CN106495369B - 一种电芬顿法处理有机废水的方法和装置 - Google Patents

一种电芬顿法处理有机废水的方法和装置 Download PDF

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Abstract

本公开涉及一种电芬顿法处理有机废水的方法和装置，该方法包括：(1)使复合催化剂与有机废水接触，并吸附有机污染物；(2)使有机废水在通氧或曝气条件下进行电解处理。本公开的处理方法将复合催化剂与电芬顿反应体系结合，对有机废水进行处理，复合催化剂可以对有机废水中的有机污染物起吸附净化作用，还可以产生作为电芬顿体系催化剂的亚铁离子，与电解体系中产生的过氧化氢作用生成羟基自由基，在其氧化作用下进一步除去有机废水中的有机污染物；同时该复合催化剂可以重复利用；该处理方法还可以进一步与微波、光化学等手段结合，以强化处理效果。本公开的处理有机废水的方法和装置对有机废水的处理简单高效，有机污染物去除率高。

Description

一种电芬顿法处理有机废水的方法和装置
技术领域
本公开涉及有机废水处理领域，具体地，涉及一种电芬顿法处理有机废水的方法和装置。
背景技术
随着社会的不断发展，环境污染问题成为全球关注对象，大量的农业、生活、工业污水的排放，对于水体环境遭受了严重的污染，其中，有机污染物呈现出种类多，物质结构复杂，有毒有害性强，浓度高等一系列问题，因此，如何处理水体中有机污染物是环保研究中的重点和难点。
近年来，高级氧化技术处理难降解有机污染废水的研究取得了显著的进展。以臭氧氧化、电化学氧化、光催化氧化、超声协同氧化等为代表的氧化技术的出现为我们提供了处理水体污染的新思路。这些技术是通过不同的途径产生羟基自由基诱发一系列的自由基连反应，可以有效的氧化去除传统废水处理技术无法去除的难降解有机污染物，直至将其降解为CO2、H2O和其他矿物盐。这些技术因其效率高操作简单，反应快速等优点而备受青睐。
电化学技术可产生H2O2,同时加入少量的Fe2+即可产生大量的羟基自由基·OH，费用低廉，操作简单，是一种很有发展潜力的废水处理方法。但是在此过程中，Fe2+会与降解过程中间产物形成络合，阻碍了Fe2+的循环利用，影响了电芬顿法降解的效果。
发明内容
本公开的目的是提供一种电芬顿法处理有机废水的方法和装置，该方法和装置可以对有机废水的处理简单高效，有机污染物去除率高。
为了实现上述目的，本公开提供一种电芬顿法处理有机废水的方法，该方法包括：
(1)使复合催化剂与有机废水接触，并吸附所述有机废水中的有机污染物；
(2)使所述有机废水在通氧或曝气条件下进行电解处理，以使氧气在阴极表面发生还原反应产生过氧化氢，所述过氧化氢与亚铁离子反应产生羟基自由基，所述有机废水中的有机污染物与所述羟基自由基发生氧化反应，得到处理后的废水；
其中，所述复合催化剂为矿物性索玛瑅复合材料，所述复合催化剂与所述有机废水接触，得到所述亚铁离子。
可选地，电解处理中，有机废水的pH值为2-6。
可选地，相对于1L有机废水，复合催化剂的用量为1-15g。
可选地，电解处理在微波辐射下进行，微波辐射的功率为100-220W。
可选地，电解处理在紫外光辐射下进行。
可选地，有机废水中的有机污染物的浓度为10-1000mg/L，有机污染物的去除率为95-100％。
可选地，阳极的材料为选自铂电极、活性炭纤维电极、掺硼金刚石膜电极、钛基二氧化铅/二氧化锡复合电极和石墨电极中的至少一种；阴极的材料为选自不锈钢电极、石墨电极、铂电极和钛网中的至少一种。
本公开还提供一种电芬顿法处理有机废水的装置，包括反应器壳体、阳极板、阴极板、曝气装置、直流电源、蠕动泵、进水口、出水口和进气口；所述曝气装置与进气口连通，所述蠕动泵与所述出水口连通；所述阴极板和所述阳极板的面积为5-25cm2，间距为1-4cm，所述直流电源使得所述阳极板和所述阴极板之间的电流密度为4-90mA/cm2。
