CN104925916A - 污水动态电催化氧化实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了污水动态电催化氧化实验方法，包括污水动态电催化氧化实验系统，污水动态电催化氧化实验包括蠕动泵、电催化氧化容器、搅拌容器，其中，蠕动泵的进水口与搅拌容器的出水口连通，蠕动泵的出水口与电催化氧化容器的进水口连通，电催化氧化容器的出水口与搅拌容器的进水口连通，电催化氧化容器内设置有若干电极板，相邻电极板之间存在间隙，同时所有电极板处于悬空状态，电极板与电催化氧化容器的底面、侧面都存在间隙，并且电极板处于电催化氧化容器内的液面以下；电极板包括正极电板和负极电板，正极电板和负极电板间隔放置。

Description

污水动态电催化氧化实验方法

技术领域

    本发明涉及环保技术领域，具体是污水动态电催化氧化实验方法。

背景技术

焦化污水是在煤的高温干馏、煤气净化以及化工产品精制过程中所产生的废水。目前采用生化法可基本去除这类废水中的酚类和氨氮等有机污染物，但处理后的出水中仍含有一些难降解的杂环或多环类有机污染物而达不到国家排放标准或企业回用要求，需进行深度处理。

电催化氧化法是清洁处理方法，无需另外投加氧化剂、无二次污染、占地面积小、去除率高、选择性强，可深度处理焦化废水。国内外对电催化氧化法处理废水的研究很多，但大多集中在对影响因素的研究上，如电极材料、电流密度、极板间距、槽电压等对废水处理效果的影响，却很少研究能耗问题。电催化氧化法虽然可有效地处理焦化废水，提高废水的可生化性，但高能耗却制约了其在废水处理中的应用。因此需要对电催化氧化处理焦化废水中的能耗问题进行了研究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种污水动态电催化氧化实验方法，该系统设计成一套独立的动态电催化氧化实验系统，可以用于研究能耗与电催化氧化法的关系。

本发明的目的主要通过以下技术方案实现：包括污水动态电催化氧化实验系统，污水动态电催化氧化实验系统包括蠕动泵、电催化氧化容器、搅拌容器，其中，蠕动泵的进水口与搅拌容器的出水口连通，蠕动泵的出水口与电催化氧化容器的进水口连通，电催化氧化容器的出水口与搅拌容器的进水口连通，电催化氧化容器内设置有若干电极板，相邻电极板之间存在间隙，同时所有电极板处于悬空状态，电极板与电催化氧化容器的底面、侧面都存在间隙，并且电极板处于电催化氧化容器内的液面以下；电极板包括正极电板和负极电板，正极电板和负极电板间隔放置；还包括以下步骤：

设置实验用水参数：实验用水来自经过A2/O 工艺处理后的焦化废水，COD 为110~125 mg/L，pH 约为6.45，氨氮质量浓度约为32.2 mg/L；电催化氧化处理后的出水COD 要求小于75 mg/L；

将2 L 废水加入上述系统内，通过改变蠕动泵转速调节流量分别为20、50、200、400 mL/min，电流密度调至100 A/m2，磁力搅拌器转速为1 800 r/min；分别在0、40、80、120、160、240、360 min时间节点处，从搅拌容器中取样测定COD；

COD 的测定：使用CTL-12 型COD 快速测定仪，采用快速消解法测定废水 COD；

能耗的计算：  按式（1）计算电催化氧化去除单位质量COD 的能耗；

ＥＣ＝（U*I*t/V*△COD）*1000（1）；

式中：EC为去除单位质量 COD 的能耗，W·h/g；U为槽电压，V； I为电流，A； t为处理时间，h； V为处理水量，L；ΔCOD为反应前后COD 之差，mg/L；

实验分析，对比实验数据得出结论。

上述装置的运行过程为：污水充满蠕动泵、电催化氧化容器、搅拌容器、以及它们之间的连通路径中；在蠕动泵的推动作用下，污水在搅拌容器内被搅拌均匀后进入到蠕动泵，最后推入到电催化氧化容器，在电催化氧化容器内，电极板每2个为一组形成接通正负直流电源，污水在电催化氧化容器内得到电催化氧化；电极板架设在反应器中心位置并与电催化氧化容器底面、侧面、水面都有一定距离，方便水流通过，消除搅拌时的水流死角。在实验过程中，我们可以改变电极板的电流、数量、蠕动泵的流速等参数作为唯一变量参数，使得根据其运行的结果测定得出能量损耗与电催化氧化法的关系，并找到最佳实施方法。

