CN105217742B - 一种高效处理难降解有机废水的处理装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种高效处理难降解有机废水的处理装置，包括壳体、照射件和电极件，照射件包括紫外灯和石英管，壳体内表面涂覆有光催化涂层，壳体内安装有安装杆，安装杆的一端端部紧密伸出壳体外，电极件为电极片，电极片的表面涂覆有具有光催化性能和电催化性能的光—电催化涂层，电极片设置有若干片，各电极片竖立设置，并沿安装杆的周向方向间隔环绕分布，电极片与装杆固定连接，两上电极片之间的间距内竖立有石英管，石英管的上端穿出壳体的顶面外，并与壳体的顶面紧配合安装。与现有技术相比，其可实现光化学氧化、光催化氧化和电催化氧化共同对污水进行处理，降解高效，并具有结构简易，拆装方便，易维护，接线方式简易的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种污水处理装置，特别是涉及一种难降解有机废水的处理装置。
背景技术
日前，生活污水和工业废水的种类和排放量日益增多，成分更加复杂，其中含有许多难降解有机物，如酚、烷基苯磺酸、氯苯酚、农药、多氯联苯、多环芳烃、硝基芳烃化合物、染料及腐殖酸等。其中有些有机物具有致癌、致畸、致突变等作用，对环境和人类有巨大的危害；因此，处理这类难以生物降解的有机废水成为我们面临的严峻挑战。
目前，国内外对难降解有机物废水的处理方法，主要有湿式氧化、光化学氧化、光催化氧化、电催化氧化等；其中，光催化氧化和电催化氧化能产生强氧化剂羟基自由基快速彻底降解有机污染物，因而在难降解废水的处理方面显示了较好的应用前景；但这些处理方法单一使用时均存在一定的处理局限性。
光化学氧化是在光的作用下发生的化学反应。光化学反应需要分子吸收特定波长的电磁辐射，受激发、产生分子激发态，之后才会发生化学变化到另外一个稳态，或者变成引发热反应的中间化学产物；在紫外光照射下，某些有机物能直接分解成小分子有机物或者是二氧化碳和水；但这一方式存在的问题是只能针对少部分有机物才有效；降解效率较低；通常需要加入臭氧、过氧化氢等作为氧化剂，使污染物在紫外光照射下氧化分解，使用较为不方便。
光催化氧化是利用光催化材料的特色性质进行有机物的氧化降解。光催化材料在受到一定波长的光辐照后，光催化材料中价带中电子跃迁至导带，在价带留下空穴，从而形成“电子-空穴对”，利用光生“电子-空穴”进行有机物的还原或氧化处理，光生电子具有很强的还原性能，能将水中的溶解氧还原；光生空穴具有很强的氧化性，能将水或者氢氧根离子氧化成羟基自由基；强氧化剂羟基自由基快速彻底降解有机污染物。其优点是能将有机物彻底氧化成二氧化碳和水；但是需要通入空气或者氧气或加入电子捕获剂，用于捕获光生电子，才能有效快速氧化降解有机物；使用也不便。
电催化氧化是指在外加电场下具有电催化活性的电极材料表面发生快速的氧化或还原反应，电催化材料的作用是加速反应的进行；有机物可以直接在阳极表面被氧化降解，或者被是阳极反应生成的氧化剂如分子氧、羟基自由基氧化降解；电催化过程必可避免有氧气的析出，在单一的电催化氧化降解有机物中，氧气的析出被认为是副反应，会浪费电能；因为阳极电解析出的氧气的氧化能力不如羟基自由基、双氧水和臭氧，因此，阳极析出的氧气大大部分析出到空气中，这就是等于浪费电能。为了抑制析氧副反应的发生，通常采用高析氧过电位的电极材料，如没有电催化活性的二氧化锡/钛基阳极，二氧化铅阳极，或者是掺杂硼的金刚石电极材料，这类材料的析氧过电位高，因此能有效减少析氧副反应发生，提高了电解效率。但这类阳极的使用导致槽压高，实际能耗还是很高，因此并没有根本上解决能耗的问题。另外，电催化主要是将有机物降解成小分子的有机物，很难将有机物彻底降解成二氧化碳和水。
