CN105253958B - 电化学阴阳极联合处理废水的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电化学阴阳极联合处理废水的方法及装置，该电化学处理装置包括：电解槽；隔膜，设置在电解槽中，将电解槽分为相互独立的阳极室和阴极室，其中阳极室和阴极室分别用于处理可氧化、还原的有机废水；隔膜为聚丙烯膜，其孔隙允许无机离子通过但不允许有机分子通过；至少一个阳极和至少一个阴极，所述至少一个阳极设置在阳极室中，所述至少一个阴极设置在阴极室中。采用本发明的电化学处理装置来处理废水，阴阳两极同时发挥作用，使得处理效率较单电极作用大大增强。
Description
技术领域
本发明涉及化学工业废水的电化学阴阳极联合处理方法及装置，尤其是涉及一种TDI废水的预处理装置和方法。
背景技术
TDI(甲苯二异氰酸脂)是聚氨脂塑料的主要原料之一，广泛应用于软泡、弹性体、合成革浆料、胶粘合剂、涂料、纤维和皮革织物涂饰剂等生产领域，为高附加值产品。在TDI生产过程中主要产生两种废水，一种是硝化工序产生的废水为硝化水，其硝基苯类含量为150～250mg/L,COD为3500～5000mg/L；二是加氢还原过程中产生的氢化水，其主要成份是2,4-二氨基甲苯和2,6-二氨基甲苯，总质量浓度约为200-400mg/L，COD高达6000-10000mg/L。产生的这两种废水属于难降解工业废水，其有机物浓度高、毒性大、污染严重，不仅对环境造成危害，还会威胁人类健康。
目前，对难降解工业废水的处理研究甚多，常用的处理技术主要有：焚烧法、化学氧化法、生物法等。众所周知，焚烧法投资大，运行费用高，且焚烧时会造成烟气污染，会发生污染物转移。生物处理方法虽然能使污染物最终无机化、矿物化，且具有较高的经济性和处理效率，为人们所偏爱，但其处理含有较多难降解有机物或生物毒性的工业废水较为困难。化学氧化法，需加入氧化剂，容易引起二次污染，不利于后续生化处理。“含硝基苯、苯胺污染物废水的处理方法”CN200610012900公布了一种TDI废水的处理方法，其用铁基-双氧化催化氧化法对TDI废水进行处理，该方法有较好的处理效果，但长时间运行后易板结和钝化降低了废水的处理效果，填料需要及时补充反应消耗的铁，也进一步增加了劳动力成本。另外，反应中会产生较多铁泥，铁泥属于危险废物，导致其处理费用较高。
宋卫锋等人发表的期刊文献《DSA类电极催化降解硝基苯动力学及机理的研究》中用电化学催化系统对硝基苯废水进行处理研究，指出了DSA类电极对硝基苯废水的较高催化性能。谢光炎等人的期刊文献《难降解有机物对硝基苯酚的电化学氧化工艺研究》中PbO2为阳电极，采用三室电解室，研究了难降解有机物对硝基苯酚的电化学氧化的电解工艺和降解机理。200mL对硝基苯酚的浓度可降低到1mg/L以下，BOD值可大幅度提高，此工艺研究对后续生化处理有着重要的实用价值。史艳华等人的期刊文献《贵金属氧化物涂层电极催化降解苯胺》中描述的以自制的贵金属氧化物涂层电极为阳极，钛电极为阴极的电化学装置，能够有效地降解苯胺，苯胺去除率可提高到80.5％。以上方法均是单独处理一种废水，而本发明中阴阳两极同时作用，阴极和阳极分别处理硝化水(主要含硝基苯)和氢化水(主要含苯胺)，使得电极处理效率较单电极大大提高。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提供一种电化学阴阳极联合处理废水的方法和装置，提高废水处理效率，加强可操作性，使得废水的可生化性大大提高。
电化学处理废水技术其基本原理是使污染物在电极上发生直接电化学反应或间接电化学转化，即直接电解和间接电解。阳极是发生氧化反应过程，通过有催化活性的电极反应直接或间接产生HO·自由基，HO·自由基具有极强的氧化作用，污染物在阳极表面氧化，从而有效降解难生化污染物，使其转化成易生物降解的物质，甚至转化成无机物，去除污染物。阴极是发生还原反应，污染物在阴极表面被还原而得以去除，从而可提高有机物的可生化性。因此，电化学水处理技术作为生物处理的前处理是非常有效的。