可选地，该装置还包括微波实验炉，反应器壳体置于微波实验炉内部。
可选地，该装置还包括紫外光源，紫外光源为无极紫外灯。
通过上述技术方案，本公开的处理方法将矿物性索玛瑅复合材料作为复合催化剂与电芬顿反应体系结合，对有机废水进行处理，该复合催化剂可以一方面对有机废水中的有机污染物起到吸附净化作用，另一方面还可以产生作为电芬顿体系催化剂的亚铁离子，与电解体系中产生的过氧化氢作用生成羟基自由基，在羟基自由基的氧化作用下进一步除去有机废水中的有机污染物；同时该复合催化剂可以重复利用，将其与电芬顿法结合处理有机废水的方法高效环保。本公开的处理有机废水的方法和装置对有机废水的处理简单高效，有机污染物去除率高。
本公开的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。在附图中：
图1是本公开的电芬顿法处理有机废水的装置的一种具体实施方式的结构示意图。
附图标记说明
1 阳极板 2 阴极板
3 紫外光源 4 曝气装置
5 直流电源 6 微波实验炉
7 蠕动泵 8 复合催化剂
9 反应器壳体 10 进水口
11 出水口 12 进气口
具体实施方式
以下结合附图对本公开的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本公开，并不用于限制本公开。
在本公开中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下”通常是指装置在正常使用状态下的“上”和“下”，具体可以参考图1的图面方向，“内、外”是指针对装置本身的轮廓而言的。
本公开提供一种电芬顿法处理有机废水的方法，该方法包括：(1)使复合催化剂与有机废水接触，并吸附所述有机废水中的有机污染物；(2)使所述有机废水在通氧或曝气条件下进行电解处理，以使氧气在阴极表面发生还原反应产生过氧化氢，所述过氧化氢与亚铁离子反应产生羟基自由基，所述有机废水中的有机污染物与所述羟基自由基发生氧化反应，得到处理后的废水；其中，所述复合催化剂为矿物性索玛瑅复合材料，所述复合催化剂与所述有机废水接触，得到所述亚铁离子。
本公开的方法采用矿物性索玛瑅复合材料作为复合催化剂应用于电芬顿体系中，对有机废水进行处理，该复合催化剂可以一方面对有机废水中的有机污染物起到吸附净化作用，另一方面还可以产生作为电芬顿体系催化剂的亚铁离子，与电解体系中产生的过氧化氢作用生成羟基自由基，在羟基自由基的氧化作用下进一步除去有机废水中的有机污染物；同时该复合催化剂可以重复利用，将其与电芬顿法结合处理有机废水的方法高效环保。本公开的处理有机废水的方法和装置对有机废水的处理简单高效，有机污染物去除率高。
根据本公开，电芬顿法处理有机废水的原理包括：利用氧气分子在阴极表面电化学还原成过氧化氢，过氧化氢与具有亚铁离子发生芬顿反应，产生羟基自由基，羟基自由基氧化降解有机污染物。其中亚铁离子在反应中可以起催化作用，它与过氧化氢反应生成三价铁离子后，可以在阴极发生还原反应生成亚铁离子，作为催化剂继续参与芬顿反应。电芬顿体系中发生的化学反应可以包括下式(1)-式(3)所示；
O2+2H++2e→H2O2 式(1)
Fe2++H2O2→Fe3++·OH+OH- 式(2)
Fe3++e→Fe2+ 式(3)。
根据本公开，矿物性索玛瑅的复合多功能尖端材料(简称矿物性索玛瑅复合材料)为含有矿物类索玛瑅量子能量生物体(Quantum Energy Living Body:QEBY)的康复多功能天然凝胶，具有抑制癌细胞、增强免疫力、VOC去除，屏蔽吸收有害电磁波、促进堆肥发酵腐熟等功能。本申请的发明人在进一步的研究中发现，这种多功能材料在废水处理中可作为吸附剂吸附有机污染物质，并通过富含的固体铁系催化过氧化氢形成非均相类芬顿氧化体系，同时，固体矿物表面释放的亚铁离子催化过氧化氢形成均相芬顿反应体系，降解有机污染物，能够达到将污染物质吸附富集于材料表面并原位催化氧化的目的。
