一种辉光放电电解二氧化钛溶液的污水净化方法
技术领域
本发明涉及电化学污水处理技术领域,具体地说是一种基于纳米金属粒子掺杂的辉光放电电解二氧化钛溶液的污水净化方法。
背景技术
当前污水处理主要方法有沉降、絮凝、吸附、气浮、生物处理以及化学电渗析等处理方法,这些技术在生活污水和工业废水的治理上起到一定的作用。但是这些污水处理存在着净化效率低、步骤繁琐、处理费用昂贵以及净化后的产物有害等,例如生活污水可以用传统的生物处理方法有效地处理,但是数量繁多的剧毒化合物却不能用生物方法处理。所以必须寻找新的、有效合适的方法去解决这一系列问题。
随着材料科学的发展,纳米材料因其出众的物理化学性能,比如表面与界面效应、量子尺寸效应、吸附性能和化学性、催化活性强等特点,在日常生活与工业应用中得到越来越多的关注。制备纳米材料的方法技术有很多,以辉光放电原理的纳米粒子制作方法因其结构简单、无需样品预处理、绿色环保等优点,日益成为工厂纳米粒子预制备的首选技术。二氧化钛纳米颗粒具有很好的紫外光催化效应,在悬浮液体系中,Tio2颗粒易吸附于微生物细胞的表面,或被微生物细胞吞噬在细胞内,由于紫外光激发的Tio2的颗粒产生的空穴具有非常强的氧化性能,能够有效地杀死污水中的微生物。此外,辉光放电在污水中电解出OH-、O2 -、O-、O2 +、N2 +、O•、OH•等氧化剂,这些氧化剂与污水中的微生物、金属离子作用,起到净化污水的作用,关于辉光放电净化污水的方法早已出现在文献中,实验证明这是一种有效的处理污水的方法。
现有技术的活性炭处理污水,虽然不会产生化学残留,无二次污染,并且处理时间快,但是净化效率不是很好,且前期工作较为复杂。而生物膜法、电渗析法和生化方法在污水处理应用上技术成熟,能够有效净化污水的各种污染物,对污水水质、水量的变化有较强的适应性,管理方便,但是生物化学方法存在前期工作准备复杂,反应条件要求高,且成本高、处理周期长、有化学残留等缺点。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术不足而提供的一种纳米金属粒子辅助的辉光放电电解二氧化钛溶液净化污水的方法,采用辉光放电产生的高温等离子体与二氧化钛溶液的相互作用,产生二氧化钛纳米粒子溶液,得到的二氧化钛纳米溶液与掺杂的纳米金属粒子相互作用,二氧化钛纳米粒子受纳米金属粒子的局部电场作用,二氧化钛粒子吸附在纳米金属表面,并且纳米金属可以作为电子阱促进二氧化钛电子空穴的分散,减小二氧化钛电子跃迁能级差,使得二氧化钛纳米溶液具有在可见光条件下发生光催化反应的性质,在二氧化钛纳米溶液和辉光放电电解产生的等离子体协同作用,能快速、有效地降解污水中的重金属离子、有机物、微生物,电解后的产物对坏境无污染,实现了对污水的净化处理,并根据电流的变化,添加电解质溶液来增强放电,有效解决了在降解反应过程中,溶液里的辉光放电会随着电解时间增加,放电现象逐渐减弱甚至不会产生等离子体的问题,工艺简单,操作方便,电解效率高,处理成本低,不污染环境,尤其适合工业三级污水处理的应用。
实现本发明目的的技术方案是:一种辉光放电电解二氧化钛溶液的污水净化方法,其特点是污水中加入电解液,采用辉光放电等离子体进行污水的净化处理,其具体操作如下:
(一)、污水预处理
将污水中的悬浮物、泥沙采用物理过滤装置进行污水的预处理,然后放入电解池。
(二)、电解液配制
