CN104773883B - 一种以光电气浮联合净化水中持久性有机污染物的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及水污染控制技术领域，特别涉及一种联合光催化还原、电催化分解、电气浮和电吸附技术，高效快速净化水中持久性有机污染物的方法。该方法包括如下步骤：首先以石墨电极为阴极，生铁电极为阳极，施加电场释放电气浮絮体，该絮体具有一定电导率，在电场作用下可在强化吸附的同时不完全分解水中污染物，进而以絮体中的铁化合物为催化剂，借助光辐射对絮体中吸附的污染物进行彻底的催化还原脱毒。该技术整合了多种水处理工艺，具有工艺协同性强、综合处理效率高、对微量持久性污染物的选择性好、处理成本低等优点，具有较高的工业应用潜力。
Description
技术领域
本发明涉及一种电化学技术领域，特别涉及一种以光催化、电催化、电气浮和电吸附协同处理水中持久性有机污染物的技术。
背景技术
随着我国工农业的迅猛发展，生产生活废水的排放量急剧增加，特别是炼化、制药、印染、食品加工等行业排放的废水，由于其浓度高、色度大、毒性强，给环境带来了严重的水体污染。这些废水中往往含有大量持久性的有机污染物，大多具有致癌、致畸、致突变的″三致″效应或者内分泌干扰作用，而且容易进入生物体内蓄积，因此，亟待采取切实有效的处理手段对其进行严格的控制。传统上常用的废水处理技术主要包括物理法、化学法、生物法等。生物法以其经济性和较高的处理效率成为目前使用广泛的方法，但它只能有限地处理生物相容的有机物，当废水中含有生物毒性污染物时或持久性有机污染物时，直接利用生物法处理该种废水则面临着较大的困难。
近年来，高级水处理技术即利用光、声、电、磁或无毒试剂催化氧化技术处理有机废水，特别是那些难于生化降解、对人类健康危害极大的持久性有机污染物，已成为当前世界水处理相当活跃的热点。其中，电化学水处理技术是高级水处理技术中的一种，因其具有其他水处理技术无法比拟的优点，近年来已受到国内外的广泛关注。电化学水处理技术是指在外加电场的作用下，在特定的反应器内，通过一系列设计的化学反应、电吸附过程、电气浮工艺，或者利用高能自由基的强氧化性对废水中的污染物进行降解，或者采取电吸附效应对污染物进行强化富集，或者利用气浮效应以实现对污染物实现絮凝吸附。作为一种清洁的处理工艺，电化学技术与其他水处理技术相比，具有功能多、操作灵活、二次污染少、易于控制等优点。此外，电化学操作条件温和，一般在常温常压下进行，设备紧凑，便于安置，具有较高的工业应用潜力。
电化学水处理技术从产生至今，已经历了十多年历史，然而尚未能广泛应用，主要原因在于：现有工业电极材料的使用成本较高，在实际应用中往往需要较高的电流密度，而持久性有机污染物在水中的浓度较低，而电化学技术对其缺乏选择性，导致大量的能量浪费在分解无关的天然有机物和析氢析氧上，处理成本居高不下；因此，需强化电化学过程对污染物的选择性，特别是结合其他的水处理工艺对污染物进行联合处理。专利CN201110005230.3公开了一种电解与光电催化预处理黄姜皂素酸性废水的方法，主要借助微电极、混凝和光电催化单元的连续运用来进行污水处理，但该方法需要多个反应单元，操作较为繁琐，而且不同工艺不在统一体系中，难以发挥协同处理效果；专利CN200310102639.2则公开了一种以光氧化絮凝处理有机污染物废水的方法，主要借助一种其氧化型可以迅速水解絮凝的新型化合物对污染物同时起到絮凝和光解的协同作用，但该过程并未涉及电化学过程，因此其效率和可控性收到一定影响。总的来说，现有的对于单一电化学水处理技术的研究较多，对于电化学与其他技术在同一体系中的耦合和协同研究较少，特别是针对水中微量持久性有机物的选择性电化学处理手段还比较缺乏。
