CN104817137A - 一种用于水处理的准零极距电解槽 - Google Patents

Abstract

本发明属于电化学技术领域，涉及一种用于水处理的准零极距电解槽。由一个以上的电解槽单元组成，每个电解槽单元主要由电解槽槽体和嵌插在槽体内的两个以上的电极组件构成；所述电极组件由多孔阴极、隔膜框、隔膜和多孔阳极构成，所述隔膜框内框大小与隔膜尺寸相同，所述隔膜为电绝缘、透水多孔纤维膜。本发明电解槽，由于电极极距可以降低到多孔膜的厚度，使得极距可小于1mm，同时多孔膜在吸水后，电阻非常低，使槽压大幅减小，能耗急剧降低。该电解槽在相同处理量的情况下，可大幅度降低设备投资,减少装置占地面积。

Description

一种用于水处理的准零极距电解槽

技术领域

本发明属于电化学技术领域，涉及一种用于水处理的电化学处理设备，特别是涉及一种用于水处理的准零极距电解槽。

背景技术

水污染问题目前受到人们的广泛关注。工业废水、垃圾渗滤液、生活污水等具有毒性大、有机物含量高、成分复杂和处理难度大的特点。目前广泛使用的水处理技术处理这些废水、污水时其出水难以达到国家排放标准，或者需要很高的处理成本。

电催化高级氧化技术使用具有高析氧超电势的阳极，在电解时有机污染物在阳极表面被氧化改性或直接矿化。废水经电催化高级氧化技术处理后，既可以和其它技术联用，又可以单独使用。

目前，使用该技术的电解槽，普遍存在能耗高、处理量小的问题。

降低能耗的途径之一是添加无机盐，提高水的电导率，进而降低槽压，达到降低能耗的目的，但是添加的无机盐增加了药剂成本，并提高了废水的盐度，对后续处理，特别是生化处理造成严重影响。降低能耗的另一条途径是减小极距，但极距的减小使极板的使用量增多，增加了设备的投资成本。

提高处理量的方法是增加电解槽数量或者提高单槽处理能力。前者使投资成本大幅增加，不利于实际使用；后者可通过适当的电解槽设计在不增加投资成本的基础上实现。提高单槽处理能力，一方面可以增加极板数量，另一方面可以提高运行电流密度。增加极板数量，同样面临投资成本增加的问题，而提高电流密度又面临槽压过高，能耗增大的问题。

因此，电催化高级氧化电解槽降低能耗、增加处理量的关键是降低槽压、提高电流密度。

电解槽的槽压与电解槽内溶液电阻以及工作电流密度成正比。当工作电流密度一定时，电解槽电压正比于溶液的电阻，特别是低盐度的废水，其电导率非常低，电解液的电阻与阴/阳两电极间距呈正比，所以减小极间距是降低溶液电阻、降低槽压的有效措施。

中国专利CN 104176797 A、CN 103046067 A、CN 103103560 A、CN 202492585U、CN 202246892 U、CN 1083871 A等，用厚度不足1mm的离子交换膜将阴、阳极分隔，并把三者压紧，制成“零极距”电解槽，可以将极距减小至膜的厚度，目前已普遍使用于氯碱工业。但是，在水处理方面，上述“零极距”电解槽还无法适用，因为离子膜在污水中会被杂质离子和有机物堵塞，离子交换能力下降，运行时实际槽压升高，无法降低能耗。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种运行能耗低、处理量大的用于水处理的准零极距电解槽。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种用于水处理的准零极距电解槽，该电解槽由一个以上的电解槽单元组成，每个电解槽单元主要由电解槽槽体和嵌插在槽体内的两个以上的电极组件构成；

所述电解槽槽体由侧板、底板和端板构成，在侧板外壁的上部与收集槽固定，在侧板的内壁上有条形板，在侧板内壁上还有支撑条位于条形板下方，条形板之间的沟槽与支撑条共同固定插入的电极组件；所述侧板在条形板之上的位置还有溢流孔与收集槽连通；在两侧板于支撑条之下位置还有进水管穿过，所述进水管上有均匀分布的进水孔；所述收集槽底部有出水管，所述电解槽底板上设置有排污管；

