CN104556310A - 一种上升流复极性三维电化学反应器 - Google Patents

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Abstract

一种上升流复极性三维电化学反应器，本发明涉及一种三维电化学反应器，它为了解决现有三维电化学反应器的电流效率低以及废水处理效果差的问题。该上升流复极性三维电化学反应器包括工作电极阴极、工作电极阳极、有机玻璃筛网和粒子电极，在两层有机玻璃筛网之间夹有阴极形成阴极组件，在两层有机玻璃筛网之间夹有阳极形成阳极组件，沿三维电化学反应器器体的垂直方向间隔交替排列阴极组件和阳极组件，相邻的阴极组件与阳极组件之间形成反应单元，反应单元中填充有粒子电极，在溢流堰下方开有出水口。本发明通过粒子电极缩短污染物的传质距离，提高了电流效率，易于增加电化学反应单元，最终能使废水COD的去除率达到80％以上。

Description

一种上升流复极性三维电化学反应器
技术领域
本发明涉及一种三维电化学反应器。
背景技术
近年来，废水的排放量呈现日益增加的趋势，有毒有害等难降解废水的可生化性差，废水的成分越来越复杂。随着国家污染排放指标的日趋严格及污染减排工作的进一步推进，各企业污水处理面临巨大挑战，现行的污水处理工艺几乎不能满足国家日益严格的排放标准。因此，实现废水处理设施稳定运行、达标排放是几乎所有企业面临的共性问题。而电化学法作为高级氧化法的一种具有无二次污染、无需外加化学试剂、反应条件温和、氧化性极强等特点在处理难生物降解、高盐度、高浓度的有机废水处理过程中得到了大量的应用。
三维电化学反应器的出现提高了电化学反应器的面体比，增加了反应器的处理效率，三维电化学反应器作为一种新型的电化学反应器，它是在传统二维电解槽电极间装填粒状或其他碎屑状的工作电极材料并使装填工作电极材料表面带电，成为新的一极(第三极)，在工作电极材料表面能发生电化学反应。但是现有的传统三维电化学反应器还存在着传质不均匀、电流效率低、电极更新复杂等问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有三维电化学反应器的电流效率低以及废水处理效果差的问题，而提供一种上升流复极性三维电化学反应器。
本发明上升流复极性三维电化学反应器包括工作电极阴极、工作电极阳极、有机玻璃筛网、粒子电极和溢流堰，在两层有机玻璃筛网之间夹有工作电极阴极形成阴极组件，在两层有机玻璃筛网之间夹有工作电极阳极形成阳极组件，在工作电极阴极和工作电极阳极上均匀开有水孔，沿圆筒形反应器器体的垂直方向间隔交替排列多组阴极组件和阳极组件，相邻的阴极组件与阳极组件之间形成反应单元，在每个反应单元中填充有粒子电极，溢流堰设置在圆筒形反应器器体的顶部，在溢流堰下方开有出水口。
本发明利用进水水泵调节反应进水流量，当待处理废水由三维电化学反应器底部进入反应器内，在上升水流的作用下，反应器内粒子电极处于悬浮状态；当对反应器施加一定的电压后，此时三维电化学过程中粒子电极因感应带电而使两侧呈正负两极，形成许多微小的电解槽，在每个粒子周围都形成一个电场，三维电化学反应器内有无数个电解槽，当反应器施加的外加电压大于污染物分解电压时，污染物就会被分解。
由于主电极间的电场使粒子电极通过静电感应而分别带上正电荷和负电荷，使每个粒子感应为成为一个独立的电极，即粒子电极两端分别为阴阳极，这样氧化和还原反应则在每一个粒子电极表面同时进行，缩短污染物的传质距离，加大电化学反应的电流效率。同时，在外加电压的作用下，反应器内形成了具有强氧化能力的羟基自由基，对污染物起到氧化分解的作用。这样的连续电化学反应过程，使难降解污染物不断被降解，从而使出水达标排放。
本发明上升流复极性三维电化学反应器更有利于各种电化学反应的进行，能够根据实际需要而增加电化学反应单元，提高反应的有效面积，增大反应器的体积，提高处理效率，同时电极更换简便易行。在进水蠕动泵的作用下使上升流复极性三维电化学反应器内部填充的粒子电极处于悬浮状态，提高反应的传质效果，使电流效率达到80％以上，同时避免了使用搅拌或者曝气装置带来的额外电能消耗，也避免了在电极上沉积杂质。上升流三维电化学反应器内部流体的速度分布较均匀，反应器内流体混合程度好，流体的速度变化均匀，当流体反应结束后随着流体的流动作用，在反应器的上部出口完成流体的自混合过程，使反应器达到良好的出水效果，最终使废水COD的去除率达到80％以上。流体在继续流动过程中的压力变化不大，基本上呈现均匀分布的状态。该三维电化学反应器克服了现有设备处理废水效果差、成本高、传质效果差等缺点。具有操作简便、氧化彻底、运行稳定等优点，达到了高效率低能耗的目的。
附图说明
图1为本发明上升流复极性三维电化学反应器的结构示意图；
图2为实施例中电极的俯视图；
