CN105084467A - 一种催化电极印染废水处理反应器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种催化电极印染废水处理反应器，包括电解槽、电源、钛电极，其特征在于，所述钛电极为采用自制片状钛基体涂层，所述自制片状钛基体为经过进行物理和化学处理，除去钛的氧化膜，使其露出新鲜均匀的钛片；本发明采用钛基涂层电极处理器，该设备不仅对印染废水处理具有脱色效果显著，去除有机物的能力，而且有很好的氨氮去除能力；该设备脱色效果显著，产泥量少，处理时间短，使用寿命长。
Description
技术领域
本发明属于一种废水处理装置，具体的讲是涉及一种采用催化电极印染废水处理反应器。
背景技术
印染行业是典型的高耗水产业，每年需消耗近亿吨的工艺用软化水。印染废水来源及污染物成分十分复杂，具有水质变化大、有机物含量高、色度高（主要为有色染料）等特点，直接排放对人类健康和生存环境带来极大危害，同时造成水资源的浪费。随着国家和社会对环境保护要求的日益重视和对可持续发展的要求，传统的处理方法已越来越难以满足生产和环保的要求。目前我国印染废水的主要处理方式还是以生物处理化学处理为主，但是很难达到国家标准所要求的污染物排放量。有专利为201310018326.2（一种石墨烯-Ti电极印染废水处理电化学反应器）里面讲述了对印染废水进行处理的设备，但是对于该专利中描述的装置结构还存在改进的可能。
发明内容
本发明提供了一种催化电极印染废水处理反应器，具有脱色效果显著，有去除有机物的能力，而且有很好的氨氮去除能力，产泥量少，处理时间短，使用寿命长。
本发明的技术方案是：一种催化电极印染废水处理反应器，包括电解槽、电源、钛电极，其特征在于，所述钛电极为采用自制片状钛基体涂层，所述自制片状钛基体为经过进行物理和化学处理，除去钛的氧化膜，使其露出新鲜均匀的钛片。本发明的技术方案具有具有生产成本低、节能低耗、高反应效率等优点，且使用寿命超过0.62年，不仅能够高效地去除印染废水的色度和有机物，而且能够高效地去除印染废水氨氮的能力。
进一步：所述钛基体涂层的表面活性层采用SnO2-Sb-CeO2。本技术方案采用了SnO2-Sb-CeO2活性层，具有高度的物理稳定性和化学稳定性及抗中毒能力，不会因中间产物或杂质作用而中毒，从而失去活性。同时具有很高的导电率，为电子的传输提供一个稳定的、不至于引起严重电压降的通道；制备方法要简单易操作，成本低廉；电催化涂层和基体附着力强，不易剥蚀和磨损，且具有抗电解液侵蚀的能力，以保证电催化性能不下降，涂层具有较高的比表面积。
进一步：在钛基体和表面活性层之间采用Mn、Ni、Cu作为中间层。本技术方案具有能与活性层和表面活性层形成固熔体及对强酸具有耐腐蚀性同时具有良好的导电性；以及能与钛基体很好的结合。
有益效果
本发明的有益效果是：本发明采用钛基涂层电极处理器，该设备不仅对印染废水处理具有脱色效果显著，去除有机物的能力，而且有很好的氨氮去除能力；该设备脱色效果显著，产泥量少，处理时间短，使用寿命长。
附图说明
图1是本发明中钛基体电极涂层处于电解槽中的结构示意图
图2是本发明的Mn-Cu-Ni电极表面活性层的SEM图
具体实施方式
作为本发明的一种实施方式，如图1所示，一种催化电极印染废水处理反应器，包括电解槽，电源2以及钛电极3，所述电源2为稳压稳流电源；所述钛电极位于电解槽内，钛电极板作为阳极板，负极板4均位于电解槽内，所述钛电极为采用自制片状钛基体涂层，所述自制片状钛基体为经过进行物理和化学处理，除去钛的氧化膜，使其露出新鲜均匀的钛片。钛是一种灰色金属，摩尔质量为47.87g/mol，位于周期表中第Ⅳ副族，价电子层结构是3d24s2，常见化学价态为+3、+4。钛在自然界中以钛铁矿(FeTiO3)、金红石(TiO2)等形式存在，在地壳中的含量非常丰富，仅次于铝铁镁，居第四位。钛的熔点高达1660℃，室温下呈α-密排六方晶格。钛的强度和密度之比高于铁和铝，它的强度比纯铁大1倍，差不多比纯铝高5倍。钛作为结构金属，其机械性能介于优质钢和高强度轻合金之间，优于一系列的难熔金属和耐热金属及其合金，一般的钛合金拉伸强度可达700-1200MPa。因此，钛合金的强度比目前其它任何材料都大。钛和钛合金在低温下能保持其机械性能，在-253℃下仍具有足够的韧性；在高温下钛合金也能保持其室温下的性能。现在，工业钛合金长时间使用的温度可达到500℃以上，而铝在150℃，不锈钢在310℃即失去其原有的性能。由于本实验采用热氧化法制备实验所需电极，因此电极基体材料必须是一种在高温下其化学性质和物理性质都不会发生太大变化的材料，显然，钛能符合上述要求。
另外由于钛的价格便宜，加工方便，在电化学反应中比较稳定，故本发明的反应器采用钛作为基体材料。