所述电极组件由多孔阴极、隔膜框、隔膜和多孔阳极构成，所述隔膜框内框大小与隔膜尺寸相同，所述隔膜为电绝缘、透水多孔纤维膜。

所述电解槽侧板上端设有溢流孔，下端设有进水管，电解槽侧板上进水管位于支撑条下方。

所述电解槽侧板外侧设有收集槽，收集槽底部设有出水管，收集槽上端与电解槽侧板上端平齐，收集槽底部位于电解槽侧板溢流孔的下方。

所述条形板位于电解槽侧板内侧，并同电解槽侧板固定在一起。两相邻条形板间形成沟槽，该沟槽即为电极组件插入沟槽，条形板下端为支撑条，支撑条同电解槽侧板固定在一起。条形板的数目依每个电解槽单元内的电极组件数量而定。如插入两个电极组件，需要三块条形板。

所述电解槽侧板下部的进水管，在电解槽内连通在一起，其位于电解槽内的管段上均匀分布有进水孔。

所述收集槽、电解槽侧板、条形板、支撑条、底板和端板材料可选用聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、有机玻璃、ABS或尼龙材料，优选聚丙烯材料。

所述电极组件由多孔阴极、隔膜框、隔膜和多孔阳极构成。

所述多孔阴极为多孔金属板，优选金属拉伸网，孔尺寸2×2mm～10×20mm，优选5×12mm，多孔阴极材料可选用Fe、Co、Ni、Cu、Pb及其合金或不锈钢材料，优选不锈钢材料。在所述多孔阴极上端设置有阴极接线端子。

所述隔膜框为方框形结构，由不透水的绝缘材料制成，材料可选用聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、有机玻璃、ABS或尼龙材料，优选聚丙烯材料。

所述隔膜为电绝缘、透水多孔纤维膜，隔膜材料可选用PP、PE、玻璃纤维或微孔亲水PTFE膜，优选PP；隔膜厚度0.5-3mm，优选1-2mm；孔径1-500μm，优选50μm；其形状大小与结缘隔板内框形状大小相同。

所述多孔阳极为多孔钛板，优选钛拉伸网，孔尺寸2×2mm～10×20mm，优选5×12mm。多孔钛板表面涂覆有金属氧化物催化剂层，金属氧化物催化剂可选用PbO₂、SnO₂、Sb₂O₃、RuO₂、IrO₂或多元涂层金属氧化物，优选PbO₂。在上述网状阳极上端设置有阳极接线端子。

依序将上述多孔阴极、隔膜框、隔膜和多孔阳极复压在一起，隔膜置于隔膜框内框中，即组成一个电极组件。电极组件嵌插在前述电解槽条形板间的沟槽内。

上述单元电解槽内的电极组件电路采取并联方式连接，即将各电极组件的阴极接线端子和阳极接线端子分别并联在一起,在多单元电解槽组合时，其电路采用串联方式。

本发明可达到如下有益效果：

本发明电解槽，由于电极极距可以降低到多孔膜的厚度，使得极距可小于1mm，同时多孔膜在吸水后，电阻非常低，使槽压大幅减小，能耗急剧降低。同时，该电解槽可以在相等槽压，即相同能耗下，提高电流密度，提高处理量。此外，该电解槽在相同处理量的情况下，可大幅度降低设备投资,减少装置占地面积。

附图说明

图1：准零极距电解槽结构示意图。

图1中1-端板、2-排污管、3-底板、4-条形板、5-侧板、6-出水管、7-支撑条、8-收集槽、9-溢流孔、10-进水孔、11-进水管、12-电极组件

图2：电极组件示意图。

图2中121-多孔阴极、122-阴极接线端子、123-隔膜框、124-隔膜、125-多孔阳极、126-阳极接线端子

图3实施例2中电解前后甲硝唑废水的紫外-可见吸收光谱。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明的一种用于水处理的准零极距电解槽作进一步的说明。