流速为400 mL/min 时COD 的处理效果最差，处理360 min 后，COD 仅从123.6 mg/L 降至92.1 mg/L，而同样处理360 min 后，流速为20、 50、200 mL/min 情况下的处理效果相差不大。流速为50 mL/min 的情况下COD 去除速度是最快的，处理120 min COD 可降低到72.6 mg/L，已接近最低值。可知流速为50 mL/min 条件下的EC 始终保持最低，120 min 时仅为78.6 W·h/g，所以流速50 mL/min 为最佳值。因此在推流循环流态下，过大或过小的流速都不利于反应的进行。因为污水是循环处理的，所以不同流速下污水的实际处理时间都一样，此时若水流速度过快，污水无法与极板充分接触从而导致电能利用效率降低，若水流速度过慢，虽然极板间局部COD 去除率高但整体COD 去除速度却较低。所以只有适宜的流速才能一方面保证了氧化剂的传质速度，另一方面也保证了有机物与氧化剂结合并发生氧化反应的时间，最终达到不仅提高COD 降解速率及效率，还使电能得到高效利用。

优选的，所述正极电板为钌钛网，负极电板为钛网。

优选的，电催化氧化容器的进水口包括与蠕动泵出水口连通的进水主管，进水主管延伸到电催化氧化容器内部的部分设置有数量与电极板相等的出水支管，出水支管对应的设置在电极板的正下方；上述结构可以使得从出水支管喷出的水分别经过电极板的导流作用分流，进一步的达到消除搅拌时的水流死角，并减少短流现象。

优选的，所述搅拌容器下方设置有磁力搅拌器，搅拌容器内部设置有磁力转子。

电极板的数量最多为8个。

本发明的优点在于：结构简单，成本低，操作简单快捷。

附图说明

图1为实施例1的侧视示意图。

图中的附图标记分别表示为：1、蠕动泵；2、电催化氧化容器；21、进水主管；22、出水支管；23、电极板；3、搅拌容器；4、磁力转子；5、磁力搅拌器。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1：

如图1所示，

污水动态电催化氧化实验方法，包括蠕动泵1、电催化氧化容器2、搅拌容器3，其中，蠕动泵1的进水口与搅拌容器3的出水口连通，蠕动泵1的出水口与电催化氧化容器2的进水口连通，电催化氧化容器2的出水口与搅拌容器3的进水口连通，电催化氧化容器2内设置有若干电极板23，相邻电极板之间存在间隙，同时所有电极板处于悬空状态，电极板与电催化氧化容器2的底面、侧面都存在间隙，并且电极板处于电催化氧化容器2内的液面以下；电极板包括正极电板和负极电板，正极电板和负极电板间隔放置。

上述装置的运行过程为：污水充满蠕动泵1、电催化氧化容器2、搅拌容器3、以及它们之间的连通路径中；在蠕动泵1的推动作用下，污水在搅拌容器3内被搅拌均匀后进入到蠕动泵1，最后推入到电催化氧化容器2，在电催化氧化容器2内，电极板每2个为一组形成接通正负直流电源，污水在电催化氧化容器2内得到电催化氧化；电极板架设在反应器中心位置并与电催化氧化容器2底面、侧面、水面都有一定距离，方便水流通过，消除搅拌时的水流死角。在实验过程中，我们可以改变电极板的电流、数量、蠕动泵1的流速等参数作为唯一变量参数，使得根据其运行的结果测定得出能量损耗与电催化氧化法的关系，并找到最佳实施方法。