根据本发明的第一方面，提供一种电化学阴阳极联合处理废水的装置，包括：
电解槽；
隔膜，设置在电解槽中，将电解槽分为相互独立的阳极室和阴极室，其中阳极室和阴极室分别用于处理可氧化、还原的有机废水；隔膜为聚丙烯膜，其孔隙允许无机离子通过但不允许有机分子通过；
至少一个阳极和至少一个阴极，所述至少一个阳极设置在阳极室中，所述至少一个阴极设置在阴极室中。
在本发明的一个具体实施例中，其中阳极采用β-PbO2/SnO2-Sb2O3/Ti网状电极，Ti网为基体，SnO2-Sb2O3为中间层，β-PbO2为外层。SnO2-Sb2O3中间层和β-PbO2外层对苯胺类废水具有很强的氧化催化活性，可显著提高反应速率。优选情况下，其中SnO2-Sb2O3中间层和β-PbO2外层的总厚度为0.5-3mm。，
阴极可采用不锈钢、铜、铅等金属，优选采用不锈钢316L作为阴极，采用不锈钢316L作为阴极处理硝化水产生的气体少，反应效率高。
为提高电极与废水的接触面积，阳极和阴极都优选采用多孔网状电极板，其中多孔网状电极板的孔径为0.3-0.5mm。
在本发明的一个优选实施例中，隔膜采用微米级聚丙烯材质。隔膜厚度优选为200-700μm。
在本发明的一个具体实施例中，其中阳极室用来处理苯胺类废水，阴极室用来处理硝基苯类废水。
根据本发明的第二方面，提供一种采用上述的装置来处理TDI废水的方法，包括步骤：
(1)向阳极室中注入氢化水、向阴极室中注入硝化水；
(2)将阳极和阴极分别连接到直流电源的正负极上，通过调节电流密度和电压值，使阳极发生氧化反应，阴极发生还原反应。
通过调节电流密度和电压值控制氧化还原反应，使电极反应具有高度的选择性。优选情况下，电流密度控制在0.02-0.08Acm-2，电压值在3-10V之间。
阳极发生氧化反应，可把苯胺类氧化为醌类，甚至断开苯环最后成为二氧化碳和水；阴极发生还原反应，硝基苯被还原成苯胺类。阴阳两极同时发挥作用，使得处理效率较单电极作用大大增强。
本发明的废水电化学处理技术，是一种清洁的处理工艺，不需要另外添加化学药剂，可大大减少污泥量，避免了二次污染问题；电化学系统设备相对简单，电化学过程在常温常压下进行，其化学过程的主要运行参数是电流和电位，易于控制和测定；电化学处理效率高，通过控制电流、电位，硝基苯去除率可达80％，苯胺类的去除率高达90％。保证废水的可生化性大大增强。这种定制式的设计，针对性强，可以同时处理TDI行业两种难以处理的含有苯环的高浓度废水，提高了电效率。
附图说明
图1为根据本发明的电化学阴阳极联合处理废水的装置示意图。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施例来进一步描述本发明的电化学阴阳极联合处理废水的方法和装置。本领域技术人员应该理解，所列举的实施例只是为了更好的理解和实现本发明，并不用于限制本发明。
参见图1，根据本发明的电化学阴阳极联合处理废水的装置主要包括：电解槽7、隔膜6、阳极4和阴极5。隔膜6设置在电解槽7中间，将电解槽7分为相互独立的阳极室2和阴极室3，阳极4设置在阳极室2中，阴极5设置在阴极室3中，其中阳极室2和阴极室3同时用来处理不同种类的废水。隔膜6为聚丙烯膜，其孔隙允许无机离子通过但不允许有机分子通过。隔膜6优选采用微米级聚丙烯材质。
在本发明的一个具体实施例中，其中阳极室2用来处理苯胺类废水，阴极室3用来处理硝基苯类废水。这种情况下，阳极4优选采用β-PbO2/SnO2-Sb2O3/Ti网状电极，阴极5优选采用不锈钢316L作为电极。其中阳极4和阴极5都优选采用多孔网状电极板，从而增加电极与废水的接触面积，加快反应速率。多孔网状电极板的孔径优选为0.3-0.5mm。
β-PbO2/SnO2-Sb2O3/Ti网状电极制备步骤为：
(1)配制SnCl4、SbCl3的涂刷液，用毛刷将涂刷液均匀刷在经喷砂处理后的钛板(网)表面上，然后将其放在电热恒温鼓风干燥箱中干燥，反复进行几次，最后在电阻炉内烧结，烧结温度为500-1000℃，使其表面变为灰白色，制得结合牢固的中间层SnO2-Sb2O3。