图3为实施例废水COD去除率变化图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式上升流复极性三维电化学反应器包括工作电极阴极5、工作电极阳极6、有机玻璃筛网4、粒子电极7和溢流堰8，在两层有机玻璃筛网4之间夹有工作电极阴极5形成阴极组件，在两层有机玻璃筛网4之间夹有工作电极阳极6形成阳极组件，在工作电极阴极5和工作电极阳极6上均匀开有水孔，沿圆筒形反应器器体3的垂直方向上间隔交替排列多组阴极组件和阳极组件，相邻的阴极组件与阳极组件之间形成反应单元A，在每个反应单元A中填充有粒子电极7，溢流堰8设置在圆筒形反应装器器体3的顶部，在溢流堰8下方开有出水口。
本实施方式所述的三维电化学反应器包括工作电极阳极、工作电极阴极以及粒子电极，为了充分利用电极的面积，阳极与阴极的电极交替排布在反应器内，阳极和阴极置于有机玻璃筛网之间，粒子电极填充于有机玻璃筛网之间，其粒径大于玻璃筛网的直径。通电后，在进水蠕动泵的作用下使废水自下而上，经过有机玻璃筛网的孔流入三维电化学反应器，进行废水的电化学处理过程，反应器内的粒子电极在外加电场的作用下，粒子的一端成为阳极，另一端为阴极，整个粒子形成一个立体的电极，废水中的污染物能够在粒子电极上发生氧化还原反应，使污染物质得以降解。
本实施方式提出的升流式复极性三维电化学反应器，增加了电极的处理效果和电流效率，提高了废水在反应器内的传质效果，且在提高废水的处理效率的同时还降低了运行成本。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是通过法兰固定两层有机玻璃筛网4与工作电极阳极6形成阳极组件，通过法兰固定两层有机玻璃筛网4与工作电极阴极5形成阴极组件。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是工作电极阴极5为钛板电极、不锈钢电极或石墨板电极。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是工作电极阳极6为钛板电极、活性炭纤维电极、不锈钢电极、石墨电极或金属氧化物电极。
本实施方式中所述的金属氧化物电极中的金属氧化物为RuO2、MnO2、PbO2、PtO2、IrO2、InO2、SnO2、BDD或PdO2。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是粒子电极7为金属导体球、镀有金属的玻璃球或塑料球、活性炭、瓷环或玻璃珠。
本实施方式中所述的金属导体球和镀有金属的玻璃球中的金属材料为Fe、CO、Ni、Mn、Cu、Ti、W或Pb。
粒子电极为活性炭，其既有吸附作用，又可作为导电粒子，由于它的吸附作用可使有机物在其表面上富集，吸附的污染物又在电场作用下氧化还原降解，所以氧化还原反应不受吸附饱和量的影响。废水通过粒子电极间及多孔介质内部的孔道流动，粒子电极内的传质过程得以强化，有效地提高了电化学反应的电解效率。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是粒子电极7的填充量占反应单元A体积的1/6～1。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是在溢流堰8外围还设置有集水槽9，在集水槽9的底部开有出水孔。
本实施方式中的集水槽用来收集溢面清水。
实施例：本实施例所述的上升流复极性三维电化学反应器包括工作电极阴极5、工作电极阳极6、有机玻璃筛网4、粒子电极7和溢流堰8，通过法兰在两层有机玻璃筛网4之间夹固工作电极阴极5形成阴极组件，通过法兰在两层有机玻璃筛网4之间夹固工作电极阳极6形成阳极组件，在工作电极阴极5和工作电极阳极6上均匀开有水孔，沿圆筒形反应器器体3的垂直方向上间隔交替排列3组阴极组件和2组阳极组件，相邻的阴极组件与阳极组件之间形成反应单元A，在每个反应单元A中填充有粒子电极7，溢流堰8设置在圆筒形反应器器体3的顶部，在溢流堰8外围还设置有集水槽9，在集水槽9的底部开有出水孔。
本实施例在上升流复极性三维电化学反应器前还设置有进水调节装置1，进水调节装置1的出水口通过水管1-1与位于三维电化学反应器底部的进水口相连通，进水水泵2设置在水管1-1中。
本实施例中的三维电化学反应器的高度为350mm，有效体积为3.5L。工作电极阴极为不锈钢电极，工作电极阳极为Ti/SnO2电极，粒子电极采用SnO2瓷环电极，阳极与阴极之间的距离为50mm，粒子填充量占反应单元有效体积的1/2。阳极和阴极均为圆环状电极，电极外径为160mm，内径40mm，极板上分布直径为4mm的水孔，水孔是由线切割加工而成，电极有效面积为100cm2。有机玻璃筛网上平均分布着直径为5mm的圆孔，进水通过筛网使筛网也起到布气的作用，将粒子电极填充于有机玻璃筛网上，便于三维电化学反应器内强氧化剂羟基自由基(·OH)的产生，H2O→·OH+H++e-。
应用本实施例提供的三维电化学反应器处理未达标的浙江省海宁市某厂的二级处理出水，勿需额外投加化学试剂，COD为163mg/L，当电流密度为7.5mA/cm2，反应60min后，本发明提供的上升流复极性三维电化学反应器COD的去除率为83.33％(图3)，电流效率为86％，能量消耗为11.7kWh/kgCOD，说明本实施提供的三维电化学反应器能够有效的提废水处理效率、电流效率，并降低能耗，是一种低能高效的上升流三维电化学反应器。

