CN102976451A - 一种原位电产生h2o2协同o3氧化的废水处理装置及方法 - Google Patents

一种原位电产生h2o2协同o3氧化的废水处理装置及方法 Download PDF

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Abstract

一种原位电产生H2O2协同O3氧化的废水处理装置及方法，装置包括反应容器，反应容器的底部设有磁力搅拌器，搅拌磁子设在反应容器内，反应容器的内部设有不锈钢微孔曝气头、惰性阳极和气体扩散阴极，惰性阳极和气体扩散阴极竖直相对，反应容器还设有通入O3的管路，惰性阳极和气体扩散阴极采用直流电源；方法为：先将惰性阳极和气体扩散阴极插入到被处理废水溶液中，并与直流电源连接，然后使用聚四氟乙烯管将纯氧气与臭氧发生器连接，并在臭氧发生器出气口处接上不锈钢微孔曝气头，插入废水的溶液底部，最后接通直流电源，处理废水溶液，本发明持续、高效产生H2O2，并能与O3迅速反应产生·OH高效去除水体中难降解有机污染物。

Description

一种原位电产生H2O2协同O3氧化的废水处理装置及方法
技术领域
本发明属于电化学废水处理技术领域，具体涉及一种原位电产生H2O2协同O3氧化的废水处理装置及方法。
背景技术
O3氧化技术被广泛用于污水治理和净化工艺。O3在氧化过程中有两种机理：（1）直接氧化。在酸性溶液中，由于其氧化还原电位较高2.07Vvs.NHE，O3分子可亲电进攻有机物使其氧化。（2）间接氧化。在碱性溶液中，其氧化还原电位为1.25V vs.NHE，O3分子先产生具有强氧化性的·OH，从而降解有机物。根据以上特点，O3氧化具有氧化能力有限、受pH影响较大等缺陷，不适用于实际污水的处理。
近些年，一些基于O3氧化的高级氧化技术（如UV/O3、H2O2/O3(Peroxone)等）得到了广泛研究，这些新技术可有效处理含氯、有机农药以及药物的污水。
Peroxone过程是指在水溶液中，利用H2O2和O3反应产生·OH而降解有机污染物的过程。Ormad等人研究了使用Peroxone过程处理有机氯废水（三氯杀螨醇和涕滴恩），结果表明Peroxone氧化体系比O3氧化体系能更有效的去除氯苯类物质。Ku等人将Peroxone过程用于降解丙酮溶液，其结果表明：（1）在碱性条件下Peroxone降解效率更高（2）H2O2与O3的摩尔比为0.5时，降解效果最佳。
1894年，法国人Fenton在研究中发现亚铁离子（Fe2+）与过氧化氢（H2O2）在酸性水溶液中，可以有效氧化酒石酸，这种亚铁盐和H2O2的反应叫做Fenton反应。随着进一步的研究，电-芬顿（Electro-Fenton）综合了电化学过程和Fenton过程，将电化学过程产生的Fe2+和H2O2作为Fenton试剂的持续来源，在反应过程中无须添加任何试剂，且大大提高了Fenton处理的效率。基于此，可在Peroxone反应中引入电化学持续产H2O2过程，从而进一步提高Peroxone过程降解有机污染物的效率。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种原位电产生H2O2协同O3氧化的废水处理装置及方法，完全不需加药剂，利用电化学方法持续、高效产生H2O2，并能与O3迅速反应产生·OH高效去除水体中难降解有机污染物。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种原位电产生H2O2协同O3氧化的废水处理装置，包括反应容器4，反应容器4的底部设有磁力搅拌器1，搅拌磁子2设在反应容器4内，反应容器4的内部设有不锈钢微孔曝气头3、惰性阳极5和气体扩散阴极6，搅拌磁子2、不锈钢微孔曝气头3、惰性阳极5和气体扩散阴极6浸没在废水溶液中，惰性阳极5和气体扩散阴极6竖直相对，反应容器4还设有通入O3的管路，惰性阳极5和气体扩散阴极6采用直流电源。
阴极O2还原过程需要对废水溶液进行微孔曝气，所曝气体为O2与O3的混合气体，其中O2体积分数大于95%，所曝O3的量为0-20g/(h·L废水)，采用不锈钢微孔曝气，曝气流量范围为0-0.5L/min，曝气同时伴随着800-1200rpm的搅拌。
所述的气体扩散阴极6采用炭黑-聚四氟乙烯（C-PTFE）气体扩散电极，在直流电场中，制得C-PTFE阴极表面在废水溶液中形成固液气三相界面，并于此三相界面处还原溶解的O2生成H2O2，进而与通入的O3反应生成具有强氧化性的·OH。
所述直流电源为恒定电流的直流电源，通电时阴极电流密度范围为0-60mA/cm2。
所述的废水的溶液初始TOC范围为0-100000ppm；允许的pH范围为2-12。
一种原位电产生H2O2协同O3氧化的废水处理方法，包括以下步骤：
第一步，将准备好的惰性阳极5和气体扩散阴极6插入到废水溶液中，并将之与直流电源连接，通电时阴极电流密度范围为0-60mA/cm2；
第二步，向反应容器4中通过微孔曝气头3曝入O2和O3的混合气体，所曝气体流速范围为0-0.5L/min；
第三步，根据恒定电流、O2和O3混合气体流量，接通直流电源，处理废水溶液。
原位电产生H2O2协同O3氧化处理废水0.5h-12h之后，可达到明显的去除效果。
与传统电化学处理废水方法（直接电化学氧化、Electro-Fenton等等）相比，本发明的独特优点和有益效果如下：
（1）不需要加入化学药剂，大幅降低处理成本。
（2）H2O2由气体扩散阴极持续原位产生，提高了安全性能。
（3）持续原位产生的H2O2与持续制得的O3可充分发生反应，提高反应效率。
（4）处理废水的pH范围广，无需调节pH。
（5）处理过程清洁，不会产生污泥以及二次污染。
（6）处理过程中只需控制直流电流以及曝气流速，易于控制。
（7）可与其他废水处理技术联用，提高处理效率。