(2)以Pb(NO3)2+HNO3+聚四氟乙烯为电镀液，以涂有上述中间层的钛板为阳极、以同样大小的铜板作为阴极，将两块板放入电镀液中；钛板与铜板相对，将正极与阳极相连，负极与阴极相连，通直流电，电镀得到PbO2外镀层。
在本发明的优选实施例中，SnO2-Sb2O3中间层和β-PbO2外层的总厚度为0.5-3mm。SnO2-Sb2O3中间层和β-PbO2外层对苯胺类废水具有很强的氧化催化活性，可显著提高反应速率。
隔膜6隔断阴、阳极底物的相互混合，并保证阴、阳极室离子相通与导电。本发明的发明人发现，当隔膜6的厚度范围为200-700μm时，电解时所需电压较低，从而可有效节约电能。
还参见图1，利用本发明的电化学阴阳极联合处理废水的装置来处理TDI废水的方法，包括步骤：
(1)向阳极室2中注入氢化水、向阴极室3中注入硝化水；
(2)将阳极4和阴极5分别连接到直流电源1的正负极上，通过调节电流密度和电压值，使阳极发生氧化反应，阴极发生还原反应。其中，电流密度优选控制在0.02-0.08Acm-2，电压值优选在3-10V之间。
下面通过具体事例对本发明的装置和方法给予进一步的说明。
以河北省沧州市某公司TDI生产废水处理为例：
生产装置废水经检测结果为：硝化水化学需氧量COD为3500-5000mg/L，硝基苯类含量为150～250mg/L；氢化水化学需氧量COD为6000-10000mg/L，苯胺类含量为200-400mg/L。
阳极4和阴极5分别采用35×45cm的β-PbO2/SnO2-Sb2O3/Ti层状电极和不锈钢316L。氢化水进入阳极室2进行氧化处理，硝化水进入阴极室3发生还原反应，阳极室2和阴极室3分别对连续注入的氢化水和硝化水进行连续处理，废水的流速为30L/h。控制直流电源的电流密度为0.05Acm-2，电压值为6V，废水在电解槽7内的停留时间为0.5h。
处理后的废水分析检测结果见下表1：
表1检测结果
| 项目名称 | 化学需氧量mg/L | 苯胺类mg/L | 硝基苯类mg/L |
| 氢化水原水 | 6000-10000 | 200-400 | - |
| 氢化水处理后结果 | 1000-2500 | 5-40 | - |
| 硝化水原水 | - | - | 150-250 |
| 硝化水处理后结果 | - | - | 5-50 |
从表1中分析检测结果可以看出，采用本发明处理后的废水，有机物浓度已大幅度降低，可生化性大大提高。
Claims (4)
1.一种电化学阴阳极联合处理废水的装置，包括：
电解槽；
隔膜，设置在电解槽中，将电解槽分为相互独立的阳极室和阴极室，其中阳极室和阴极室分别用于处理可氧化、还原的有机废水；隔膜为聚丙烯膜，其孔隙允许无机离子通过但不允许有机分子通过；以及
至少一个阳极和至少一个阴极，所述至少一个阳极设置在阳极室中，所述至少一个阴极设置在阴极室中；
其阳极采用β-PbO2/SnO2-Sb2O3/Ti网状电极，其中Ti网为基体，SnO2-Sb2O3为中间层，β-PbO2为外层；其中SnO2-Sb2O3中间层和β-PbO2外层的总厚度为0.5-3mm；
其中阴极采用不锈钢316L作为电极；
阳极和阴极都采用多孔网状电极板；其中多孔网状电极板的孔径为0.3-0.5mm；
其中隔膜采用微米级聚丙烯材质；隔膜厚度为200-700μm。
2.根据权利要求1所述的电化学阴阳极联合处理废水的装置，其中阳极室用来处理苯胺类废水，阴极室用来处理硝基苯类废水。
3.一种采用权利要求1-2任一所述的电化学阴阳极联合处理废水的装置来处理TDI废水的方法，包括步骤：
(1)向阳极室中注入氢化水、向阴极室中注入硝化水；
(2)将阳极和阴极分别连接到直流电源的正负极上，通过调节电流密度和电压值，使阳极发生氧化反应，阴极发生还原反应。
4.根据权利要求3所述的处理TDI废水的方法，其中，电流密度控制在0.02-0.08Acm-2，电压值在3-10V之间。
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