由于钛对氧有极高的亲和力，在含氧环境中能够形成一层薄而坚固的氧化物保护膜，使得它在很多强腐蚀性介质中呈钝化状态，并且该层氧化膜很坚固，即使破损也会立即再生，这就是钛在中性、碱性、氧化性酸溶液、有机酸溶液以及氧化性气氛中具有良好的耐腐蚀性能的原因。钛的氧化膜导电性能比较差，为了降低电极的电阻，同时也为了更好地使活性涂层与钛电极基体紧密结合，除去这层氧化膜很有必要。因此在制备电极之前，必须对钛片进行物理和化学处理，除去钛的氧化膜，使其露出新鲜均匀的钛表面。
电极的电催化的催化活性主要来自活性涂层，金属氧化物具有半导体性质，目前应用最多的是它的阳极析氧和析氯性质。在环境工程方面的有机物的去除中，主要应用它的高析氧电位和高催化活性性质。作为一种工作电极，除必须具备工作电极的一般要求外，还要满足对电催化的特殊要求：
a、高度的物理稳定性和化学稳定性。在电化学过程中，能维持电催化活性稳定，在使用期内均具有高的催化活性。不同的工业应用领域对电催化电极的寿命有不同的要求，一般在电解工业，要求电极在过电位小于100mv时，能产生0.1~1A/cm2的电流密度，且使用寿命超过一年。
b、具有一定的抗中毒能力，不会因中间产物或杂质作用而中毒，从而失去活性。
c、很高的导电率，为电子的传输提供一个稳定的、不至于引起严重电压降的通道。制备方法要简单易操作，成本低廉。
d、电催化涂层和基体附着力强，不易剥蚀和磨损，且具有抗电解液侵蚀的能力，以保证电催化性能不下降，涂层具有较高的比表面积。
SnO2的能带范围相当宽，达3.5eV，而且对酸或碱是耐腐蚀的，因此具有良好的化学稳定性和电化学稳定性；同时SnO2具有较高的导电性，其最高导电率可达3×10-3Ω-1·cm-1。锑（Sb）的有效掺杂能改善SnO2的导电性，降低SnO2的电阻率。
铈（Ce）是稀土元素的一种，其化合物具有特殊的光、电和磁性质。CeO2的氧化能力很强，是稀土家族的一个主要化合物，其性质比较稳定，不溶于水和碱溶液，难溶于盐酸及过氧化氢。CeO2的热稳定性较高，800℃时可保持不变，在980℃时失去一些氧。故尝试制作表面涂层中含有CeO2金属氧化物电极，使其用于污水处理。
本发明中对于钛基体与活性层之间的材料选择：不含中间层的金属氧化物涂层电极在使用过程中极化程度很大，在钛基体和表面涂层之间会产生几种钛的氧化物形成的过渡层，主要为：锐钛矿型、板钛矿型和金红石型，其中以金红石型最为普遍，金红石型电阻率高达108Ω，一旦形成金红石型TiO2，金属氧化物涂层的电阻将大幅度提高。同时，随着极化时间的延长，以为TiO2主的过渡层将逐渐将表面涂层和钛基基体隔开，当TiO2与表面涂层的晶格尺寸与晶胞尺寸相差较大时，就难以形成固熔体，这种情况下，TiO2与表面涂层直接接触时电极的内应力急剧上升，表面涂层与钛基体的结合力就急剧下降导致涂层脱落。本实验采用了在钛基体和表面活性层之间引入能阻止新生态氧渗透而且具有高导电性、抗腐蚀性和催化性能的中间层的方法，以增强电极的寿命的电极的性能。中间层物质的选择应满足下列要求：
(1)能与活性层和表面活性层形成固熔体；
(2)对强酸具有耐腐蚀性；
(3)具有良好的导电性；
(4)能与钛基体很好的结合。
本实验用的中间层是（Mn、Ni、Cu）。从SnO2本身的性质来看，SnO2在酸溶液中的耐腐蚀性是很强的。通过添加含Mn、Ni、Cu的中间层来提高电极的寿命和电催化活性。
图2是Ti/Mn-Cu-Ni/SnO2-Sb-CeO2电极表面活性层的SEM图，放大5000倍，可以看出在Ti/Mn-Cu-Ni/SnO2-Sb-CeO2电极的裂缝中存在网状结构，这种网状结构可以阻止电解液和降解过程产生的氧向涂层与Ti基体结合部位的扩散，减少了Ti基体上TiO2绝缘层的形成，从而可以延长电极寿命，这就解释了Ti/Mn-Cu-Ni/SnO2-Sb-CeO2电极寿命最长的原因。
以上对本发明所提供的一种催化电极印染废水处理反应器进行了详尽介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。对本发明的变更和改进将是可能的，而不会超出附加权利要求可规定的构思和范围。
Claims (3)
1.一种催化电极印染废水处理反应器，包括电解槽、电源、钛电极，其特征在于，所述钛电极为采用自制片状钛基体涂层，所述自制片状钛基体为经过进行物理和化学处理，除去钛的氧化膜，使其露出新鲜均匀的钛片。
2.根据权利要求1所述的一种催化电极印染废水处理反应器，其特征在于：所述钛基体涂层的表面活性层采用SnO2-Sb-CeO2。
3.根据权利要求2所述的一种催化电极印染废水处理反应器，其特征在于：在钛基体和表面活性层之间采用Mn、Ni、Cu作为中间层。
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