CN106630036A - 一种低能耗的电絮凝去除水体中重金属的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种低能耗的电絮凝去除水体中重金属的装置，包括外壳，外壳下部有进水口，上部有出水口，外壳中设置有阳极板和阴极板，阴极板为碳材料电极，阳极产生的金属离子水解生成大量絮体，吸附去除重金属离子，碳材料阴极替代传统阴极，提高阴极反应电势，减少外加电能，与传统电絮凝装置相比，在相同水质、运行条件下，达到相同去除效果时，碳材料做阴极的电絮凝装置能节省能耗约50％。

Description

一种低能耗的电絮凝去除水体中重金属的装置
技术领域
本发明属于电化学修复技术领域，特别涉及一种低能耗的电絮凝去除水体中重金属的装置。
背景技术
电絮凝技术是用于处理重金属污染水体的一种电化学技术，在外加电场作用下，可溶性阳极(通常采用Fe/Al阳极)析出金属阳离子Fe2+或Al3+，阳离子经过水解、聚合形成一系列多核轻基络合物和氢氧化物，能够吸附水体中重金属离子如铜、砷、铬、镉、镍、铅等，并经过沉降或过滤得以去除重金属。Akbal、徐旭东的研究表明电絮凝对重金属离子的去除率高，可达到99％以上。此外电絮凝法的设备简单，占地面积小，产生的污泥量少，易于脱水，对水质(pH值、电导率等)的适应范围较宽。因此，电絮凝工艺在重金属废水处理以及水体修复领域中的应用也越来越广泛。但电絮凝技术目前主要存在的问题是电能消耗大，运行成本偏高。专利CNIO3304075A提出了一种连续脉冲电絮凝技术处理含铬废水，利用脉冲间歇供电模式“通-断-通”，减少供电时间来降低能耗。专利CN204039109U通过提出一种极板可滑动的电絮凝装置，缩小极板间距，降低工作电压，从而降低耗电量。但是这些方法仅通过改变电絮凝反应的运行状况来降低能耗，面对实际需求有一定的局限性，因此还需要探索其它具有普适性的方式来降低能耗。
发明内容
为了克服上述现有技术电极反应能耗大等缺点，本发明的目的在于提供一种低能耗的电絮凝去除水体中重金属的装置，该装置在普通电絮凝的基础上，使用碳材料电极代替铁阴极，在阴极表面发生氧气还原反应，阳极产生的金属离子(铁离子、铝离子或锌离子)水解生成大量絮体，吸附去除重金属离子如铜、砷、铬、镉、镍、铅等。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种低能耗的电絮凝去除水体中重金属的装置，包括外壳3，外壳3下部有进水口4，上部有出水口5，外壳3中设置有阳极板1和阴极板2，其特征在于，所述阴极板2为碳材料电极。
所述外壳3中位于进水口4上方设置有水平的绝缘格栅6，阳极板1和阴极板2竖直设置在绝缘格栅6上，阳极板1和阴极板2均有多个，相互间隔设置。
所述阳极板1和阴极板2的极板间距没有具体要求，但间距越大，能耗越大，可优选极板间距为5～10cm。
所述外壳3中设置有多组电极，一组电极中阴极板2和阳极板1的数量比为1：n，n≥1，反应器装置体积与电极总面积和比控制在1～10m3/m2。
所述阳极板1可采用铁电极、铝电极、锌电极、镁电极中的任意一种或至少两种的组合。
所述碳材料阴极可采用碳布、碳毡、碳纤维等成型碳的任意一种或至少两种的组合；或者，碳材料阴极由粉末式碳材料和集电体采用粘结剂粘结制成，其中碳材料采用石墨、炭黑、碳纳米管或活性炭中的任意一种或至少两种的组合，集电体采用不锈钢网、钛网或泡沫镍等，用于增加阴极的机械强度并起到分散电流、降低阴极过电势的作用，粘结剂为聚偏氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)中任意一种。
本发明还提供了一种基于所述装置的电絮凝去除水体中重金属方法，包括如下步骤：
含重金属水从进水口4进入，调节电流或电压，进行电絮凝反应，出水经出水口5排出，一定时间后沉降絮体经外壳3底部带阀门8的排渣口7排出。
本发明处理过程优先采用脉冲模式控制电极，可有效防止阳极钝化。处理过程还可采用恒流、恒压模式控制电极，电源采用直流电源、蓄电池或太阳能电源，控制电极的电压为0～100V且不包括0V，电极板上的电流密度为0～40mA/cm2且不包括0mA/cm2。
本发明中处理过程中进水方式可采用序批式或连续流。
本发明处理过程能根据水体重金属浓度、水质要求、水力停留处理时间调节电流密度或电压，处理过程灵活可控。
现以铁电极为例对本发明的机理进行说明：
阳极：Fe-2e－→Fe2+ (1)
阴极：O2+2H2O→4OH－+4e－ (2)
电解反应过程中，阳极产生Fe2+，随后水解生成絮体Fe(OH)3，在絮体的不断凝聚沉降过程中，吸附水体中的重金属离子，使得重金属得以去除。与传统电絮凝所不同的是，在碳材料阴极上由于碳材料的催化作用发生氧气还原反应，电势为0.816V(相对SHE)，与普通电絮凝的阴极析氢反应电势–0.414V(相对SHE)相比，反应电势更高。铁阳极的反应电势为-0.447V(相对SHE)，碳材料阴极与铁阳极的总反应电压为1.263V，与传统阴极与铁阳极的总反应电压0.033V相比高得多，热力学上放出的能量多，达到相同去除效果所需的外加电压小。从两种电极在相同情况下的线性扫描伏安(LSV)曲线可以得到验证，如图3所示。
与现有技术相比，在相同处理水质、运行条件下，本发明与传统电絮凝相比，碳材料做阴极时的电絮凝反应所需外加电能更少，能节省能耗约50％。
附图说明
图1是本发明电絮凝反应器示意图。
图2是本发明电极组示意图。
图3是铁阴极与碳材料阴极的线性扫描伏安(LSV)曲线。
图4是电流密度4A/m2下，普通电絮凝与新型电絮凝的系统电压。
图5是普通电絮凝与新型电絮凝系统的能耗比较。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
如图1所示，本发明电絮凝去除水体中重金属的电极和装置，如图1和图2所示。一种低能耗的电絮凝去除水体中重金属的装置，包括外壳3，外壳3下部有进水口4，上部有出水口5，外壳3中设置有阳极板1和阴极板2，其特征在于，阴极板2为碳材料电极，阳极板1为金属阳极。含重金属水从进水口4进入反应装置，在阳极产生的絮体作用下，沉降下来，最后由排渣口7排出。电化学处理后的出水由出水口5排出。
本发明节省能耗的有益效果通过如下实施例和对比例进行说明和验证。
实施例1
地下水pH为7，电导率为1500μs/cm。新型电絮凝采用碳材料阴极替代铁阴极(ACEC)。利用直流稳压电源向新型电絮凝反应器供电，固定电流密度4Am-2。电压U变化如图4所示。采用W表征一定时间内系统电极反应能耗(wh m-3)如图5所示。
W＝UIt/V
其中电压U为自动数据采集系统实时记录(V)，t电解时间(h)，V为水的体积(m3)，I为施加电流(A)。
对比例1
地下水pH为7，电导率为1500μs/cm。普通电絮凝采用相同面积的不锈钢网做阴极(EC)。其中EC的阴阳极电极间距与ACEC相同。利用直流稳压电源向新型电絮凝反应器供电，固定电流密度4A m-2。电压U变化如图4所示。采用W表征一定时间内系统电极反应能耗如图5所示。
电流密度相同时，两种系统在相同时间内重金属去除率一致。综合实施例1对比例1的结果可以看出，当碳材料作为阴极的新型电絮凝系统的外加电压约为1.0V，而传统电絮凝外加电压约为2.0V。新型电絮凝系统的外加电压仅为传统电絮凝的一半左右，这使得系统能耗大大降低。新型电絮凝系统的电能消耗仅为传统电絮凝的50％。这表明，在相同水质、运行状况下，为达到相同重金属去除效果，碳材料做阴极的电絮凝过程能节省能耗近50％。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细工艺设备和工艺流程，但本发明并不局限于上述详细工艺设备和工艺流程，即不意味着本发明必须依赖上述详细工艺设备和工艺流程才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (10)