因此，如何将各氧化技术联合应用并形成协同效应，保证水质处理效果,是当今难降解有机物废水处理的研究方向。
现市出上出现了采用光化学氧化和电催化氧化协同处理的装置，如中国发明专利，2004年2月25日公开的公开号为CN1477061A的光电协同高效净化饮用水的技术及装置，其包括有集成的光解电解的一体化反应器、紫外灯、作为电解阳板的网孔材料的内筒筒体和作为电解阴极的反应器的外筒筒体，利用紫外灯发出的紫外光的光解和电极电解的联合作用，通过产生具有协同增效作用的净水效应，可迅速有效降解水中的有机污染物。然而，受该装置的整体结构限制，存在以下几个技术问题：(1)采用圆筒套圆筒的结构，单个电解槽中能够受到光照的阳极面积受限，仅为圆柱形阳极的内表面；(2)所选用的阳极材料为单一功能的材料，如二氧化钌/钛基电极、二氧化铅/钛基电极为电催化阳极，不具有光催化性能；二氧化钛/钛基电极为惰性电极，具有光催化性能，而不具备电催化性能；(3)阴极采用不锈钢或石墨材料，均没有光催化性能。因此公开号为CN1477061A的专利所公开的该设备仅仅是将光化学氧化+电催化氧化集成于一体的设备，而不同于光催化氧化+电催化降解集成设备。然而，即使是将阴极更换成有光催化效果的材料，虽然阳极为网状结构，但大部分光源仍被阳极阻挡，阴极的光照效果仍然很差。
不论是光催化过程还是电催化过程，其污水降解效果均与有电极材料的有效面积成正比。因此，在有限的设备中同时集成光催化降解和电催化降解功能时，增大光催化材料的受光照面积、设备结构设计、电极材料的设计都是提高光电催化设备的设计与开发中的关键技术问题。
有鉴于此，本发明人对上述问题进行深入研究，遂于本案产生。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简易，集光化学氧化、光催化氧化和电催化于一体的高效处理难降解有机废水的处理装置。
为了达成上述目的，本发明的解决方案是：
一种高效处理难降解有机废水的处理装置，包括壳体及设于壳体内的照射件和电极件，该照射件包括紫外灯和石英管，该紫外灯固定竖立安装于该石英管内，该壳体上设置有污水进口和处理水出口；上述壳体内表面涂覆有光催化涂层；上述壳体内安装有固定设置的安装杆，上述壳体、电极片与上述安装杆均为导电件，上述安装杆的一端端部紧密伸出上述壳体外，上述电极件为电极片，上述安装杆上设置有若干上述电极片，上述电极片的表面涂覆有具有光催化性能和电催化性能的光—电催化涂层，各电极片竖立设置，并沿上述安装杆的周向方向间隔环绕分布，且上述电极片与上述安装杆固定连接，两上述电极片之间的间距内竖立有上述石英管，上述石英管的上端穿出上述壳体的顶面外，并与壳体的顶面紧配合安装。
上述光催化涂层为Cu2O、TiO2、ZnO、SnO2中的一种氧化物涂层，或至少两种氧化物组成的复合涂层。
上述光—电催化涂层为由RuO2和TiO2组成的复合氧化物涂层，且上述复合氧化物涂层中RuO2含量为10mol％，TiO2含量为90mol％。
上述壳体呈中空圆柱体结构，上述污水进口处于壳体的下端处，上述处理水出口处于壳体的上端处，上述壳体为钛质壳体、钛合金壳体或不锈钢壳体。
