CN105836854A - 一种具有广泛用途的水处理装置、水处理电极及制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有广泛用途的水处理装置、水处理电极及制作方法,其中水处理电极包括钛基体和表面催化层,表面催化层与导电性基体之间设有中间层,且中间层包含铱、钽、钛、锡,且铱、钽、钛、锡的摩尔比为(24~34)∶(33~44)∶(16~22)∶(10~15)。本发明,在表面催化层和钛基体之间添加了中间层,加强了钛基体与表面催化层的附着力,避免表面催化层脱落,保护钛基体不被氧化,从而有利于提高电极的使用寿命和运行稳定性,而且还可以提高电极的电催化活性,延长电极的使用寿命,制作简单,成本较低,利用这样的电极来进行水处理,对环境友好,除垢效果良好,且利于保护水系统装置。

Description

一种具有广泛用途的水处理装置、水处理电极及制作方法
技术领域
本发明涉及水处理,具体涉及一种具有广泛用途的水处理装置、水处理电极及制作方法。
背景技术
近年来,随着工业的发展,水源会不可避免地遭受各种污染,从防止环境污染和实际应用的角度出发,必须加以处理后才能使用。
水成为用作热量转移的载体,设备运行过程中产生的热量通过热交换装置转移到水体中,然后水体在冷却塔将热量散发到自然界中。水冷式循环冷却水系统运行一段时间后,本来平衡的水在运行过程中而改变了固有条件。在其温升、蒸发和冷却的过程中逐渐被浓缩,硬度和浊度不断升高,系统结垢比较严重,直接影响了设备正常的运行;而且,水体中充足的养分和适宜的水温为微生物的滋生创造了有利的条件,微生物大量繁殖使得循环水水质不断劣化;再有,藻类和细菌繁殖生长快,生命周期短,它们的新陈代谢产物积附在设备管壁上成为很难处理的生物粘泥,导致设备腐蚀和阻碍热传导的效率。
受热表面和传热表面的结垢就成为热交换工艺中主要困扰问题之一,所以,对循环水进行杀菌除垢是必然需要解决的问题。大部分使用单位采用投加化学药剂的办法来应急缓解问题,但是因为需要同时投加多种阻垢药剂和杀菌药剂,由于化学药剂具备高污染、管理繁琐、腐蚀设备、浪费水源等弊端,促使人们尝试用其他方法来替代药剂,如应用超声波、紫外线、臭氧、高频磁场等处理方法。目前,在水处理市场,电子水处理设备也普遍存在处理效果不彻底、性能不稳定的现象,杀菌、除垢和防腐不能完全满足要求作用有限而单一,使用效果并不尽人意。
电化学法水处理技术是颇具竞争力的新型水处理工艺,近年来,随着电极材料的研制开发及对反应装置制作工艺的改进,已生产出多种产品。这种生产工艺不需要另外投入化学药剂,无三废排放,以电子的得失完成了氧化反应和还原反应,优质低耗。因其具有良好的稳定性和催化活性,迅速得到人们的青睐,并且在诸多领域得到了实际应用。
电极作为水处理工艺中最重要的部件,在设备运行中起着非常重要的作用。电极质量的优劣直接影响整套设备的性能,但目前的电极存在以下问题:
1.由于存在常规使用的氧化物涂层电极和基体之间的结合能力差,氧的析出使得涂层的缺氧固溶体相破坏也是造成涂层提早失效,涂层在使用过程中存在脱落现象,涂层寿命较短;
2.电催化活性及效率受电极涂层组成成分不是最优,制备工艺也存在一些问题,反应不彻底,降低其寿命。
由此可见,在电化学水处理应用领域保证电极的电催化性能的前提下,开发出低成本、高寿命的新型电极成为目前急需解决的关键问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是目前的在电化学水处理存在成本高、寿命短的问题。