矿物性索玛瑅复合材料的制备方法可以包括：(a)矿物采集步骤，从地下采集不包含对生物体有害的重金属或放射性物质、而全包含未被污染的SiO2、Al2O3、Fe2O3、MgO的无机物的天然矿石；(b)矿物粉碎步骤，将上述采集的天然矿石粉碎成45微米～2纳米的粒子以形成粉末状；(c)矿物粉末提纯步骤，从粉末状的矿石粉末中提纯及分离对生物体有害的重金属及放射性物质；(d)矿物粉末燃烧步骤，燃烧经提纯的矿物粉末，以改变矿石本身的质量、比重、电子数、离子数；(e)混合及发酵工艺步骤，以一定比率混合经燃烧的矿物粉末和H2O及由石花菜构成的天然植物提取物，并将混合的矿物混合粉末发酵一定时间以提高矿物性索玛瑅和微生物的活性；(f)灭菌干燥步骤，对熟成发酵的矿物混合粉末进行灭菌及干燥；(g)陶瓷混合粉末培养步骤，将经干燥的矿物混合粉末放在容器之后，添加混合有一定量的水、蒸馏水、磁化水、葡萄糖或糖类的溶液，并向添加溶液的矿物混合粉末添加糖类或用于培养微生物的培养基并进行1小时以上的培养；(h)矿物性索玛瑅提取步骤，从上述(g)步骤中培养出的矿物混合粉末中分离提取微生物，并分离提取在提取出的微生物中包含的矿物性索玛瑅。上述的矿物性索玛瑅复合材料也可以通过商购获得，例如购自韩国量子能公司。
根据本公开，电芬顿体系的pH可以为本领域技术人员所熟知的常规范围，为了提高有机污染物的去除率和催化剂亚铁离子的转化效率，优选情况下，电解处理中，有机废水的pH值为2-6，进一步优选为2-4。可以采用本领域的常规方法调节有机废水的pH，本公开不做特别的限定。
上述复合催化剂的用量可以在很大范围内变化，为了提高有机废水的处理效率，优选地，相对于1L有机废水，复合催化剂的用量可以为1-15g，进一步优选为2-10g。
根据本公开的方法可以处理多种来源和有机污染物含量的有机废水，其中，有机污染物可以包括有机染料、抗生素、内分泌干扰物、多环芳烃和有机农药中的至少一种，为了进一步提高有机污染物去除效率，优选地，有机废水中的有机污染物的总浓度可以为10-1000mg/L，有机污染物的去除率可以为50-100％，优选为95-100％。
为了进一步提高有机废水中有机污染物的去除效率，在本公开优选的一种实施方式中，电解处理可在微波辐射下进行，微波辐射的功率优选为100-220W。在这一优选的实施方式中，微波辐射增强了电芬顿反应中过氧化氢的生成与消耗，提高了Fe2+的再生速率，有效促进电芬顿的反应速率；微波辐射同时有效地促进了羟基自由基的产生，加快了有机污染物的降解速率。
为了进一步提高反应体系中过氧化氢的分解效率，提高羟基自由基的浓度，优选地，电解处理可以在紫外光辐射下进行，在这一优选的实施方式中，过氧化氢通过电芬顿体系转化为羟基自由基的同时，一部分过氧化氢还可以在紫外辐射作用下分解为羟基自由基，提高了反应体系中羟基自由基的含量，从而提升了有机污染物的氧化降解效率。
在本公开特别优选的一种具体实施方式中，上述电解处理同时在微波辐射和紫外光辐射下进行，在这一优选的实施方式中，微波辐射和紫外光辐射协同促进电芬顿反应的进行，明显提高了有机废水中有机污染物的降解速度和去除率，有机污染物的去除率可达到95-100％。
根据本公开，电芬顿体系中阳极和阴极的材料可以为用于电芬顿反应的常规种类，为了提高电极表面反应的效率，减缓电极钝化，优选情况下，阳极的材料为选自铂电极、活性炭纤维电极、掺硼金刚石膜电极、钛基二氧化铅/二氧化锡复合电极和石墨电极中的至少一种；阴极的材料为选自不锈钢电极、石墨电极、铂电极和钛网中的至少一种。