发明内容
本发明是鉴于现有技术中存在的上述问题而做出的，本发明的目的在于提供一种以光催化、电催化、电气浮和电吸附协同处理水中持久性有机污染物的技术。
为了实现上述目的，本发明的技术方案，一种以光电气浮联合净化水中持久性有机污染物的方法，其特征在于，包括如下操作步骤：
1)构建阴极为石墨电极，阳极为生铁电极的恒流电解池系统，将含持久性有机污染物的待处理污水引入到电解池系统中，并以氯化钠调节电导率至12.4～22.5ms/cm，以盐酸和氢氧化钠调节pH值至5～9；
2)控制直流电源电压，使阳极电流密度缓慢升高至25～117A/m2，待铁化合物絮体稳定生成，缓慢搅拌污水，使絮体经气浮作用悬浮于水体表层；
3)待水体表层形成厚度大于3cm的铁化合物层时，开启位于水面上部的氙灯光源，对铁氧化物层中吸附的污染物以及被电催化不完全降解的污染物进一步以光催化还原处理；
4)持续照射30分钟后，开启进水泵，控制进水流速为0.5～1.0m3/h，进行连续处理；
5)不定时地以撇沫器撇去浮于水面的铁化合物絮体，每隔3～5天，更换腐蚀严重的生铁阳极。
该方法联合电催化分解、光催化还原、电气浮和电吸附技术，施加电场，使生铁电阳极氧化腐蚀和表面剥落，产生具有强吸附能力和光催化活性的，高电导率的铁化合物复合体，该复合体可强化吸附水中持久性有机污染物，并借助电化学氧化作用使之不完全氧化。电极表面析氢析氧产生的气泡可将该复合体气浮至水体表面，并进一步在光照下实现光催化还原脱卤化反应，实现彻底的脱毒净化。
该过程中，生铁阳极的电化学反应为：
Fe-2e→Fe2+ (1)
Fe2++2OH-→Fe(OH)2 (2)
4Fe2++O2+2H2O→4Fe3++4OH- (3)
其中反应(2)和(3)可形成铁化合物絮体，由于生铁电极中含有大量的碳颗粒和气泡、沙眼等缺陷，因此，在絮体析出的过程中不可避免的会出现碳颗粒的剥落，导致絮体中含有大量的活性炭颗粒，可增加其电导率并形成铁-碳微电解池，其电导率的提高可使污染物在吸附在絮体之上时同时发生电催化氧化作用，被部分分解；微电解池的形成则强化了这种催化分解的效率。在阴阳极表面的析氢析氧反应为：
2H2O-4e→O2+4H+ (4)
2H2O+2e→H2+2OH- (5)
由于碳颗粒的密度较低，在析氢析氧产生的微气泡的作用下，可被稳定地气浮至水体表面，便于光催化还原效果的实现。因此，生铁电极的采用是协同光催化、电催化、电气浮和吸附的关键因素。
通过上述的技术方案的实现，可以实现多种工艺和功能的联合运用，选择性净化水中持久性有机污染物，本发明具有如下有益效果：
1.本发明联合了电催化分解、光催化还原、电气浮和电吸附，多种工艺在同一反应体系中协同作用，效率加倍；
2.本发明对水中的典型持久性有机污染物，特别是农药类有机污染物具有较高选择性；
3.本发明所需的设备简单，耗材来源丰富，处理成本低，二次污染少，并兼具气浮絮凝效果，可同时去除水中的浊度和色度。
附图说明
为更清楚地说明本发明的具体实施方式，下面对具体实施方式部分的描述中使用到的附图作简单说明。
图1为光电气浮联合工艺结构的示意图
其中，附图标记说明如下：1-电解槽、2-生铁阳极、3-石墨阴极、4-直流电源、5-氙灯、6-铁化合物、7-进水泵、8-出水。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面，结合附图对本发明的具体的实施方式进行详细描述。
第一实施例