上述壳体的上下两端端面呈敞开状，上述壳体的上端端面锁固有密封壳体上端端面的上法兰盘，上述壳体的上端端面向外凸设有上安装环，且上述上法兰盘下方设有密封壳体上端端面的上密封垫，上述密封垫上述上密封垫上开设有供石英管紧密穿过的穿孔，上述上法兰盘、上述密封垫与上述上安装环通过螺栓与螺母的配合锁固在一起；上述壳体的下端端面锁固有密封壳体下端端面的下法兰盘，上述壳体的下端端面向外凸设有下安装环，上述下法兰盘与下安装环之间垫设有下密封垫圈，上述下法兰盘、下密封垫圈与下安装环通过螺栓与螺母的配合锁固在一起。
上述壳体的上端外侧壁上向外延伸有与壳体相通的出水管，上述出水管为上述处理水出口，上述下法兰盘的下底面向下延伸有进水管，上述进水管为上述污水进口。
上述安装杆的下端端部紧配合穿出上述下法兰盘的中心部位外，且上述安装杆的下端端部外螺装有紧固螺母，上述进水管处于上述安装杆的下端端部旁。
上述安装杆的上端端部紧配合穿出上述上法兰盘的中心部位外，且上述安装杆的上端端部外螺装有紧固螺母，上述进水管处于上述下法兰盘的中心部位处。
上述壳体的上端端面呈敞开状，壳体的下端端面呈封闭状，上述壳体的上端端面锁固有密封壳体上端端面的上法兰盘，上述壳体的上端端面向外凸设有上安装环，，且上述上法兰盘下方设有密封壳体上端端面的上密封垫，上述密封垫上述上密封垫上开设有供石英管紧密穿过的穿孔，上述上法兰盘、上述密封垫与上述上安装环通过螺栓与螺母的配合锁固在一起；上述安装杆的上端端部紧配合穿出上述上法兰盘的中心部位外，且上述安装杆的上端端部外螺装有紧固螺母；上述壳体的上端外侧壁上向外延伸有与壳体相通的出水管，上述出水管为上述处理水出口，上述壳体的下端端面的中心部位处向下延伸有进水管，上述进水管为上述污水进口。
采用上述技术方案后，本发明的一种高效处理难降解有机废水的处理装置，由于各电极片与安装杆固定配合，即安装时只需将整体式的安装杆放入壳体内，再将各石英管安装在壳体上，即可完成处理装置的组装，具有结构简易，拆装方便，易维护的优点；同时，安装杆伸出壳体外的部位与外界直流电源的正极电连接，壳体与外界直流电源的负极连接即可完成外界直流电源与电极片的接线连接，整一接线方式较为简易；且电极件采用片状结构，在单位体积内，可通过增加电极片的数量来增大电极表面积，从而实现在有限的占用空间内提高设备单位时间的处理能力；另外，通过壳体的光催化涂层和电极片表面的光—电催化涂层在紫外灯的照射和外加电源情况下能够同时存在光催化降解过程和电催化降解过程，则光催化过程生成“电子-空穴”对；电催化产生的氧气成为捕获光生电子的电子受体，有效抑制了光生电子与光生空穴的复合，而光生空穴具有很强的氧化性能，与水或氢氧根离子反应生成羟基自由基，羟基自由基具有超强的氧化能力，能够将水中的有机物直接氧化成二氧化碳和水；并利用紫外灯对有机物的直接辐照也能促使有机物的光化学氧化降解，实现光化学氧化、光催化氧化和电催化氧化共同对污水进行处理，且污水受紫外灯光照后会处于激发态，激发态的有机物更容易被光催化氧化过程和电催化过程降解；降解效果更佳。
附图说明
图1为本实施例一的结构示意图；
图2为本实施例一的立体分解图；
图3为本实施例二的结构示意图；
图4为本实施例三的结构示意图；
图5为本实施例三的局部结构示意图。
具体实施方式