Claims (7)

1.上升流复极性三维电化学反应器，其特征在于该上升流复极性三维电化学反应器包括工作电极阴极(5)、工作电极阳极(6)、有机玻璃筛网(4)、粒子电极(7)和溢流堰(8)，在两层有机玻璃筛网(4)之间夹有工作电极阴极(5)形成阴极组件，在两层有机玻璃筛网(4)之间夹有工作电极阳极(6)形成阳极组件，在工作电极阴极(5)和工作电极阳极(6)上均匀开有水孔，沿圆筒形反应器器体(3)的垂直方向上间隔交替排列多组阴极组件和阳极组件，相邻的阴极组件与阳极组件之间形成反应单元(A)，在每个反应单元(A)中填充有粒子电极(7)，溢流堰(8)设置在圆筒形反应装器器体(3)的顶部，在溢流堰(8)下方开有出水口。
2.根据权利要求1所述的一种上升流复极性三维电化学反应器，其特征在于通过法兰固定两层有机玻璃筛网(4)与工作电极阳极(6)形成阳极组件，通过法兰固定两层有机玻璃筛网(4)与工作电极阴极(5)形成阴极组件。
3.根据权利要求1所述的一种上升流复极性三维电化学反应器，其特征在于工作电极阴极(5)为钛板电极、不锈钢电极或石墨板电极。
4.根据权利要求1所述的一种上升流复极性三维电化学反应器，其特征在于工作电极阳极(6)为钛板电极、活性炭纤维电极、不锈钢电极、石墨电极或金属氧化物电极。
5.根据权利要求1所述的一种上升流复极性三维电化学反应器，其特征在于粒子电极(7)为金属导体球、镀有金属的玻璃球或塑料球、活性炭、瓷环或玻璃珠。
6.根据权利要求1所述的一种上升流复极性三维电化学反应器，其特征在于粒子电极(7)的填充量占反应单元(A)体积的1/6～1。
7.根据权利要求1所述的一种上升流复极性三维电化学反应器，其特征在于在溢流堰(8)外围还设置有集水槽(9)，在集水槽(9)的底部开有出水孔。
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