为了解决上述技术问题,本发明所采用的技术方案是提供了一种包括钛基体和表面催化层,所述表面催化层与所述导电性基体之间设有中间层,且所述中间层包含铱、钽、钛、锡元素,且铱、钽、钛、锡的摩尔比为(24~34)∶(33~44)∶(16~22)∶(10~15)。
优选的,所述表面催化层的厚度为4μm~5μm。
优选的,所述表面催化层包含铱、铂、钌、钽、锰和钇元素,各元素的摩尔比为(6~12mol%)∶(2~12mol%)∶(24~38mol%)∶(12~18mol%)∶(11~16mol%)∶(2~6mol%)。
本发明还提供了一种上述水处理电极的制作方法,包括以下步骤:
制备钛基体,放入无水乙醇中保存待用;
从无水乙醇中取出钛基体自然风干,将中间层溶液均匀涂覆到钛基体表面,待完全干燥后移入氧化炉进行氧化烧结,重复多次形成中间层;
在中间层的外侧面涂布表面催化层溶液,氧化烧结形成表面催化层。
本发明还提供了一种具有广泛用途的水处理装置,包括设置在循环水系统的支路上的反应罐和内置于所述反应罐内的电解反应组,所述电解反应组包括电源、槽体和适配的上述的水处理电极。
优选的,所述反应罐设有进水口和出水口,所述进水口通过循环水泵与所述循环水系统的出水端连接,所述反应罐与所述循环水泵之间设有进水阀,所述出水口与所述循环水系统的进水端连接。
优选的,所述反应罐的顶部固定有盖板,所述盖板上设有自动放气阀。
优选的,所述水处理电极的阳极和阴极成对设置,并设有独立控制的除垢电极。
优选的,所述电源采用线性直流电源。
本发明,在表面催化层和钛基体之间添加了中间层,加强了钛基体与表面催化层的附着力,避免表面催化层脱落,保护钛基体不被氧化,从而有利于提高电极的使用寿命和运行稳定性,而且还可以提高电极的电催化活性,同时,能有效地减少涂层中的界面痕迹,使涂层与基体形成有机的整体,来延长电极的使用寿命,制作简单,成本较低,利用这样的电极来进行水处理,排放水除了水垢和固体杂质之外,没有任何危害成分,对环境友好,除垢效果良好,且利于保护水系统装置。
附图说明
图1为本发明的水处理装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例和说明书附图对本发明予以详细说明。
本发明提供的一种水处理电极包括钛基体和表面催化层,所述表面催化层与所述导电性基体之间设有中间层,且所述中间层包含铱、钽、钛、锡元素,且铱、钽、钛、锡的摩尔比为(24~34)∶(33~44)∶(16~22)∶(10~15)。
优选的,表面催化层的厚度为4μm~5μm。
优选的,表面催化层包含铱、铂、钌、钽、锰和钇元素,各元素的摩尔比为(6~12mol%)∶(2~12mol%)∶(24~38mol%)∶(12~18mol%)∶(11~16mol%)∶(2~6mol%)。表面催化层可选用其各元素的氧化物来制得。氧化钌可提高表面催化层的催化活性;二氧化钛用于提高钛基体和表面催化层的粘合力;氧化铱用于提高阳极氧的氧化电位,减小氧的析出量,有利于延长阳极寿命;氧化钽提高表面催化层的固溶强度;氧化锰可抑制氧生成;钇可提高表面催化层的性能。
中间层可采用配置如下比例得到:
实施例一
铱、钽、钛、锡的摩尔数为30∶38∶20∶12;
实施例二
铱、钽、钛、锡的摩尔数为24∶44∶22∶10;
实施例三
铱、钽、钛、锡的摩尔数为34∶33∶18∶15;
实施例四
铱、钽、钛、锡的摩尔数为30∶40∶16∶14。
其中实施例一为最佳实施例,保证中间层的良好性能。
本发明还提供了一种水处理电极的制作方法,包括以下步骤:
