CN106830204B - 一种电化学阴极激发高锰酸盐降解水中污染物的方法及装置 - Google Patents

一种电化学阴极激发高锰酸盐降解水中污染物的方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电化学阴极激发高锰酸盐降解水中污染物的方法及装置，所述方法步骤为：将待处理污水注入电极反应器中，投加电解质使电解质浓度为0.05M，再投加高锰酸盐使高锰酸盐浓度为1~100μM，然后在高锰酸盐浓度为1~100μM及通电电流为50~200mA下进行处理，处理30~60min，即完成污水中污染物的降解。本发明采用电化学阴极激发高锰酸盐，使高锰酸盐产生具有强氧化性的中间价态锰离子，可有效氧化、吸附水中的有机物和重金属；本发明提供的装置，通过将阴极以镀层的形式镀在反应室的内壁和溢流板的板壁，增加了污水与阴极电极的接触面积，从而提高了高锰酸盐的激发活化速率，而且也减少了金属的使用量，降低了成本。

Description

一种电化学阴极激发高锰酸盐降解水中污染物的方法及装置
技术领域
本发明属于污水处理领域，具体涉及一种电化学阴极激发高锰酸盐降解水中污染物的方法及装置。
背景技术
近年来，进入水体中的污染物数量越来越多，种类也越来越复杂，对人们赖以生存的水环境造成了严重的污染，给饮用水卫生安全带来了极大的威胁。传统的水处理工艺在解决水体微污染、水体富营养化、持续性有机污染物、高浓度的有机废水及重金属去除等方面仍存在着一些问题，相对而言，高级氧化技术以其快速、无选择性、彻底地氧化环境中的污染物等特点在降解水中有机污染物方面占据着优势，同时重金属的去除多依靠于不同的吸附作用。高锰酸盐作为一种广泛的氧化剂，与污染物在一定的条件下Mn（Ⅶ）会被激发产生Mn（Ⅵ）、Mn（Ⅴ）、Mn（Ⅳ）、Mn（Ⅲ）等多种价态，而其中的Mn（Ⅵ）、Mn（Ⅴ）、Mn（Ⅲ）均具有较强的氧化性，能够将污染的水体中的有机物氧化，进一步去除水体中的有机污染物，而反应产生的MnO2可进一步的包埋水中的有机物；在去除重金属方面由于产生的MnO2能够吸附水中的重金属而达到去除目的。但是高锰酸盐在一般条件下，很难产生具有强氧化性的中间价态锰离子，从而氧化降解水中有机污染物不彻底，重金属去除效果差。
发明内容
本发明主要针对现有方法中高锰酸盐降解水中有机污染物及重金属效果差的问题，提供一种利用电化学阴极激发高锰酸盐降解水中污染物的方法，同时本发明还提供了一种实现该方法的装置。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种电化学阴极激发高锰酸盐降解水中污染物的方法，步骤如下：将待处理污水注入电极反应器中，投加电解质使电解质浓度为0.05M，再投加高锰酸盐使高锰酸盐浓度为1~100μM，然后在高锰酸盐浓度为1~100μM及通电电流为50~200mA下进行处理，处理30~60min，即完成待处理污水中污染物的降解。
由于高锰酸根在不通电条件下不能（或极少）产生活性的中间价态锰离子（尤其是Mn（Ⅲ）），其对有机物的去除效果较差，可降解的有机物不能完全降解，使其TOC也不能得到很好的处理，对难降解的有机物及重金属去除效果极差，应用价值较低。高锰酸盐在通电条件下，在给出电子的阴极可以得电子，从而产生具有强氧化性的中间价态锰离子（Mn（Ⅵ）、Mn（Ⅴ）、Mn（Ⅲ）），进而可以氧化水中的有机物，同时氧化产生的MnO2可进一步包埋水体中的污染物，从而达到去除水中污染物的目的，其中对有机物的去除主要利用Mn（Ⅵ）、Mn（Ⅴ）、Mn（Ⅲ）等的氧化作用；而重金属的去除主要是MnO2的吸附作用。