流速为400 mL/min 时COD 的处理效果最差，处理360 min 后，COD 仅从123.6 mg/L 降至92.1 mg/L，而同样处理360 min 后，流速为20、 50、200 mL/min 情况下的处理效果相差不大。流速为50 mL/min 的情况下COD 去除速度是最快的，处理120 min COD 可降低到72.6 mg/L，已接近最低值。可知流速为50 mL/min 条件下的EC 始终保持最低，120 min 时仅为78.6 W·h/g，所以流速50 mL/min 为最佳值。因此在推流循环流态下，过大或过小的流速都不利于反应的进行。因为污水是循环处理的，所以不同流速下污水的实际处理时间都一样，此时若水流速度过快，污水无法与极板充分接触从而导致电能利用效率降低，若水流速度过慢，虽然极板间局部COD 去除率高但整体COD 去除速度却较低。所以只有适宜的流速才能一方面保证了氧化剂的传质速度，另一方面也保证了有机物与氧化剂结合并发生氧化反应的时间，最终达到不仅提高COD 降解速率及效率，还使电能得到高效利用。

优选的，所述正极电板为钌钛网，负极电板为钛网。

优选的，电催化氧化容器2的进水口包括与蠕动泵1出水口连通的进水主管21，进水主管21延伸到电催化氧化容器2内部的部分设置有数量与电极板相等的出水支管22，出水支管22对应的设置在电极板的正下方；上述结构可以使得从出水支管22喷出的水分别经过电极板的导流作用分流，进一步的达到消除搅拌时的水流死角，并减少短流现象。

优选的，所述搅拌容器下方设置有磁力搅拌器5，搅拌容器内部设置有磁力转子4。

电极板的数量最多为8个。

本发明的实验过程如下：  实验用水参数：

实验用水来自经过A2/O 工艺处理后的焦化废水，COD 为110~125 mg/L，pH 约为6.45，氨氮质量浓度约为32.2 mg/L。为满足后续回用工艺对水质的要求，电催化氧化处理后的出水COD 要求小于75 mg/L。

COD 的测定：  使用CTL-12 型COD 快速测定仪，采用快速消解法测定废水 COD。

实验操作：  将2 L 废水加入上述系统内，通过改变蠕动泵转速调节流量分别为20、50、200、400 mL/min，电流密度调至100 A/m2，磁力搅拌器转速为1 800 r/min。分别在0、40、80、120、160、240、360 min时间节点处，从搅拌容器中取样测定COD。

废水能耗的计算：  按式（1）计算电催化氧化去除单位质量COD 的能耗。

ＥＣ＝（U*I*t/V*△COD）*1000（1）。

式中：EC为去除单位质量 COD 的能耗，W·h/g；U为槽电压，V； I为电流，A； t为处理时间，h； V为处理水量，L；ΔCOD为反应前后COD 之差，mg/L。

当电流密度从50 A/m2 增加到100 A/m2 时，COD 处理效果明显提高，但电流密度增加到200 A/m2 时，COD 去除效果反而下降。这是因为在低电流时，电流越大，电子在电极和废水中的转移速率越快，具有活性的中间产物越多，COD 去除效果越好。但由于直接氧化需要污染物传质到电极的表面，而间接氧化需要污染物和产生的强氧化剂高度混合，即电化学的反应速率受到反应器内的传质效果的限制，所以电流密度增加到一定程度后很难再提高处理效果。而且电流密度过高反而会促使副反应（如析氢、析氧反应）发生，降低电流效率。综合考虑以上实验结果，在后续实验中，电流密度选择为100 A/m2。

实际处理焦化废水时，由于处理水量增大，需相应增大电催化氧化装置体积和电极板反应面积，这可通过增加极板数量或增大电极板面积并相应增大电极板间距来实现。但实际操作中，后一种方式将导致槽电压升高，不仅极板易钝化，使用寿命下降，而且当电压超过了析氧超电势时，还会导致析氧等副反应急剧增加，从而造成电流效率降低。因此实际应用中多采用前一种方式。

理想状况下，极板数量增加即增加极板反应面积，处理效果会相应提升，且电能利用率保持不变。如果水流无法绕过极板，只能从极板上的小网孔中通过，过多的极板在一定程度上起到了隔板的作用，从而阻碍水中氧化剂与有机污染物的充分混合，使得反应器内部短流现象严重，氧化剂传质速度下降，导致处理效果下降。相比之下，本发明的电极板设置方法效果优，经过结构改善后更能提高电能利用效率并充分利用4 对电极的优势。由上述实验结果可知，在电催化氧化反应中，若溶液中氧化剂的传质速度是COD 去除效率的限制因素时，提高电能供给和有效反应面积无法大幅提高处理效率，而要通过提高传质速度才能实现，这样做的同时还能提高电能利用效率，降低能耗。