制备钛基体:将钛基体经选料、下料、去污、打磨、酸洗、蚀刻、喷砂、退火处理得到表面粗糙、洁净的钛基体,放入无水乙醇中保存待用,其中酸洗可用重量百分浓度为10%的草酸溶液中浸煮2小时处理;
取配置好的中间层溶液,从无水乙醇中取出钛基体自然风干,将中间层溶液均匀涂覆到钛基体表面,然后放在远红外线灯下烘烤,待完全干燥后移入450~550℃的氧化炉内5~10分钟,然后冷却至室温,如此重复十余次,在500℃下退火30min,随炉冷却至室温,形成中间层;
在中间层的外侧面涂布表面催化层溶液,氧化烧结形成表面催化层。
上述制作方法可减小涂层颗粒尺寸还可减少涂层表面的裂纹,从而提高电极的使用寿命。
本发明还提供了一种具有广泛用途的水处理装置,如图1所示,包括设置在循环水系统10的支路上的反应罐11和内置于反应罐11内的电解反应组,电解反应组包括电源、槽体和适配的水处理电极,水处理电极如上述的电极,或由上述的制作方法制得。
优选的,反应罐11设有进水口和出水口,进水口通过循环水泵14与循环水系统10的出水端连接,反应罐11与循环水泵14之间设有进水阀12,出水口与循环水系统10的进水端连接。
优选的,反应罐11的顶部固定有盖板,盖板上设有自动放气阀。
优选的,还包括控制系统,反应罐11内设有电导率传感器、水流量传感器、液位传感器和余氯检测器,电导率传感器、水流量传感器、液位传感器和余氯检测器分别与控制系统无线连接。
控制系统具有应急短信报警机制,进行分析水量、液位信息、耗电量、电导率等工作参数数据信息记录供分析,同时可以远程控制设备的运行控制及监控。
优选的,反应罐11的底部呈漏斗型,便于收集并储存设备运行过程中产生的水垢颗粒。
优选的,反应罐11为圆筒状的不锈钢材质,进水口设置在反应罐11的底部一侧,出水口设置在顶部上端。
优选的,反应罐11顶部的中心位置安装用于刮除积垢的减速器,减速器会根据控制系统发出的指令运行,也可以根据电流数值的变化满足设定条件时而发出的运行指令,可容易地剥离掉电极上堆积的水垢。
优选的,电极为单独各自提供电源的电极对。各对阳极共用阴极,在工作运行时,控制系统会根据在线检测余氯浓度的传感器提供的数据进行确定给几路阳极提供正极电源以及供给多长时间。
优选的,水处理电极的阳极和阴极成对设置,并设有独立控制的除垢电极。控制系统满足积垢与除垢临界点的电流值时接通除垢电极,切断工作阳极,继而阴极的水垢开始软化并脱落沉淀到反应罐底部,除垢完毕重新接通阳极,断开除垢电极,再下一步重新进入正常循环步骤,除垢电极工作与否的临界点电流值可以一个固定数值也可以是一个数值范围。
通常,随着时间的推移吸附在阴极的水垢越来越厚,当控制系统根据电源电流的变化检测到积累一定厚度的水垢,即使设定的倒计时间没有满足时,也会发出清理指令。
优选的,电源是线性直流电源,述线性直流电源具有EMI滤波及过流保护功能。
优选的,反应罐11的顶板内壁设有用于气体与水体分离的气液分离器,用于实时将设备运行时产生的气体排出反应罐外部。
优选的,循环水泵14按照预设程序进行间歇运行,保证进入反应罐的水在反应罐内作短暂停留。
优选的,控制系统包括人机界面触摸屏和可编程序处理器,用于向执行器件发出指令。
所有采集的数据除供给中央处理程序作为运行分析参数外,还将通过现场通信协议通过RS232/RS485双串口及支持ModbusRTU/ASCII协议的在线数据采集模块联网运行,任一环节偏离设定正常值均会报警并向预设手机号发送报警信息。同时将所出现的异常数据记录供维护人员参考。再有,可以通过GSM网络及以太网进行人机远程控制或监控。