将钠盐溶液、铁离子溶液、亚铁离子溶、双氧水或其两种以上的混合溶液与纳米粒子溶液和二氧化钛溶液按10:1~5:1体积比配制成电解液,所述钠盐溶液和二氧化钛溶液的浓度为1~5g/L;所述铁离子溶液、亚铁离子溶和双氧水的浓度为20~100g//L;所述纳米粒子溶液为1000~5000ppm的纳米金、纳米铜或纳米银溶液,其粒度为1~20nm。
(三)辉光放电等离子体
将上述配制的电解液与污水按0.1~0.2:1体积比加入电解池,搅拌成电解混合液,并将其pH值调为2~7,然后放置阴极与阳极组成的电极对,当电解混合液加热到80℃时,将电压调至400~800V、电流调至1~5A、温度调至80~90℃,开始辉光放电等离子体的污水净化处理并计时。
(四)、辉光放电的稳定调节
辉光放电的电流输出每上升0.1A加入1~3/10电解混合液体积的蒸馏水,每降低0.1A加入1~3/10电解混合液体积的电解液,以调节电解混合液电阻,稳定辉光放电等离子体的电解反应。
(五)、取样检测和达标排放
每30分钟将反应后的沉淀物过滤去除,并取样检测COD和BOD数值,达标后停止辉光放电的等离子体电解反应,然后排出净化后的污水。
所述阳极为铂、金、铜、银、铁、石墨、钛或不锈钢板。
所述阴极为铂、石墨、金、银、不锈钢、钴、镍或钛棒,其电极末端磨成Φ0.1mm×3mm的尖端。
所述电极对的阴极尖端与阳极板为垂直设置,并浸没在电解混合液的1/2~2/3处。
所述电解混合液的初始电导率为3~7ms/cm。
所述二氧化钛为金红石型或锐钛矿型二氧化钛粉末。
本发明与现有技术相比具有快速、有效地降解污水中的重金属离子、有机物、微生物,辉光放电产生的高温等离子体作为绿色的降解能源,能够有效破化微生物结构,并产生很好的具有催化作用的活性粒子,这些活性粒子能与污水中重金属离子、有机物分子充分反应,同时掺杂纳米金属的二氧化钛溶液具有可见光催化的性质,能够产生氧化性极强的自由氢氧基,利用二氧化钛纳米溶液和辉光放电电解产生的等离子体二者协同作用,能快速、有效地降解污水中的各种有害成分,工艺简单,操作方便,电解效率高,处理成本低,是一种很有工业价值的污水净化处理工艺路线,尤其适合工业三级污水处理的应用。
具体实施方式
通过以下具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
实施例1
(一)、污水预处理
将100ml工业废水通过过滤装置,进行物理过滤吸附处理,将粗物悬浮液、泥沙滤去,得到溶液粒子尺寸在100um以下,然后抽取样品液少许进行污染物监测,检测污水中COD为400mg/L、BOD为200mg/L、重金属离子汞含量为0.01mg/L,然后将污水导入电解池。
(二)、电解液配制
将粒径为10nm、浓度为1000ppm的银纳米溶液50ml和锐钛矿型二氧化钛粉末5g加入上述污水中,待溶液搅拌均匀后调节pH为2.6,并充分搅拌电解池中的混合液20min,此时电解混合液的电导率为4.5ms/cm,然后放入铂板为阳极与石墨棒为阴极组成的电极对,铂板规格为20mm×20mm×2mm,石墨棒规格为Φ5mm×10cm,其电极末端磨成Φ0.1mm×3mm的尖端,除石墨棒尖端3mm长度外,用绝缘胶带把裸露的把其余的部分缠绕密封,并且在整个石墨棒上套入起隔热作用的石棉纤维管,将阴极尖端与阳极金属板为垂直设置,并浸没在电解混合液的2/3处。
(三)辉光放电等离子体
将电解混合液加热到80℃时,接通500V、电流为2A、温度为80℃进行辉光放电等离子体的污水净化处理,不断搅拌电解混合液并开始计时。
(四)、辉光放电的稳定调节