如图1所示，以该方法对含典型持久性有机污染物氟虫腈的废水进行处理，该废水含氟虫腈15mg/L，COD120mg/L，氨氮2.7mg/L。首先以50cm×50cm×1cm的生铁板2为阳极，等面积的石墨电极3为阴极，以额定电流为3000A的直流电源4供电，控制极板间距25cm，将含氟虫腈废水引入到电解槽1中，并以氯化钠调节电导率至20ms/cm，以盐酸和氢氧化钠调节pH值至6，启动直流电源4，缓慢提升电流至5A，待铁化合物6的絮体稳定生成后，缓慢搅拌污水，使絮体经气浮作用悬浮于水体表层，待水体表层形成厚度大于3cm的铁化合物6层时，开启位于水面上部的氙灯5光源，持续照射30分钟后，开启进水泵7，控制进水流速为0.5m3/h，进行连续处理，不定时地以撇沫器撇去浮于水面的铁化合物絮体，每隔5天，更换腐蚀严重的生铁阳极。连续处理3小时后，出水8水质达到稳定，出水中氟虫腈平均浓度为0.27mg/L，COD 22.5mg/L，氨氮未检出。
第二实施例
第二实施例为第一实施例的变形例，与第一实施例的区别在于，进水为硫丹废水，含硫丹0.35mg/L，COD 50.4mg/L，处理过程中，控制电导率为12.4ms/cm，pH值为9，电流30A，进水流率为1.0m3/h，其他条件与第一实施例相同，在此不做赘述。连续处理2小时后，出水水质达到稳定，出水中硫丹平均浓度为0.05mg/L，COD 31.5mg/L。
第三实施例
第三实施例为第一实施例的变形例，与第一实施例的区别在于，进水为灭蚁灵废水，含灭蚁灵3.5mg/L，COD11.4mg/L，处理过程中，控制电导率为22.5ms/cm，pH值为7.2，电流25A，进水流率为0.72m3/h，其他条件与第一实施例相同，在此不做赘述。连续处理2.5小时后，出水水质达到稳定，出水中灭蚁灵平均浓度为0.17mg/L，COD 8.9mg/L。
以上所述的具体实施方式仅用于具体说明本发明的精神，本发明的保护范围并不局限于此，对于本技术领域的技术人员来说，当然可根据本说明书中所公开的技术内容，通过变更、置换或变型的方式轻易做出其它的实施方式，这些其它的实施方式都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种以光电气浮联合净化水中持久性有机污染物的方法，其特征在于该方法联合电催化分解、光催化还原、电气浮和电吸附技术，施加电场，使生铁电阳极氧化腐蚀和表面剥落，产生具有强吸附能力和光催化活性的，高电导率的铁化合物复合体，该复合体可强化吸附水中持久性有机污染物，并借助电化学氧化作用使之不完全氧化，电极表面析氢析氧产生的气泡可将该复合体气浮至水体表面，并进一步在光照下实现光催化还原脱卤化反应，实现彻底的脱毒净化；
具体步骤包括：
1)构建阳极为生铁板(2)，阴极为石墨电极(3)的恒流电解池系统，将含持久性有机污染物的待处理水引入到电解池系统，并以氯化钠调节电导率至12.4～22.5mS/cm，以盐酸和氢氧化钠调节pH值至5～9；
2)控制直流电源(4)电压，使阳极电流密度缓慢升高至25～117A/m2，待铁化合物复合体(6)的絮体稳定生成，缓慢搅拌污水，使絮体经气浮作用悬浮于水体表层；
3)待水体表层形成厚度大于3cm的铁化合物复合体(6)时，开启位于水面上部的氙灯光源(5)，对铁化合物复合体(6)中吸附的污染物以及被电催化不完全降解的污染物进一步以光催化还原处理；
4)持续照射30分钟后，开启进水泵(7)，控制进水流速为0.5～1.0m3/h，进行连续处理；
5)不定时地以撇沫器撇去浮于水面的铁化合物复合体的絮体，每隔3～5天，更换腐蚀严重的生铁阳极。
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