，还提高废水的可生化性，为后续处理工艺创造更好的条件。

4、新型纳米催化电解装置特殊的处理结构使电解效率较普通电解装置提高7 ~ 10倍。

5、自动清洗除垢装置，有效解决电极结垢、污堵短路等问题。

附图说明

图1为本发明实施例的结构组成示意图。

图2为图1的H-H剖视结构组成示意图。

图3为图1的G-G剖视结构组成示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的作进一步的说明：

如图1～3所示，本发明实施例设有壳体1、电解室2、气浮沉淀室3、进水口4、排污口5、上隔板6、下隔板7、封板8、电解槽9、电解槽进水口10、电解槽出水口11、出水口12、冲洗嘴13、冲洗管14、排气排渣口15、阳极接线柱16、阴极接线柱17、电极18。

壳体1内部通过上隔板6、下隔板7与封板8分割成左右二室，左室为电解室2，右室为气浮沉淀室3；电解室2壳体上部一侧设有进水口4，进水口4通过管道与废水进水管道连接，电解室2底部设有排污口5，排污口5与排污管连接，电解室2设有至少一个电解槽9；电解槽9四周采用工程塑料封闭，上下两端敞开，下端设有电解槽进水口10，上端设有电解槽出水口11，电解槽9固定在封板8上，电解槽9内安装有电极18，电极18与封板8之间留有160~200mm间隙，为气浮层，其它均密闭连接，电极18相邻极板间隙构成过水通道，电极18包括阳极和阴极，阳极与直流电源的阳极联接，阴极与直流电源的阴极联接；气浮沉淀室3壳体边部设有出水口12、冲洗嘴13、冲洗管14，出水口12通过管道与出水管道连接，冲洗嘴13、冲洗管14通过管道与冲洗泵管道连接，气浮沉淀室3壳体上部设有排气排渣口15，排气排渣口15通过管道与排气管道连接。

壳体1由内外两层构成，外层为钢板，内层为工程塑料加工而成。壳体设有电解室2和气浮沉淀室3。进水口4设在电解室2上边部，通过阀门和管道与进水管道联接。电解室2设有至少1个电解槽9，电解槽9为长方形；电解槽9内安装有电极18，阳极为平板状、圆弧状、圆筒状、网状中的一种形状；电解槽9内安装有以钛、铁、铝、不锈钢、锌、铜、镍、铅或石墨为材料的阴极，阴极为平板状、圆弧状、圆筒状、网状中的一种形状；新型的纳米催化电解装置的排污口5设置在新型的纳米催化电解装置的底部，出水口12设置在气浮沉淀室2的下边部，电解产生的污泥、沉淀物等经过排污口5排出；排气排渣口15设置在气浮沉淀室2顶部，电解产生的氢气和氢气粘附的悬浮物经排气排渣口15排出；上隔板6、下隔板7分别固定安装在壳体1顶部和底部，将壳体1分隔成电解室2和气浮沉淀室3，电解产生的气泡、浮渣越过上隔板6和下隔板7进入气浮沉淀室3，经排气排渣口15排出；电解后的废水经过电解槽出水口11进入气浮沉淀室3，经排水口12排出；阳极接线柱16与直流电源的阳极联接，阴极接线柱17与直流电源的阴极联接。

所述每个电解槽出水口11均设置一个用于电解槽9冲洗的冲洗嘴13。

所述装置设有受流量大小控制的自动清洗装置，当电解槽9的流量小于设定值时，自动启动清洗开关，喷水冲洗。

所述装置设有受电阻大小控制的自动除垢装置，当电解槽9的电阻大于设定值时，启动电极倒极除去结垢，除垢完成后自动倒回。

所述电解槽9顶部与下部敞开，顶部与封板8之间密闭连接，电极18与封板8之间留有160~200mm高度的间隙。

所述电极18的阳极采用表面覆盖有晶粒为10～35nm的金属氧化物涂层的钛基板阳极，该阳极为平板状、圆弧状、圆筒状、或网状阳极。所述电极18的阴极为钛阴极、铁阴极、铝阴极、不锈钢阴极、锌阴极、铜阴极、镍阴极、铅阴极或石墨阴极，该平板状、圆弧状、圆筒状或网状阴极。

所述电极18的阳极和阴极间距为2mm ~ 12mm。

所述电极18的阳极与阴极间的工作电压为2～8V，电流密度为10～320mA/cm²。

所述电极18的阳极与阴极间的最佳工作电压为3～5V，最佳电流密度为100～230mA/cm²。

以下给出所述新型的纳米催化电解装置的具体应用实施例。

实施例1

对受污染湖水的净化消毒的处理效果

将受污染湖水泵入新型纳米催化电解装置电解，两极间的电压为4 ~ 8V，电流密度为200～320mA/cm²），保持受污染湖水在电解槽中的停留时间不小于20秒，湖水的电解的用电量控制为0.009～0.1度/ｍ³，电解装置清洗的频率为3天1次。处理前后的效果见表1和表2。