当电流下降到1.9A时,加入30ml上述配制的电解液,使辉光继续放电,产生高温等离子体进行污水净化处理,电解进行到30min后,将反应后的沉淀物过滤去除,并取样检测COD为20mg/L、BOD为5mg/L、重金属离子汞含量为0.0001mg/L,达标后停止辉光放电的等离子体电解反应,然后排出净化后的污水。
实施例2
(一)、污水预处理
将100ml工业废水通过过滤装置,进行物理过滤吸附处理,将粗物悬浮液、泥沙滤去,得到溶液粒子尺寸在100um以下,然后抽取样品液少许进行污染物监测,检测污水中COD为400mg/L、BOD为200mg/L、重金属离子汞含量0.01mg/L,然后将污水导入电解池。
(二)、电解液配制
将粒径为10nm、浓度为1000ppm的金纳米溶液50ml和锐钛矿型二氧化钛粉末5g加入上述污水中,待溶液搅拌均匀后调节pH为3.6,并充分搅拌电解池中的混合液20min,此时电解混合液的电导率为5.0ms/cm,然后放入银板为阳极与石墨棒为阴极组成的电极对,银板规格为20mm×20mm×2mm,石墨棒规格为Φ5mm×10cm,其电极末端磨成Φ0.1mm×3mm的尖端,除石墨棒尖端3mm长度外,用绝缘胶带把裸露的把其余的部分缠绕密封,并且在整个石墨棒上套入起隔热作用的石棉纤维管,将阴极尖端与阳极金属板为垂直设置,并浸没在电解混合液的2/3处。
(三)辉光放电等离子体
将电解混合液加热到80℃时,将电压调到800V、电流为4A、温度为90℃进行辉光放电等离子体的污水净化处理,不断搅拌电解混合液并开始计时。
(四)、辉光放电的稳定调节
当电流上升降到4.1A时加入30ml蒸馏水,使辉光继续放电,产生高温等离子体进行污水净化处理。电解进行到30min后,将反应后的沉淀物过滤去除,并取样检测COD为12mg/L、BOD为3g/L、重金属汞离子含量为50ppb,达标后停止辉光放电的等离子体电解反应,然后排出净化后的污水。
实施例3
(一)、污水预处理
将100ml工业废水通过过滤装置,进行物理过滤吸附处理,将粗物悬浮液、泥沙滤去,得到溶液粒子尺寸在100um以下,然后抽取样品液少许进行污染物监测,检测污水中COD为400mg/L、BOD为200mg/L、重金属离子汞含量为0.01mg/L,然后将污水导入电解池。
(二)、电解液配制
将粒径为10nm、浓度为5000ppm的铜纳米溶液20ml和锐钛矿型二氧化钛粉末5g加入上述污水中,待溶液搅拌均匀后调节pH为3.6,并充分搅拌电解池中的混合液20min,此时电解混合液的电导率为6.0ms/cm,然后放入铜板为阳极与石墨棒为阴极组成的电极对,铜板规格为20mm×20mm×2mm,石墨棒规格为Φ5mm×10cm,其电极末端磨成Φ0.1mm×3mm的尖端,除石墨棒尖端3mm长度外,用绝缘胶带把裸露的把其余的部分缠绕密封,并且在整个石墨棒上套入起隔热作用的石棉纤维管,将阴极尖端与阳极金属板为垂直设置且石墨电极尖端离铜片表面的距离是2mm,并浸没在电解混合液的2/3处。
(三)辉光放电等离子体
将电解混合液加热到80℃时,将电压调到800V、电流为5A、温度为90℃进行辉光放电等离子体的污水净化处理,不断搅拌电解混合液并开始计时
(四)、辉光放电的稳定调节
当电流上升降到5.1A时加入30ml蒸馏水,使辉光继续放电,产生高温等离子体进行污水净化处理。电解进行到30min后,将反应后的沉淀物过滤去除,并取样检测COD为4mg/L、BOD为0.5g/L、重金属汞离子含量为20ppb,达标后停止辉光放电的等离子体电解反应,然后排出净化后的污水。
以上各实施例只是对本发明做进一步说明,并非用以限制本发明专利,凡为本发明的等效实施,均应包含于本发明专利的权利要求范围之内。