如图1所示,一种用于水处理的准零极距电解槽，该电解槽由一个以上的电解槽单元组成，每个电解槽单元主要由电解槽槽体和嵌插在槽体内的两个以上的电极组件构成；

所述电解槽槽体由侧板5、底板3和端板1构成，侧板5外壁的上部与收集槽8固定，在侧板5的内壁上有条形板4，在侧板内壁上还有支撑条7位于条形板4下方，条形板4之间的沟槽与支撑条7共同固定插入的电极组件12；所述侧板5在条形板4之上的位置还有溢流孔9与收集槽8连通；在两侧板5于支撑条7之下位置还有进水管11穿过，所述进水管11上均匀分布有进水孔10；所述收集槽8底部有出水管6，所述电解槽底板3上设置有排污管2；

所述电极组件12由多孔阴极121、隔膜框123、隔膜124和多孔阳极126构成，所述隔膜框内框大小与隔膜尺寸相同，所述隔膜为电绝缘、透水多孔纤维膜。

在上述电解槽单元前后侧板上设有收集槽，收集槽底部中间位置设有一出水管，该出水管与下一电解槽单元的进水管相连。

在上述底板上设有一排污管，该排污管位于电解槽单元的底板的中间位置。

如图1所示，当电解槽有两个以上电解槽单元时，电解槽连接处可以合用一块端板，各单元间电路采取串联方式接在一起。

电解槽单元1内的各电极组件的阴极接线端子和阳极接线端子分别并联连接在一起。

同样地，上述电解槽单元2内的各电极组件的阴极接线端子和阳极接线端子分别并联连接在一起。

上述电解槽单元1和电解槽单元2内并联在一起的阴极接线端子和阳极接线端子串联连接在一起。最后，将该串联电路与脉冲直流电源相连接。

待处理废水通过电解槽侧板上的进水管进入电解槽单元1，在电解槽单元1内进行电解，电解后的电解液经电解槽侧板上端的溢流孔流入收集槽中，收集槽中的电解液通过收集槽底部的出水管，再通过电解槽单元2的侧板上的进水管进入电解槽单元2，在电解槽单元2中继续电解，再顺序进入第三、第四及后续电解槽单元，直至待处理废水达到要求的排放标准。

下面结合具体的实施例对本发明作更进一步的说明。

实施例1：某垃圾堆场垃圾渗滤液的处理

采用一个单元的准零极距电解槽，电解槽含2个电极组件。将2个电极组件的阴极接线端子和阳极接线端子分别并联连接在一起。最后，将并联连接在一起的阴极接线端子和阳极接线端子与脉冲直流电源相连接。

以某垃圾堆场的垃圾渗滤液的处理为例，在相同电流密度下，准零极距电解槽、传统电解槽和离子膜电解槽单级(含1个阴极和1个阳极)槽的槽压数据如表1。

表1：

取10L垃圾渗滤液原水，用准零极距电解槽和传统电解槽做电解，将COD由2800mg·L^-1降至2000mg·L^-1附近。两种电解槽的有效电解面积均为400cm²；准零极距电解槽电流密度开60mA，电流为24A，槽压为5.8V；传统电解槽的电流密度开20mA，电流为8A，槽压8.0V。COD降至～2000mg·L^-1时，准零极距电解槽用时50min，传统电解槽用时145min，相关数据如表2所示。

表2：

	准零极距电解槽	传统电解槽	评价
				初始COD/mg·L-1	2800	2800
处理后COD/mg·L-1	2020	2050
				电流/A	24	8	提高300％
槽压/V	5.8	8.0	降低27.5％
				处理时间/min·L-1	5	14.5	缩短65.5％
能耗/kWh·t-1	11.6	15.5	降低25.2％

将等体积废水的COD处理至相同水平，相对于传统电解槽，准零极距电解槽可将处理时间缩短65.5％，即单位时间处理量提高2.9倍，同时能耗降低25.5％。

实施例2：某公司甲硝唑废水改性

采用一个单元的准零极距电解槽，电解槽含4个电极组件。将4个电极组件的阴极接线端子和阳极接线端子分别并联连接在一起。最后，将并联连接在一起的阴极接线端子和阳极接线端子与脉冲直流电源相连接。