其后,待处理的水流经过反应罐11,流经其间的水成为最基本的电解质,进行化学反应,阳极利用电解产生羟基自由基·OH、次氯酸根OCI-、过氧化氢H2O2、臭氧O3、二氧化氯CIO2、超氧O2·、原子氧O·、超二氧化氢HO2·等对微生物、绿藻进行杀灭。
进而,阴极附近的冷却水呈现碱性环境,在阴极区会发生反应,这个过程中易结成水垢的主要成分碳酸镁、碳酸钙、氢氧化镁和二氧化硅,都被阴极捕获固定。随着时间推移,积累的水垢需要从极板剥离,可编程序控制器根据电流数据计算后进行发出切断工作阳极的指令,接着,切断进水电磁阀的电源,关闭进水。安装在反应罐11上端的减速器通电工作,进行附着水垢的清理动作。堆积的水垢剥离后,落入设置在反应罐11底部的漏斗内。然后控制系统通过关闭进水阀打开排污的阀门,将集中于漏斗中的水垢连同反应罐11的冷却水将其完全排出。
本发明做了如下相关试验:
1、苛刻电解条件下的强化电解寿命试验
极板间距不变,电解初期对电解槽压测定,当反应罐内电压上升到预定设定值时,即认为电极失效,理论上在这个值时电极涂层被认为已被破坏。每个试验品电极涂层的使用期到损坏值所需要的时间测定并记录。
在开始加速破坏损耗试验时,试验按恒定电流模式运行。当以额定电压时,电压为恒定模式,并且在整个试验的剩余时间里始终维持这个电压。电流被实时测量,直到它达到预定的最小值,理论上在这个值时电极涂层被认为已被破坏。试验品电极涂层的使用期到损坏值需要的时间测定并记录。
其中,试验介质为1mol/LH2SO4,试验温度为60℃,阳极电流密度为2A/cm2,钛板作辅助阴极,极板间距2cm,电解初期槽压为3.5V,当槽压上升到12V时,即认为电极失效,电极的寿命终止。试验品电极涂层的使用期到损坏值需要的时间测定并记录。
结果表明,电极寿命较传统方法延长30%~50%。
2、使用本发明的水处理电极后的水环境检测
1)采用市政自来水,处理水量1000mL,电导率约580mS/cm,用活性炭过滤去余氯,加入培养的大肠杆菌并搅拌均匀后,取水样测得原水细菌总数约75×106个/mL。阳极采用本发明制得,阴极采用钛板,阳极工作面积20cm2,极间距2.5mm,电流密度25mA/cm2运行3分钟,将水样在37℃下培养24h后,细菌总数约1900个/mL。
然后,用蒸馏水配制无氯水进行实验,添加CaSO4、MgSO4和NaHCO3药剂,电导率至850mS/cm左右。加入培养的大肠杆菌并搅拌均匀后,取水样测得原水细菌总数约85×106个/mL。并备多份待用。阳极采用本方案制作的极板,阴极采用钛板,阳极工作面积20cm2,极间距2.5mm以电流密度25mA/cm2电解3分钟,将水样37℃培养24h后,检测细菌总数约900个/mL。
由此可以确认,杀菌的主要因素是活性氧不是活性氯。
2)将同样条件原水以电流密度5mA/cm2电解3分钟后,与100mL加入了大肠杆菌总数约85×106个/mL的蒸馏水混合,结果检测细菌总数约1600个/mL。杀菌率达到99%以上。显然,杀菌不发生在通电期间,起作用的是电解过程中产生的活性物质。
因此可以确认,杀菌物质是原处理水体中的活性氧。
3)将电流密度增加至电流密度10mA/cm2以上,处理备好的样水70秒钟,结果中存活的细菌总数迅速直线减少,活菌数减少到100个/mL以下。
电流密度越大杀菌效果越好,但为了节省电耗和保证电极的使用寿命,不再继续增大电流密度。
在不增加电流密度条件下,水流在反应装置内部的停留时间对杀菌效果也存在影响,以5s停留时间为测量点,得出,停留时间少于3s时,杀菌率开始滑落(停留时间缩短意味着流速加快,单位体积水通过的流量大,即注入的杀菌活性物质减少,因此引起杀菌效果降低),当大于25s时细菌灭活率直线上升。