本公开还提供一种电芬顿法处理有机废水的装置，如图1所示，该装置包括反应器壳体9、阳极板1、阴极板2、曝气装置4、直流电源5、蠕动泵7、进水口10、出水口和进气口12；所述曝气装置4与进气口12连通，所述蠕动泵7与所述出水口11连通；所述阴极板2和所述阳极板1的面积为5-25cm2，间距为1-4cm，所述直流电源5使得所述阳极板1和所述阴极板2之间的电流密度为4-90mA/cm2。本公开的装置操作简便、应用范围广，可以高效去除有机废水中的有机污染物。
为了进一步提高装置的处理效率，该装置还可以包括微波实验炉6，上述的反应器壳体9可以置于微波实验炉6内部，以使电芬顿体系置于微波辐射的环境中。
为了更进一步提高上述装置处理有机废水的效率和净化效果，该装置还可以包括紫外光源3，紫外光源3优选为无极紫外灯。紫外光源3的安装位置没有限制，例如可以设置于上述的反应器壳体9内。
以下通过实施例进一步说明本公开，但是本公开并不因此而受到任何限制。在本公开的下述实施例中，复合催化剂为购自韩国量子能公司的矿物性索玛瑅复合材料。
实施例1
本实施例用于说明本公开的电芬顿法处理有机废水的方法和装置。
采用如图1所示的处理装置处理有机废水，有机废水中有机污染物甲基橙的浓度为50mg/L，处理步骤包括：将1g复合催化剂矿物性索玛瑅复合材料加入反应器中，将阳极板1和阴极板2以一定的间距固定于圆形反应器中，将无极紫外灯3安置于微波实验炉6之中，同时连接好电源和光源的路线。使含有甲基橙的有机废水由进水口10进入放有多功能复合催化剂8的反应器9内，调节废水pH＝3，打开气泵4，使催化剂与废水充分接触，达到吸附-平衡状态，同时，催化剂释放亚铁离子，氧气通过气泵进入气泵后曝气板12进入反应器9，促进气相扩散和催化剂的分散，氧气流量为100mL/min。将微波实验炉6的控制开关的电源接通，微波率功率为200W，通过调节直流稳压电源5使电化学反应的电流密度为50mA/cm2，在反应器内微波辅助下发生光化学反应、电化学反应、电芬顿反应、非均相类芬顿反应，从而高效降解反应器内的有机污染物，污水处理量为300mL，降解处理时间为300min，通过蠕动泵7将处理后的废水从出水口11排出，复合催化剂不溶于有机废水中，可循环使用。对上述从出水口11排出的处理后的废水中TOC的去除情况，结果列于表1中。
实施例2
本实施例用于说明本公开的电芬顿法处理有机废水的方法和装置。
采用实施例1的方法，所不同的是处理有机废水的装置不包括无极紫外灯。测试从出水口11排出的处理后的废水中TOC的去除情况，结果列于表1中。
实施例3
本实施例用于说明本公开的电芬顿法处理有机废水的方法和装置。
采用实施例1的方法，所不同的是处理有机废水的装置不包括微波实验炉6。测试从出水口11排出的处理后的废水中TOC的去除情况，结果列于表1中。
实施例4
本实施例用于说明本公开的电芬顿法处理有机废水的方法和装置。
采用实施例1的方法，所不同的是处理有机废水的装置不包括微波实验炉6和无极紫外灯。测试从出水口11排出的处理后的废水中TOC的去除情况，结果列于表1中。
实施例5
本实施例用于说明本公开的电芬顿法处理有机废水的方法和装置。
采用实施例1的方法和装置，所不同的是有机废水含有同样浓度的有机污染物四环素。测试从出水口11排出的处理后的废水中TOC的去除情况，结果列于表1中。
实施例6
本实施例用于说明本公开的电芬顿法处理有机废水的方法和装置。
采用实施例1的方法和装置，所不同的是有机废水有含有同样浓度的有机污染物阿特拉津。测试从出水口11排出的处理后的废水中TOC的去除情况，结果列于表1中。
对比例1
本对比例用于说明与本公开不同的有机废水处理方法。
采用实施例1的装置，所不同的是，将复合催化剂矿物性索玛瑅复合材料替换为等当量的氧化铁。测试从出水口11排出的处理后的废水中TOC的去除情况，结果列于表1中。
对比例2
本对比例用于说明与本公开不同的有机废水处理方法。