本发明方法可有效降解污水中的有机物及重金属，其中污水包括污水厂二级出水、有机废水、地表水或地下水，重金属包括铅、砷、铜、镉、镍、铬、锌、汞及钴等。
作为优选，所述高锰酸盐为高锰酸钾和高锰酸钠中的至少一种。高锰酸钾和高锰酸钠均为常用的高锰酸盐，价格便宜，易溶解，电解不易分解可保持电解池的离子强度。
作为优选，所述电解质为硫酸盐和碳酸盐中的至少一种，其中硫酸盐选自硫酸钠和硫酸钾中的至少一种，碳酸盐选自碳酸钠和碳酸钾中的至少一种。本发明中添加电解质可以使电解池中离子强度增大，进一步促进高锰酸盐激发产生中间价态活性锰离子。
作为优选，所述电解质为硫酸钠和碳酸钾，其中硫酸钠和碳酸钾的质量比为1:0.7。在该比例条件下，硫酸钠和碳酸钾能够充分发挥协同作用，并配合通电电流，使高锰酸盐在阴极激发下，更有效地产生中间价态锰离子，尤其是三价锰离子，从而提高污水中污染物的氧化降解效果。
一种实现上述方法的装置，包括反应室、直流电源、阴极和阳极，所述阴极与所述直流电源的负极连接，所述阳极与所述直流电源的正极连接，在所述反应室的底部侧壁设有进水口，在所述反应室的顶部侧壁设有出水口，在所述反应室内设有溢流板，所述反应室至少分成两级，每级反应室之间通过所述溢流板分隔，所述阴极以镀层的形式镀在所述反应室的内壁和所述溢流板的板壁上，所述阳极分别从每级反应室的顶部插入反应室内。
本发明通过将阴极以镀层的形式镀在反应室的内壁和溢流板的板壁，不仅增加了所处理污水与阴极电极的接触面积，从而提高高锰酸盐的激发活化速率，而且也减少了金属的使用量，降低了成本。
本发明提供的装置，实际应用中可根据进水水质以及出水水质的要求设计溢流板的个数，不同的溢流板个数将反应室分割为不同的反应空间，不同反应空间也可以选择不同的反应电压，待处理水经第一级反应空间处理后，经溢流板溢流进入下一级反应空间，进行进一步处理，从而可实现对待处理水的深层次处理，而且每级反应空间可处理不同浓度的污水，拓宽了待处理水中污染物的浓度范围，使高锰酸盐能够更高效的被激发，也使电能得到更大效益的利用。值得一提的是，当溢流板的数目增多到一定个数时，阴极和阳极的距离会较近，则需要在阴极和阳极之间增加一层绝缘隔离板。另外，多个溢流板时，溢流板可选择等距离设置。
本发明技术方案中，所述阳极可为石墨电极、金属电极或金属复合电极；其中所述的石墨电极为石墨丝电极、石墨毡电极、石墨棒电极、石墨板电极或石墨粒电极；其中所述的金属电极为铂电极、钛电极、铜电极、镍电极，且所述的金属电极为丝状、棒状或板状电极；其中所述的金属复合电极为金属、金属氧化物或金属氢氧化物一种或几种的复合材料，所述的金属为铂、钛、铜、镍、锌、铁、锰、铅、锡、钨、钽、锆、铋、锑、铱、镐、银、锗、铌、钼、钯、铈、铕、钇、铼、铟或锇，所述的金属氧化物中金属为铂、钛、铜、镍、锌、铁、锰、铅、锡、钨、钽、锆、铋、锑、铱、镐、银、锗、铌、钼、钯、铈、铕、钇、铼、铟或锇，所述的金属氢氧化物中金属为铂、钛、铜、镍、锌、铁、锰、铅、锡、钨、钽、锆、铋、锑、铱、镐、银、锗、铌、钼、钯、铈、铕、钇、铼、铟或锇，且所述的金属复合电极中电极为石墨电极、铂电极、钛电极或锡电极。