1.一种低能耗的电絮凝去除水体中重金属的装置，包括外壳(3)，外壳(3)下部有进水口(4)，上部有出水口(5)，外壳(3)中设置有阳极板(1)和阴极板(2)，其特征在于，所述阴极板(2)为碳材料电极。
2.根据权利要求1所述低能耗的电絮凝去除水体中重金属的装置，其特征在于，所述外壳(3)中位于进水口(4)上方设置有水平的绝缘格栅(6)，阳极板(1)和阴极板(2)竖直设置在绝缘格栅(6)上，阳极板(1)和阴极板(2)均有多个，相互间隔设置。
3.根据权利要求2所述低能耗的电絮凝去除水体中重金属的装置，其特征在于，所述阳极板(1)和阴极板(2)的极板间距越大，能耗越大。
4.根据权利要求2所述低能耗的电絮凝去除水体中重金属的装置，其特征在于，所述阳极板(1)和阴极板(2)的极板间距为5～10cm。
5.根据权利要求1所述低能耗的电絮凝去除水体中重金属的装置，其特征在于，所述外壳(3)中设置有多组电极，一组电极中阴极板(2)和阳极板(1)的数量比为1：n，n≥1，反应器装置体积与电极总面积和比控制在1～10m3/m2。
6.根据权利要求1所述低能耗的电絮凝去除水体中重金属的装置，其特征在于，所述阳极板(1)采用铁电极、铝电极、锌电极、镁电极中的任意一种或至少两种的组合。
7.根据权利要求1所述低能耗的电絮凝去除水体中重金属的装置，其特征在于，所述碳材料阴极采用碳布、碳毡、碳纤维等成型碳的任意一种或至少两种的组合；或者，碳材料阴极由粉末式碳材料和集电体采用粘结剂粘结制成，其中碳材料采用石墨、炭黑、碳纳米管或活性炭中的任意一种或至少两种的组合，集电体采用不锈钢网、钛网或泡沫镍，粘结剂为聚偏氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)中任意一种。
8.一种基于权利要求1所述装置的电絮凝去除水体中重金属方法，其特征在于，包括如下步骤：
含重金属水从进水口(4)进入，调节电流或电压，进行电絮凝反应，出水经出水口(5)排出，一定时间后沉降絮体经外壳(3)底部带阀门(8)的排渣口(7)排出。
9.根据权利要求8所述所述低能耗的电絮凝去除水体中重金属方法，其特征在于，处理过程中采用脉冲模式、恒流或者恒压模式控制电极，电源采用直流电源、蓄电池或太阳能电源，控制电极的电压为0～100V且不包括0V，电极板上的电流密度为0～40mA/cm2且不包括0mA/cm2。
10.根据权利要求8所述所述低能耗的电絮凝去除水体中重金属方法，其特征在于，处理过程中进水方式采用序批式或连续流。
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