可见，本发明是处理难降解、高浓度有机废水的一种高效技术，具有良好的发展前景。
附图说明
附图为本发明的装置结构示意图。
具体实施步骤
下面结合附图和实施例对本发明做详细描述。
参照附图，一种原位电产生H2O2协同O3氧化的废水处理装置，包括反应容器4，反应容器4的底部设有磁力搅拌器1，搅拌磁子2设在反应容器4内，反应容器4的内部设有不锈钢微孔曝气头3、惰性阳极5和气体扩散阴极6，搅拌磁子2、不锈钢微孔曝气头3、惰性阳极5和气体扩散阴极6浸没在废水溶液中，惰性阳极5和气体扩散阴极6竖直相对，反应容器4还设有通入O3的管路，惰性阳极5和气体扩散阴极6采用直流电源。
阴极O2还原过程需要对废水溶液进行微孔曝气，所曝气体为O2与O3的混合气体，其中以O2体积分数大于95%，所曝O3的量为0-20g/(h·L废水)，采用不锈钢微孔曝气，曝气流量范围为0-0.5L/min，曝气同时伴随着800-1200rpm的搅拌，有利于反应物的液相传质，提高反应几率和处理效果。
所述的气体扩散阴极6采用C-PTFE气体扩散电极，在直流电场中，制得C-PTFE阴极表面在废水溶液中形成固液气三相界面，并于此三相界面处还原溶解的O2生成H2O2，进而与通入的O3反应生成具有强氧化性的·OH。
所述直流电源为恒定电流的直流电源，通电时阴极电流密度范围为0-60mA/cm2。
所述的废水的溶液初始TOC范围为0-100000ppm；允许的pH范围为2-12。
本发明的工作原理为：
参照附图，向有机废水的溶液中通入O2和O3的混合气体，在直流电场中，废水中溶解的O2被还原为H2O2，继而与溶液中溶解的O3发生反应生成具有强氧化性的·OH，从而氧化降解有机污染物，此过程中需根据情况，向被处理废水中加入或不加入一定量电解质使其具有良好的导电性能。
一种原位电产生H2O2协同O3氧化的废水处理方法，包括以下步骤：
第一步，将准备好的惰性阳极5和气体扩散阴极6插入到废水溶液中，并将之与直流电源连接，通电时阴极电流密度范围为0-60mA/cm2；
第二步，向反应容器4中通过微孔曝气头3曝入O2和O3的混合气体，所曝气体流速范围为0-0.5L/min；
第三步，根据恒定电流、O2和O3混合气体流量，接通直流电源，处理废水溶液。
下面采用本装置及方法对几种废水进行处理，其结果如下：
实施例1：与O3氧化、电产生H2O2氧化对有机物的去除比较
实验条件：气体扩散阴极6面积：10cm2
惰性阳极5面积：1cm2
直流电源：100mA
电解质：0.05M Na2SO4溶液
O3浓度：60.82mg/L
曝气流速：0.4L/min
废水溶液初始TOC值：85ppm
废水溶液初始pH值：8.18
注：废水的溶液为Orange II水溶液，Orange II是一种染料，化学式为C16H11N2NaO4S；O3氧化实验中直接向溶液中曝混合气体；电产生H2O2氧化实验中所曝气体为纯氧气。
表1不同处理工艺去除效果比较
Figure BDA00002597296000061
Figure BDA00002597296000071
表1说明了相对于O3氧化、电产生H2O2直接氧化，电产生H2O2协同O3氧化显示了更优异的降解Orange II能力，去除效果有了明显的提升。
实施例2.：不同电解电流对有机物的去除比较
实验条件：气体扩散阴极6面积：20cm2
惰性阳极5面积：1cm2
直流电源：0mA、200mA、400mA、
O3浓度：60.82mg/L
曝气流速：0.3L/min
废水溶液初始TOC值：1550ppm
废水溶液初始pH值：7.91
注：被处理溶液为垃圾渗滤液
表2不同电解电流对降解结果的影响
Figure BDA00002597296000072
表2说明了在所控电流范围内，电解电流越大，电产生H2O2协同O3氧化去除效果越好，这是由于电流增大会产生更多的H2O2，提高了降解效率。
实施例3.：曝不同浓度O3对有机物的去除比较
实验条件：气体扩散阴极6面积：20cm2
惰性阳极5面积：1cm2
直流电源：100mA
O3浓度：0mg/L、30mg/L、60.82mg/L
曝气流速：0.3L/min
废水溶液初始TOC值：1550ppm
废水溶液初始pH值：7.91
注：被处理溶液为垃圾渗滤液
表3曝不同浓度O3对降解结果影响
表3说明了随着所曝O3浓度增加，对垃圾渗滤液的去除效率更高，这是由于在此过程中产生了更多的·OH。
实施例4.：对不同初始TOC废水溶液的去除比较
实验条件：惰性阳极5：1cm2
O3浓度：60.82mg/L
废水溶液初始TOC值：85ppm、1550ppm
废水溶液初始pH值：8.18
注：TOC=85ppm溶液为Orange II溶液，电解电流为100mA，以0.05M Na2SO4溶液作为电解质，曝气流速为0.4L/min，气体扩散阴极6面积为10cm2；TOC=1550ppm溶液为垃圾渗滤液，电解电流为600mA，曝气流速为0.3L/min，气体扩散阴极6面积20cm2。
表4不同初始TOC废水溶液处理效果比较（格式）
表4说明了电产生H2O2协同O3氧化不仅对低TOC废水溶液有效去除，对高浓度TOC废水溶液也能高效去除。
实施例5：对不同初始pH对有机物的去除比较
实验条件：气体扩散阴极6面积：20cm2
惰性阳极5面积：1cm2
直流电源：100mA
电解质：0.05M Na2SO4溶液
O3浓度：60.82mg/L
曝气流速：0.4L/min
废水溶液初始TOC值：85ppm
废水溶液初始pH值：3.02、8.18、10
注：被处理溶液为Orange II水溶液
表5不同初始pH值对降解结果的影响
Figure BDA00002597296000101
表5说明了在不同pH下，电产生H2O2协同O3氧化都能有效的降解溶液中Orange II；pH较高时略有下降，这是由于在pH较高时O3发生了部分分解，降低了产生·OH的效率。