本发明技术方案中，所述阴极可为钛材料电极、不锈钢电极或复合电极；其中所诉的钛材料电极为钛板电极或钛镀层电极；其中所述的不锈钢电极为不锈钢板电极或不锈钢镀层电极；其中所述的复合电极为金属、金属氧化物或金属氢氧化物一种或几种的复合材料，所述的金属为铂、钛、铜、镍、锌、铁、锰、铅、锡、钨、钽、锆、铋、锑、铱、镐、银、锗、铌、钼、钯、铈、铕、钇、铼、铟或锇，所述的金属氧化物中金属为铂、钛、铜、镍、锌、铁、锰、铅、锡、钨、钽、锆、铋、锑、铱、镐、银、锗、铌、钼、钯、铈、铕、钇、铼、铟或锇，所述的金属氢氧化物中金属为铂、钛、铜、镍、锌、铁、锰、铅、锡、钨、钽、锆、铋、锑、铱、镐、银、锗、铌、钼、钯、铈、铕、钇、铼、铟或锇，且所述的金属复合电极中电极为壳体内壁为钛镀铂镀层电极。
相比现有技术，本发明具有如下有益效果：
（1）本发明采用电化学阴极激发高锰酸盐，使高锰酸盐产生具有强氧化性的中间价态锰离子（Mn（Ⅵ）、Mn（Ⅴ）、Mn（Ⅲ）），从而可有效氧化水中的有机物和重金属，不需要投加任何药剂，避免了二次污染的问题；
（2）本发明通过将阴极以镀层的形式镀在反应室的内壁和溢流板的板壁，增加了所处理污水与阴极电极的接触面积，从而提高了高锰酸盐的激发活化速率，而且也减少了金属的使用量，降低了成本；
（3）本发明操作简单，能耗低，只需适当的电流，在较小能量的输入下就能完成对高锰酸盐的激发，系统对有机污染物及重金属的降解效率高，产物无毒副作用。
（4）本发明利用了水处理领域的较传统的高锰酸盐氧化技术，结合了新兴的清洁的电能，能够用于对含有机物和重金属的给水或污水进行良好的处理，由于高锰酸盐存在多种中间价态，只有经过激发才能产生具有强氧化性的中间价态离子，才能够与相应的污染物反应，对该污染物进行降解，电作为一种清洁的现代能源，用电能够激发高锰酸盐产生多种中间价态，能够增强高锰酸盐氧化体系的氧化能力，Mn（Ⅵ）、Mn（Ⅴ）、Mn（Ⅲ）的强氧化性能够充分的氧化水中的有机物，降低水中的TOC，同时反应产生的二氧化锰（MnO2）具有吸附作用，可对水中的有机物和重金属进行进一步的吸附絮凝，将其沉淀去除。
附图说明
图1是本发明提供的电极反应器的一种结构示意图；
图2是实施例1的时间——去除率曲线图；
图3是实施例2的时间——去除率曲线图；
图4是实施例3的时间——去除率曲线图；
图5是实施例4的时间——去除率曲线图；
图6是对比例1的时间——去除率曲线图；
图7是对比例2的时间——去除率曲线图；
图8是对比例3的时间——去除率曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
图1为本发明提供的处理污水的电极反应器的结构示意图，如图1所示，该电极反应器包括反应室11、直流电源7、阴极8和两个阳极4，在反应室11的底部侧壁设有进水口1，在反应室11的顶部侧壁设有出水口2，在反应室11的顶部设有排气口9，在反应室11内设有溢流板12，反应室11分成两级，每级反应室之间通过被溢流板12分隔，阴极8以镀层的形式镀在反应室11的内壁和溢流板12的板壁上，两个阳极4分别从每级反应室的顶部插入反应室内，阴极8通过导线6与直流电源7的负极连接，阳极4通过导线6与直流电源7的正极连接，在反应室11的顶部设置了观察口5用于观察反应室11的内部情况。
采用该电极反应器处理污水时，先将待处理污水注入反应室11内，通过进水口1投加电解质和高锰酸钾，启动直流电源7，在设定的通电电流下处理预定时间，最后通过出水口2排出处理后的污水即可。
实施例1
采用上述结构的电极反应器处理含20μM双氯芬酸钠的污水，步骤如下：将待处理污水注入反应室中，再投加电解质使电解质浓度为0.05M，然后投加高锰酸盐使高锰酸盐浓度为20μM，启动直流电源，保持高锰酸盐浓度为20μM及通电电流为80mA，处理40min后，由出水口排出处理后的污水。