本发明的一种高效处理难降解有机废水的处理装置，实施例一，如图1、2所示，包括壳体1及设于壳体1内的电极件和照射件，电极件为呈片状的电极片2，该照射件包括紫外灯3和石英管4，该紫外灯3固定竖立安装于该石英管4内，石英管4的上端端面呈开口状，该壳体1为导电体，优选为钛质壳体、钛合金壳体或不锈钢壳体，该壳体1呈中空圆柱状结构，该壳体1的内侧壁上涂覆有具有光催化能力的光催化涂层(图中未示出)，该光催化涂层为由Cu2O、TiO2、ZnO、SnO2中的一种氧化物涂层，也可为由Cu2O、TiO2、ZnO、SnO2中的两种或者两种以上的氧化物组成的复合涂层，该壳体1的上、下两端端面呈敞开状，且壳体1的上端端面锁固有密封壳体1上端端面的上法兰盘5，壳体1的上端端面向外凸设有上安装环11，上法兰盘5与上安装环11通过螺栓与螺母的配合锁固在一起，壳体1的下端端面锁固有密封壳体1下端端面的下法兰盘6，壳体1的下端端面向外凸设有下安装环12，下法兰盘6与下安装环12通过螺栓与螺母的配合锁固在一起，该壳体1具有污水进口和处理水出口，优选的是：该壳体1的上部外侧壁上向外延伸有与壳体1相通的出水管13，此出水管13即为所述的处理水出口，下法兰盘6的下底面向下延伸有进水管7，此进水管7即为所述的污水进口。
该壳体1内安装有固定设置的安装杆8，安装杆8为导电杆，优选采用的是钛质杆体或钛合金杆体，该安装杆8的上端端部向上延伸出上法兰盘5外，上法兰盘5的中心部位处开设有供安装杆8紧配合伸出的伸出孔，该安装杆8的上端端部外侧壁上设有外螺纹，安装杆8位于伸出孔上方的部位外螺装有与外螺纹相匹配的紧固螺母81，利用此紧固螺母81可实现安装杆8的安装。
该电极片2的表面涂覆有具有光催化性能和电催化性能的光—电催化涂层(图中未示出)，此光—电催化涂层为由RuO2和TiO2组成的复合氧化物涂层，优选的是：该复合氧化物涂层中RuO2含量为10mol％，TiO2含量为90mol％；电极片2设置有若干片，各电极片2竖立设置，且各电极片2沿安装杆8的周向方向间隔环绕分布，且电极片2的一侧沿与安装杆8焊接在一起，两电极片2之间的间距内竖立有该石英管4，石英管4的上端端部紧配合穿出上法兰盘5外，各石英管4内的紫外灯3通过导线并联在一起，与外界电源电连接。
本发明的一种高效处理难降解有机废水的处理装置，具有以下有益效果：
一、各电极片竖立设置，并沿安装杆的周方向设置，使整体结构布置紧凑，从而整体体积较小；且电极件采用片状结构，在单位体积内，可通过增加电极片的数量来增大电极表面积，从而实现在有限的占用空间内提高设备单位时间的处理能力；
二、各电极片与安装杆固定在一起成一体结构，安装时只需将安装杆放置安装，各石英管4安装安装和上、下法兰盘锁固安装即可实现整一装置的组装，具有结构简易，拆装方便，易维护的优点；
三、各电极片与安装杆焊固配合，且安装杆的上端端部伸出壳体外，这样，各极板需与外界直接电源电连接时，只需安装杆位于上法兰盘以上的部位与外界直流电源的正极电连接，壳体与外界直流电源的负极连接即可完成外界直流电源与各电极片的接线连接，整一接线方式较为简易；
四、二电极片之间具有一石英管，使壳体内形成有若干个由两电极片和一石英管构成的具有紫外线光照和电解催化的处理区域，且各处理区域沿壳体的周向环绕分布，有机废水流至壳体后均能够得到紫外线光照和光电解催化的共同处理，处理无死角，受光照的电极面积大，处理效果佳，高速；
五、通过壳体的光催化涂层和电极片表面的光—电催化涂层在紫外灯的照射和外加电源情况下能够同时存在光催化降解过程和电催化降解过程，则光催化过程生成“电子-空穴”对；电催化产生的氧气成为捕获光生电子的电子受体，有效抑制了光生电子与光生空穴的复合，而光生空穴具有很强的氧化性能，与水或氢氧根离子反应生成羟基自由基，羟基自由基具有超强的氧化能力，能够将水中的有机物直接氧化成二氧化碳和水；并利用紫外灯对有机物的直接辐照也能促使有机物的光化学氧化降解，实现光化学氧化、光催化氧化和电催化氧化共同对污水进行处理，且污水受紫外灯光照后会处于激发态，激发态的有机物更容易被光催化氧化过程和电催化过程降解；降解效果更佳；