Claims (6)

1.一种原位电产生H2O2协同O3氧化的废水处理装置，包括反应容器（4），其特征在于：反应容器（4）的底部设有磁力搅拌器（1），搅拌磁子（2）设在反应容器（4）内，反应容器（4）的内部设有不锈钢微孔曝气头（3）、惰性阳极（5）和气体扩散阴极（6），搅拌磁子（2）、不锈钢微孔曝气头（3）、惰性阳极（5）和气体扩散阴极（6）浸没在废水溶液中，惰性阳极（5）和气体扩散阴极（6）竖直相对，反应容器（4）还设有通入O3的管路，惰性阳极（5）和气体扩散阴极（6）采用直流电源。
2.根据权利要求1所述的一种原位电产生H2O2协同O3氧化的废水处理装置，其特征在于：阴极O2还原过程需要对废水溶液进行微孔曝气，所曝气体为O2与O3的混合气体，其中O2体积分数大于95%，所曝O3的量为0-20g/(h·L废水)，采用不锈钢微孔曝气，曝气流量范围为0-0.5L/min，曝气同时伴随着800-1200rpm的搅拌。
3.根据权利要求1所述的一种原位电产生H2O2协同O3氧化的废水处理装置，其特征在于：所述的气体扩散阴极（6）采用C-PTFE气体扩散电极，在直流电场中，制得C-PTFE阴极表面在废水溶液中形成固液气三相界面，并于此三相界面处还原溶解的O2生成H2O2，进而与通入的O3反应生成具有强氧化性的·OH。
4.根据权利要求1所述的一种原位电产生H2O2协同O3氧化的废水处理装置，其特征在于：所述直流电源为恒定电流的直流电源，通电时阴极电流密度范围为0-60mA/cm2。
5.根据权利要求1所述的一种原位电产生H2O2协同O3氧化的废水处理装置，其特征在于：所述的废水的溶液初始TOC范围为0-100000ppm；允许的pH范围为2-12。
6.根据权利要求1所述的一种原位电产生H2O2协同O3氧化的废水处理装置，其特征在于：废水处理方法包括以下步骤：
第一步，将准备好的惰性阳极（5）和气体扩散阴极（6）插入到被废水溶液中，并将之与直流电源连接，通电时阴极电流密度范围为0-60mA/cm2；
第二步，使用臭氧发生器向反应容器4中通过微孔曝气头3曝入O3，所曝气体流速为0-0.5L/min；
第三步，根据恒定电流、O2和O3混合气体流量，打开气瓶，接通直流电源，处理废水溶液。
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