以某公司甲硝唑废水的改性为例，在相同电流密度下，准零极距电解槽、传统电解槽和离子膜电解槽单级(含1个阴极和1个阳极)槽的槽压数据如表3。

表3：

取10L甲硝唑废水，用准零极距电解槽和传统电解槽做电解，将甲硝唑浓度由32mg·L^-1降至5mg·L^-1附近。两种电解槽的有效电解面积均为400cm²；准零极距电解槽电流密度开40mA，电流为16A，槽压为5.3V；传统电解槽的电流密度开10mA，电流为4A，槽压6.2V。电解前后甲硝唑废水的紫外-可见吸收光谱如图3所示。

经两种电解槽电解，甲硝唑浓度都可以降至4～5mg·L^-1。准零极距电解槽用时160min，传统电解槽用时630min，相关数据如表4所示。

表4：

将等体积废水的甲硝唑浓度降至相同水平，相对于传统电解槽，准零极距电解槽可将处理时间缩短73.8％，即单位时间处理量提高3.8倍，同时能耗降低10.3％。

Claims (8)

1.一种用于水处理的准零极距电解槽，由一个以上的电解槽单元组成，每个电解槽单元主要由电解槽槽体和嵌插在槽体内的两个以上的电极组件构成,其特征在于，

所述电解槽槽体由侧板(5)、底板(3)和端板(1)构成，侧板(5)外壁的上部与收集槽(8)固定，在侧板(5)的内壁上有条形板(4)，在侧板(5)内壁上还有支撑条(7)位于条形板(4)下方，条形板(4)之间的沟槽与支撑条(7)共同固定插入的电极组件(12)；所述侧板(5)在条形板(4)之上的位置还有溢流孔(9)与收集槽(8)连通；在两侧板(5)于支撑条(7)之下位置还有进水管(11)穿过，所述进水管(11)上均匀分布有进水孔(10)；所述收集槽(8)底部有出水管(6)，所述电解槽底板(3)上设置有排污管(2)；

所述电极组件(12)由多孔阴极(121)、隔膜框(123)、隔膜(124)和多孔阳极(126)构成，所述隔膜框(123)内框大小与隔膜(124)尺寸相同，所述隔膜(124)为电绝缘、透水多孔纤维膜。

2.根据权利要求1所述的准零极距电解槽，其特征在于，所述收集槽、电解槽槽体的侧板、条形板、支撑条、底板和端板材料为聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、有机玻璃、ABS或尼龙材料。

3.根据权利要求1所述的准零极距电解槽，其特征在于，所述多孔阴极为多孔金属板，孔尺寸2×2mm～10×20mm。

4.根据权利要求3所述的准零极距电解槽，其特征在于，多孔阴极(121)选用Fe、Co、Ni、Cu、Pb及其合金或不锈钢材料制成，在所述网状阴极上端设置有阴极接线端子(122)。

5.根据权利要求1所述的准零极距电解槽，其特征在于，所述隔膜框(123)为方框形结构，由聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、有机玻璃、ABS或尼龙材料制成。

6.根据权利要求1所述的准零极距电解槽，其特征在于，所述隔膜材料为PP、PE、玻璃纤维或微孔亲水PTFE膜，隔膜厚度0.5-3mm，孔径1-500μm。

7.根据权利要求1所述的准零极距电解槽，其特征在于，所述多孔阳极(125)为多孔钛板，孔尺寸2×2mm～10×20mm。

8.根据权利要求7所述的准零极距电解槽，其特征在于，所述多孔阳极(125)多孔钛板表面涂覆有金属氧化物催化剂层，金属氧化物催化剂选用PbO₂、SnO₂、Sb₂O₃、RuO₂、IrO₂或多元涂层金属氧化物，在所述网状阳极上端设置有阳极接线端子(126)。