六、使用方便，处理过程无需另外添加任何辅助物。
本发明中，在上法兰盘5下方设有密封壳体1上端端口的上密封垫100，上密封垫100上开设有供安装杆8和各石英管4分别紧配合穿过的穿孔，此上密封垫100与上法兰盘5和上安装环11通过螺栓与螺母的配合锁固在一起；在下安装环12上方垫设有下密封垫圈200，下密封垫圈200、下安装环12与下法兰盘6也通过螺栓与螺母的配合锁固一起；这样，利用上、下密封垫圈100、200使壳体1可呈一密闭的空间，防止发生渗漏现象。
本发明的一种高效处理难降解有机废水的处理装置，实施例二，如图3所示，其与实施例一的区别仅在于：壳体的结构不同，具体的是：壳体1的下底面呈封闭状，壳体1的下端端面的中心部位处一体向下延伸有进水管14，此进水管14即为所述的污水进口。
本实施例的处理装置所产生的效果与实施例一的处理装置所产生的效果相同，在此不再累述，区别仅在于实施例二的处理装置的结构更加简洁，且且有效杜绝底部不存在渗漏问题。
本发明的一种高效处理难降解有机废水的处理装置，实施例三，如图4、5所示，其与实施例一的区别仅在于：安装杆8的上端端部处于壳体1内，安装杆8的下端端部紧配合伸出下法兰盘6外，并处于下法兰盘6的中心部位处，即与安装杆8配合的紧固螺母81相应处于下法兰盘6下方，且用于污水进入的进水管15处于安装杆8的下端端部旁。
本实施例的处理装置所产生的效果与实施例一的处理装置所产生的效果大体相同，在此不再累述；区别仅在于：本实施例的处理装置能够将石英管或电极片单独折卸下来，实施例一和实施例二的处理装置在拆卸电极片时，需同时取出石英管。
本实施例三的处理装置，因安装杆8的下端端部穿出下法兰盘6外，这样，为了使安装杆与下法兰盘6之间的密封性，可将实施例一中的密封垫圈200也可改为密封壳体1下端端口的密封垫，此密封垫相应开设有供安装杆8下端紧配合伸出的穿孔。
本发明的处理装置，在试验时，将壳体的内径一般设置成40cm，壳体的内表面涂覆有掺杂Sn的TiO2涂层，Sn的掺杂量为2mol％，按金属离子摩尔比计算，电极片设置8片，电极片的尺寸为17cm×70cm×2mm,电极片的表面涂层为RuO2-TiO2复合氧化物涂层，RuO2含量10mol％,TiO2含量90mol％，紫外灯设置8个；紫外灯的功率为25W，波长250～400nm。主波长为360nm；试验时外加3.5V的直流电压，将印染废水(该印染废水的亚甲基蓝100mg/L，甲基橙100mg/L；活性艳红100mg/L，NaCl 3g/L)以0.5吨/小时的流速流至壳体内，经壳体处理后得到处理水，该处理水经检测得到CODCr值为～50mg/L，色度值～35，PH值7.0～8.0，达到国家纺织染整工业水污染物排放标准(GB 4287-1992)一级标准。
上述实施例和附图并非限定本发明的产品形态和式样，任何所属技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或修饰，皆应视为不脱离本发明的专利范畴。
Claims (9)