本实施例中，高锰酸盐为高锰酸钾，投加时，先用适量的水将高锰酸钾完全溶解，再通过进水口加入反应室内；电解质为硫酸钠和碳酸钾，且硫酸钠与碳酸钾的质量比为1:0.7；电极反应器阳极为钛镀铂电极，阴极为钛镀铂涂层电极。
记录本实施例待处理污水中双氯芬酸钠的浓度变化，并计算去除率，绘制时间——去除率曲线图，如图2所示，通过图2可知，本实施例中，双氯芬酸钠的去除率达90.15%。
实施例2
采用上述结构的电极反应器处理含20μM双氯芬酸钠的污水，步骤如下：将待处理污水注入反应室中，再投加电解质使电解质浓度为0.05M，然后投加高锰酸盐使高锰酸盐浓度为100μM，启动直流电源，保持高锰酸盐浓度为100μM及通电电流为200mA，处理30min后，由出水口排出处理后的污水。
本实施例中，高锰酸盐为高锰酸钠，投加时，先用适量的水将高锰酸钠完全溶解，再通过进水口加入反应室内；电解质为硫酸钠和碳酸钾，且硫酸钠与碳酸钾的质量比为1:0.7；电极反应器阳极为钛镀铂电极，阴极为钛镀铂涂层电极。
记录本实施例待处理污水中双氯芬酸钠的浓度变化，并计算去除率，绘制时间——去除率曲线图，如图3所示，通过图3可知，本实施例中，双氯芬酸钠的去除率达95.76%。
实施例3
采用上述结构的电极反应器处理含20μM双氯芬酸钠的污水，步骤如下：将待处理污水注入反应室中，再投加电解质使电解质浓度为0.05M，然后投加高锰酸盐使高锰酸盐浓度为100μM，启动直流电源，保持高锰酸盐浓度为100μM及通电电流为100mA，处理30min后，由出水口排出处理后的污水。
本实施例中，高锰酸盐为高锰酸钠，投加时，先用适量的水将高锰酸钠完全溶解，再通过进水口加入反应室内；电解质为硫酸钠；电极反应器阳极为钛镀铂电极，阴极为钛镀铂涂层电极。
记录本实施例待处理污水中双氯芬酸钠的浓度变化，并计算去除率，绘制时间——去除率曲线图，如图4所示，通过图4可知，本实施例中，双氯芬酸钠的去除率达92.81%。
实施例4
采用上述结构的电极反应器处理含40μM重铬酸钾的污水，步骤如下：将待处理污水注入反应室中，再投加电解质使电解质浓度为0.05M，然后投加高锰酸盐使高锰酸盐浓度为100μM，启动直流电源，保持高锰酸盐浓度为100μM及通电电流为100mA，处理30min后，由出水口排出处理后的污水。
本实施例中，高锰酸盐为高锰酸钠，投加时，先用适量的水将高锰酸钠完全溶解，再通过进水口加入反应室内；电解质为硫酸钠；电极反应器阳极为钛镀铂电极，阴极为钛镀铂涂层电极。
记录本实施例待处理污水中重铬酸钾的浓度变化，并计算去除率，绘制时间——去除率曲线图，如图5所示，通过图5可知，本实施例中，重铬酸钾的去除率达88.31%。
对比例1
采用上述结构的电极反应器处理含20μM双氯芬酸钠的污水，步骤如下：将待处理污水注入反应室中，再投加电解质使电解质浓度为0.05M，然后启动直流电源，保持高锰酸盐浓度为20μM及通电电流为80mA，处理30min后，由出水口排出处理后的污水。
本实施例中，不添加高锰酸盐，电解质为硫酸钠和碳酸钾，且硫酸钠与碳酸钾的质量比为1:0.7；电极反应器阳极为钛镀铂电极，阴极为钛镀铂涂层电极。
记录本实施例待处理污水中双氯芬酸钠浓度变化，并计算去除率，绘制时间——去除率曲线图，如图6所示，通过图6可知，本实施例中，双氯芬酸钠的去除率为3.01%。
对比例2