动态处理部分为推流循环式流态，以此研究反应器内废水的不同流态对电催化氧化反应的影响，结果显示：流速为400 mL/min 时COD 的处理效果最差，处理360 min 后，COD 仅从123.6 mg/L 降至92.1 mg/L，而同样处理360 min 后，流速为20、 50、200 mL/min 情况下的处理效果相差不大。流速为50 mL/min 的情况下COD 去除速度是最快的，处理120 min COD 可降低到72.6 mg/L，已接近最低值。可知流速为50 mL/min 条件下的EC 始终保持最低，120 min 时仅为78.6 W·h/g，所以流速50 mL/min 为最佳值。

结果说明，在推流循环流态下，过大或过小的流速都不利于反应的进行。因为污水是循环处理的，所以不同流速下污水的实际处理时间都一样，此时若水流速度过快，污水无法与极板充分接触从而导致电能利用效率降低，若水流速度过慢，虽然极板间局部COD 去除率高但整体COD 去除速度却较低。所以只有适宜的流速才能一方面保证了氧化剂的传质速度，另一方面也保证了有机物与氧化剂结合并发生氧化反应的时间，最终达到不仅提高COD 降解速率及效率，还使电能得到高效利用。

如上所述，则能很好的实现本发明。

Claims (5)

1.污水动态电催化氧化实验方法，其特征在于：包括污水动态电催化氧化实验系统，污水动态电催化氧化实验系统包括蠕动泵（1）、电催化氧化容器（2）、搅拌容器（3），其中，蠕动泵（1）的进水口与搅拌容器（3）的出水口连通，蠕动泵（1）的出水口与电催化氧化容器（2）的进水口连通，电催化氧化容器（2）的出水口与搅拌容器（3）的进水口连通，电催化氧化容器（2）内设置有若干电极板（23），相邻电极板之间存在间隙，同时所有电极板处于悬空状态，电极板与电催化氧化容器（2）的底面、侧面都存在间隙，并且电极板处于电催化氧化容器（2）内的液面以下；电极板包括正极电板和负极电板，正极电板和负极电板间隔放置；

还包括以下步骤：

设置实验用水参数：实验用水来自经过A2/O 工艺处理后的焦化废水，COD 为110~125 mg/L，pH 约为6.45，氨氮质量浓度约为32.2 mg/L；电催化氧化处理后的出水COD 要求小于75 mg/L；

将2 L 废水加入上述系统内，通过改变蠕动泵转速调节流量分别为20、50、200、400 mL/min，电流密度调至100 A/m2，磁力搅拌器转速为1 800 r/min；分别在0、40、80、120、160、240、360 min时间节点处，从搅拌容器中取样测定COD；

COD 的测定：使用CTL-12 型COD 快速测定仪，采用快速消解法测定废水 COD；

能耗的计算：  按式（1）计算电催化氧化去除单位质量COD 的能耗；

ＥＣ＝（U*I*t/V*△COD）*1000（1）；

式中：EC为去除单位质量 COD 的能耗，W·h/g；U为槽电压，V； I为电流，A； t为处理时间，h； V为处理水量，L；ΔCOD为反应前后COD 之差，mg/L；

实验分析，对比实验数据得出结论。

2.根据权利要求1所述的污水动态电催化氧化实验方法，其特征在于：所述正极电板为钌钛网，负极电板为钛网。

3.根据权利要求1所述的污水动态电催化氧化实验方法，其特征在于：电催化氧化容器（2）的进水口包括与蠕动泵（1）出水口连通的进水主管（21），进水主管（21）延伸到电催化氧化容器（2）内部的部分设置有数量与电极板相等的出水支管（22），出水支管（22）对应的设置在电极板的正下方。

4.根据权利要求1所述的污水动态电催化氧化实验方法，其特征在于：所述搅拌容器下方设置有磁力搅拌器（5），搅拌容器内部设置有磁力转子（4）。

5.根据权利要求1所述的污水动态电催化氧化实验方法，其特征在于：电极板的数量最多为8个。