4)实际将反应罐11定为直径500mm、高度1000mm的圆柱式不锈钢容器。极板有效面积500mm2,额定直流电压24V,额定总电流12A。阳极工作面积与反应罐水容积之比值为0.4,进行实验,以0.8m3/h单程一次通过反应罐,电流和流速一定时因电解产生的活性物质的量是一样的,被处理的水中残存细菌数变化不大,改变极板有效面积为800mm2,水中存活细菌数随电极增加而迅速减少,效果明显出现变化。
再进行,将总电流增加到25A,水中存活细菌数线性减少,细菌杀灭率为98%。
增加阳极面积和增加电流密度目的是提高电极电位产生出活性物质,两者的配比经试验得出一个最佳数值:电极工作面积与反应罐水容积之比为1m2:18m3(流速一定的情况下)。
本发明,在阳极的表面催化层和钛基体之间添加了中间层,加强了钛基体与表面催化层的附着力,避免表面催化层脱落,保护钛基体不被氧化,从而有利于提高电极的使用寿命和运行稳定性,而且还可以提高电极的电催化活性,同时,能有效地减少涂层中的界面痕迹,使涂层与基体形成有机的整体,来延长电极的使用寿命,制作简单,成本较低,利用这样的电极来进行水处理,排放水除了水垢和固体杂质之外,没有任何危害成分,对环境友好,除垢效果良好,且利于保护水系统装置。
本发明不局限于上述最佳实施方式,任何人应该得知在本发明的启示下作出的结构变化,凡是与本发明具有相同或相近的技术方案,均落入本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种水处理电极,其特征在于,包括钛基体和表面催化层,所述表面催化层与所述导电性基体之间设有中间层,且所述中间层包含铱、钽、钛、锡元素,且铱、钽、钛、锡的摩尔比为(24~34)∶(33~44)∶(16~22)∶(10~15)。
2.如权利要求1所述的一种水处理电极,其特征在于,所述表面催化层的厚度为4μm~5μm。
3.如权利要求1所述的一种水处理电极,其特征在于,所述表面催化层包含铱、铂、钌、钽、锰和钇元素,各元素的摩尔比为(6~12mol%)∶(2~12mol%)∶(24~38mol%)∶(12~18mol%)∶(11~16mol%)∶(2~6mol%)。
4.一种如权利要求1所述的水处理电极的制作方法,其特征在于,包括以下步骤:
制备钛基体,放入无水乙醇中保存待用;
从无水乙醇中取出钛基体自然风干,将中间层溶液均匀涂覆到钛基体表面,待完全干燥后移入氧化炉进行氧化烧结,重复多次形成中间层;
在中间层的外侧面涂布表面催化层溶液,氧化烧结形成表面催化层。
5.一种具有广泛用途的水处理装置,其特征在于,包括设置在循环水系统的支路上的反应罐和内置于所述反应罐内的电解反应组,所述电解反应组包括电源、槽体和适配的如权利要求1~3任意一项所述的水处理电极。
6.如权利要求5所述的一种具有广泛用途的水处理装置,其特征在于,所述反应罐设有进水口和出水口,所述进水口通过循环水泵与所述循环水系统的出水端连接,所述反应罐与所述循环水泵之间设有进水阀,所述出水口与所述循环水系统的进水端连接。
7.如权利要求5所述的一种具有广泛用途的水处理装置,其特征在于,所述反应罐的顶部固定有盖板,所述盖板上设有自动放气阀。
8.如权利要求5所述的一种具有广泛用途的水处理装置,其特征在于,所述水处理电极的阳极和阴极成对设置,并设有独立控制的除垢电极。
9.如权利要求5所述的一种具有广泛用途的水处理装置,其特征在于,所述电源采用线性直流电源。
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