有机废水中有机污染物甲基橙的浓度为50mg/L，处理步骤包括：调节有机废水的pH值至2-3；加入1g矿物性索玛瑅复合材料，并震荡5-10min中使有机污染物吸附于材料表面，同时在反应体系中加入H2O210-100mol/L；在温度30-60℃下，反应60-200min。测试处理后的废水中TOC的去除情况，结果列于表1中。
表1实施例1-6及对比例1-2中含有机物废水的TOC去除情况
由实施例1-6与对比例1-2的数据对比可以看出，本公开的电芬顿法处理有机废水的方法和装置可以明显提高有机废水中有机污染物的降解速率和去除率，在本公开优选的电解反应在微波辐射和/或紫外辐射的情况下，本公开的方法处理有机废水的效率更高，有机污染物的去除更彻底，尤其是本公开优选的电解反应同时在微波辐射和紫外辐射下进行的情况下，本公开的方法处理有机废水的去除率可以达到95％以上。
以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。

Claims (4)

1.一种电芬顿法处理有机废水的方法，其特征在于，该方法包括：
（1）使复合催化剂与有机废水接触，并吸附所述有机废水中的有机污染物；
（2）使所述有机废水在通氧或曝气条件下进行电解处理，以使氧气在阴极表面发生还原反应产生过氧化氢，所述过氧化氢与亚铁离子反应产生羟基自由基，所述有机废水中的有机污染物与所述羟基自由基发生氧化反应，得到处理后的废水；
其中，所述复合催化剂为矿物性索玛瑅复合材料，所述复合催化剂与所述有机废水接触，得到所述亚铁离子；
所述矿物性索玛瑅复合材料的制备方法包括：（a）矿物采集步骤，从地下采集不包含对生物体有害的重金属或放射性物质、而全包含未被污染的SiO2、Al2O3、Fe2O3、MgO的无机物的天然矿石；（b）矿物粉碎步骤，将上述采集的天然矿石粉碎成45微米-2纳米的粒子以形成粉末状；（c）矿物粉末提纯步骤，从粉末状的矿石粉末中提纯及分离对生物体有害的重金属及放射性物质；（d）矿物粉末燃烧步骤，燃烧经提纯的矿物粉末，以改变矿石本身的质量、比重、电子数和离子数；（e）混合及发酵工艺步骤，以一定比率混合经燃烧的矿物粉末和H2O及由石花菜构成的天然植物提取物，并将混合的矿物混合粉末发酵一定时间以提高矿物性索玛瑅和微生物的活性；（f）灭菌干燥步骤，对熟成发酵的矿物混合粉末进行灭菌及干燥；（g）陶瓷混合粉末培养步骤，将经干燥的矿物混合粉末放在容器之后，添加混合有一定量的水、蒸馏水、磁化水、葡萄糖或糖类的溶液，并向添加溶液的矿物混合粉末添加糖类或用于培养微生物的培养基并进行1小时以上的培养；（h）矿物性索玛瑅提取步骤，从上述（g）步骤中培养出的矿物混合粉末中分离提取微生物，并分离提取在提取出的微生物中包含的矿物性索玛瑅；
其中，所述电解处理在微波辐射下进行，所述微波辐射的功率为100-220W；
所述电解处理在紫外光辐射下进行；
阳极的材料为选自铂电极、活性炭纤维电极、掺硼金刚石膜电极、钛基二氧化铅/二氧化锡复合电极和石墨电极中的至少一种；阴极的材料为选自不锈钢电极、石墨电极、铂电极和钛网中的至少一种。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电解处理中，所述有机废水的pH值为2-6。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，相对于1L所述有机废水，所述复合催化剂的用量为1-15g。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述有机废水中的所述有机污染物的浓度为10-1000mg/L，所述有机污染物的去除率为95-100%。
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