采用上述结构的电极反应器处理含20μM双氯芬酸钠的污水，步骤如下：将待处理污水注入反应室中，再投加电解质使电解质浓度为0.05M，然后投加高锰酸盐使高锰酸盐浓度为20μM，保持高锰酸盐浓度为20μM，处理30min后，由出水口排出处理后的污水。
本实施例中，高锰酸盐为高锰酸钾，投加时，先用适量的水将高锰酸钾完全溶解，再通过进水口加入反应室内；不启动直流电源，电解质为硫酸钠和碳酸钾，且硫酸钠与碳酸钾的质量比为1:0.7；电极反应器阳极为钛镀铂电极，阴极为钛镀铂涂层电极。
记录本实施例待处理污水中双氯芬酸钠浓度变化，并计算去除率，绘制时间——去除率曲线图，如图7所示，通过图7可知，本实施例中，双氯芬酸钠的去除率为81.32%。
对比例3
采用上述结构的电极反应器处理含40μM重铬酸钾的污水，步骤如下：将待处理污水注入反应室中，再投加电解质使电解质浓度为0.05M，然后投加高锰酸盐使高锰酸盐浓度为100μM，保持高锰酸盐浓度为100μM，处理30min后，由出水口排出处理后的污水。
本实施例中，高锰酸盐为高锰酸钠，投加时，先用适量的水将高锰酸钠完全溶解，再通过进水口加入反应室内；电解质为硫酸钠；电极反应器阳极为钛镀铂电极，阴极为钛镀铂涂层电极。
记录本实施例待处理污水中重铬酸钾浓度变化，并计算去除率，绘制时间——去除率曲线图，如图8所示，通过图8可知，本实施例中，重铬酸钾的去除率为2.39%。
通过以上实施例和对比例可知，本发明方法可有效降解污水中的有机污染物，其中对双氯芬酸钠的最大去除率达95.76%，对重铬酸钾的去除率达88.31%。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种电化学阴极激发高锰酸盐降解水中污染物的方法，其特征在于，步骤如下：将待处理污水注入电极反应器中，投加电解质使电解质浓度为0.05M，再投加高锰酸盐使高锰酸盐浓度为1~100μM，然后在高锰酸盐浓度为1~100μM及通电电流为50~200mA下进行处理，处理30~60min，即完成待处理污水中污染物的降解；在通电条件下，高锰酸盐得电子产生具有强氧化性的中间价态锰离子Mn（Ⅵ）、Mn（Ⅴ）、Mn（Ⅲ）及MnO2用于去除待处理污水中的污染物。
2.根据权利要求1所述的电化学阴极激发高锰酸盐降解水中污染物的方法，其特征在于，所述高锰酸盐为高锰酸钾和高锰酸钠中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的电化学阴极激发高锰酸盐降解水中污染物的方法，其特征在于，所述电解质为硫酸盐和碳酸盐中的至少一种，其中硫酸盐选自硫酸钠和硫酸钾中的至少一种，碳酸盐选自碳酸钠和碳酸钾中的至少一种。
4.根据权利要求3所述的电化学阴极激发高锰酸盐降解水中污染物的方法，其特征在于，所述电解质为硫酸钠和碳酸钾，其中硫酸钠和碳酸钾的质量比为1:0.7。
5.一种实现权利要求1~4任一项所述方法的装置，其特征在于，包括反应室、直流电源、阴极和阳极，所述阴极与所述直流电源的负极连接，所述阳极与所述直流电源的正极连接，在所述反应室的底部侧壁设有进水口，在所述反应室的顶部侧壁设有出水口，在所述反应室内设有溢流板，所述反应室至少分成两级，每级反应室之间通过所述溢流板分隔，所述阴极以镀层的形式镀在所述反应室的内壁和所述溢流板的板壁上，所述阳极分别从每级反应室的顶部插入反应室内。
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