表1 未经处理的湖水指标

表2 经过新型纳米催化电解装置处理后的湖水指标

实施例2

对海水的净化消毒的处理效果

将海水泵入新型纳米催化电解装置电解，两极间的电压为3～5V，电流密度为10～50mA/cm²，保持海水在电解槽中的停留时间不小于30秒~1分钟，海水的电解的用电量控制为0.001～0.004度/ｍ³，电解装置清洗的频率为3天1次。处理前后的效果见表3和表4。

表3  未经处理的海水指标

表4  经过新型纳米催化电解装置处理后的海水指标

实施例3

对印染深度处理废水的处理效果

将二沉池印染深度处理废水泵入新型纳米催化电解装置电解，两极间的电压为3～5V，电流密度为50～150mA/cm²，保持印染深度处理废水在电解槽中的停留时为1~5分钟，电解的用电量控制为0.5～1.0度/ｍ³，电解装置清洗的频率为2天1次。处理前后的效果见表5和表6。

表5 未经处理的印染深度处理废水指标

表6 经过新型纳米催化电解装置处理后的印染深度处理废水指标

实施例4

对制革废水生化后二沉池的制革深度处理废水的处理效果

将二沉池制革深度处理废水泵入新型纳米催化电解装置电解，两极间的电压为3～5V，电流密度为10～60mA/cm²，保持制革深度处理废水在电解槽中的停留时间为1~6分钟，电解的用电量控制为0.5～1.2度/ｍ³，电解装置清洗的频率为2天1次。处理前后的效果见表7和表8。

表7 制革生化后二沉池废水指标

表8 生化后二沉池制革废水经过纳米催化电解处理后的指标

Claims (9)

1.一种新型纳米催化电解装置，其特征在于设有壳体，壳体内部通过上隔板、下隔板与封板分割成左右二室，左室为电解室，右室为气浮沉淀室；电解室壳体上边部设有进水口，进水口通过管道与废水进水管道连接，电解室底部设有排污口，排污口与排污管连接，电解室设有至少一个电解槽；电解槽四周采用工程塑料封闭，上下两端敞开，下端设有电解槽进水口，上端设有电解槽出水口，电解槽固定在封板上，电解槽内安装有电极，电极与封板之间留有160~200mm间隙，为气浮层，电解槽顶部与封板之间密闭连接，电极极板间距间隙构成过水通道，电极包括阳极和阴极，阳极采用表面覆盖有晶粒为10～35nm的金属氧化物涂层的钛基板阳极，阳极与直流电源的阳极联接，阴极与直流电源的阴极联接；气浮沉淀室壳体一边设有出水口、冲洗嘴、冲洗管，出水口通过管道与出水管道连接，冲洗嘴、冲洗管通过管道与冲洗泵管道连接，气浮沉淀室壳体上部设有排气排渣口，排气排渣口通过管道与排气管道连接。

2.如权利要求1所述的一种新型纳米催化电解装置，其特征在于所述壳体设有内层和外层，内层采用工程塑料内层，外层采用钢板外层。

3.如权利要求1所述的一种新型的纳米催化电解装置，其特征在于所述每个电解槽出水口均设置一个用于电解槽冲洗的冲洗嘴。

4.如权利要求1所述的一种新型纳米催化电解装置，其特征在于所述装置设有受流量变化控制的自动清洗装置，当电解槽的流量小于设定值时，自动启动清洗开关，喷水冲洗。

5.如权利要求1所述的一种新型纳米催化电解装置，其特征在于所述装置设有受电阻变化控制的自动除垢装置，当电解槽的电阻大于设定值时，启动电极倒极除去结垢，除垢完成后自动倒回。

6.如权利要求1所述的一种新型纳米催化电解装置，其特征在于，所述阳极为平板状、圆弧状、圆筒状或网状阳极；所述阴极为钛阴极、铁阴极、铝阴极、不锈钢阴极、锌阴极、铜阴极、镍阴极、铅阴极或石墨阴极，所述阴极为平板状、圆弧状、圆筒状或网状阴极。

7.如权利要求1所述的一种新型纳米催化电解装置，其特征在于所述阳极和阴极间距为2mm ~ 12mm。

8.如权利要求1所述的一种新型纳米催化电解装置，其特征在于所述的阳极与阴极间的工作电压为2～8V，电流密度为10～320mA/cm²。

9.如权利要求1所述的一种新型纳米催化电解装置，其特征在于所述的于阳极与阴极间的最佳工作电压为3～5V，最佳电流密度为100～230mA/cm²。

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