1.一种高效处理难降解有机废水的处理装置，包括壳体及设于壳体内的照射件和电极件，该照射件包括紫外灯和石英管，该紫外灯固定竖立安装于该石英管内，该壳体上设置有污水进口和处理水出口；其特征在于：上述壳体内表面涂覆有光催化涂层；上述壳体内安装有固定设置的安装杆，上述壳体、电极片与上述安装杆均为导电件，上述安装杆的一端端部紧密伸出上述壳体外，上述电极件为电极片，上述安装杆上设置有若干上述电极片，上述电极片的表面涂覆有具有光催化性能和电催化性能的光—电催化涂层，各电极片竖立设置，并沿上述安装杆的周向方向间隔环绕分布，且上述电极片与上述安装杆固定连接，两上述电极片之间的间距内竖立有上述石英管，上述石英管的上端穿出上述壳体的顶面外，并与壳体的顶面紧配合安装。
2.如权利要求1所述的一种高效处理难降解有机废水的处理装置，其特征在于：上述光催化涂层为Cu2O、TiO2、ZnO、SnO2中的一种氧化物涂层，或至少两种氧化物组成的复合涂层。
3.如权利要求1所述的一种高效处理难降解有机废水的处理装置，其特征在于：上述光—电催化涂层为由RuO2和TiO2组成的复合氧化物涂层，且上述复合氧化物涂层中RuO2含量为10mol％，TiO2含量为90mol％。
4.如权利要求1所述的一种高效处理难降解有机废水的处理装置，其特征在于：上述壳体呈中空圆柱体结构，上述污水进口处于壳体的下端处，上述处理水出口处于壳体的上端处，上述壳体为钛质壳体、钛合金壳体或不锈钢壳体。
5.如权利要求4所述的一种高效处理难降解有机废水的处理装置，其特征在于：上述壳体的上下两端端面呈敞开状，上述壳体的上端端面锁固有密封壳体上端端面的上法兰盘，上述壳体的上端端面向外凸设有上安装环，且上述上法兰盘下方设有密封壳体上端端面的上密封垫，上述上密封垫上开设有供石英管紧密穿过的穿孔，上述上法兰盘、上述上密封垫与上述上安装环通过螺栓与螺母的配合锁固在一起；上述壳体的下端端面锁固有密封壳体下端端面的下法兰盘，上述壳体的下端端面向外凸设有下安装环，上述下法兰盘与下安装环之间垫设有下密封垫圈，上述下法兰盘、下密封垫圈与下安装环通过螺栓与螺母的配合锁固在一起。
6.如权利要求5所述的一种高效处理难降解有机废水的处理装置，其特征在于：上述壳体的上端外侧壁上向外延伸有与壳体相通的出水管，上述出水管为上述处理水出口，上述下法兰盘的下底面向下延伸有进水管，上述进水管为上述污水进口。
7.如权利要求6所述的一种高效处理难降解有机废水的处理装置，其特征在于：上述安装杆的下端端部紧配合穿出上述下法兰盘的中心部位外，且上述安装杆的下端端部外螺装有紧固螺母，上述进水管处于上述安装杆的下端端部旁。
8.如权利要求6所述的一种高效处理难降解有机废水的处理装置，其特征在于：上述安装杆的上端端部紧配合穿出上述上法兰盘的中心部位外，且上述安装杆的上端端部外螺装有紧固螺母，上述进水管处于上述下法兰盘的中心部位处。
9.如权利要求4所述的一种高效处理难降解有机废水的处理装置，其特征在于：上述壳体的上端端面呈敞开状，壳体的下端端面呈封闭状，上述壳体的上端端面锁固有密封壳体上端端面的上法兰盘，上述壳体的上端端面向外凸设有上安装环，且上述上法兰盘下方设有密封壳体上端端面的上密封垫，上述上密封垫上开设有供石英管紧密穿过的穿孔，上述上法兰盘、上述上密封垫与上述上安装环通过螺栓与螺母的配合锁固在一起；上述安装杆的上端端部紧配合穿出上述上法兰盘的中心部位外，且上述安装杆的上端端部外螺装有紧固螺母；上述壳体的上端外侧壁上向外延伸有与壳体相通的出水管，上述出水管为上述处理水出口，上述壳体的下端端面的中心部位处向下延伸有进水管，上述进水管为上述污水进口。
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