CN107098442B - 一种螺旋卷绕式电化学水处理反应器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种螺旋卷绕式电化学水处理反应器，包括长筒形的且竖向设置的壳体，壳体内部为反应空间且壳体上设置有和反应空间相连的进水口和出水口，在壳体的反应空间内部设置有电催化氧化组件，电催化氧化组件将进水口到出水口之间的反应空间隔开，所述电催化氧化组件包括阳极电极层、阴阳极绝缘层、阴极电极层和支撑层复合螺旋卷绕设置而成，所述阳极电极层和阴极电极层均为网状结构，所述阴极电极层与阳极电极层距离处于二者之间能够产生电催化反应的有效距离范围内，本发明的反应器结构有利于节省空间，扩大反应面积，提高气液多相传质效率，实现对水中污染物的高效、长效及低耗处理。

Description

一种螺旋卷绕式电化学水处理反应器

技术领域

本发明涉及吸附技术和电催化氧化水处理领域，特别是涉及一种螺旋卷绕式电化学水处理反应器。

背景技术

近年来，随着经济的快速发展，我国水环境受到了严重的污染，其中难降解的持久性的有机物污染尤为严重。波及到的饮用水水源中微量有机污染物问题也日益突出。而我国传统的水处理工艺对水源微量有机污染物的去除效果很差。水处理技术中对微量有机物的去除应用较多的有活性炭吸附法，膜过滤法，其中活性炭吸附法主要以填充的活性炭颗粒填充吸附为主，膜过滤法优于活性炭吸附过滤法，但也存在着再生困难等问题。

活性炭是一种优良的吸附材料，具有较大的比表面积和发达的空隙结构，对原水中的有机物杂质很好的截留效果，且不会造成环境的二次污染，无论在技术方面还是应用方面都应用广泛。活性炭的再生方法主要有热再生法、化学再生法、电化学法等，热再生法效率较高，但是活性炭损失较大，一般在5%到10%，化学再生法常常会造成环境的二次污染，电化学法应用较多，但是一次再生活性炭量较少。发明专利CN102652916A公开了一种活性炭再生装置及工艺，在装置中设置有阴阳电极板，中部填充有活性炭颗粒，通过通入的臭氧和电化学法联合使用矿化活性炭吸附的有机物，实现活性炭的再生。但是该方法中的阴阳电极板只是起到了导通电流的作用，同时活性炭颗粒的填充方式会产生接触电阻，对电流的利用效率较低，影响了活性炭的再生效果，同时填充大量的活性炭颗粒会造成装置体积过大，不利于推广，同时活性炭使用后的可替换性不好，易造成活性炭的浪费。发明专利CN103318990A公开了使用阴极催化臭氧和阴极活化过硫酸盐处理有机污染废水的方法，该方法将活性炭颗粒作为阴极，电化学催化臭氧联用去除有机杂质效果较好但是仍然是活性炭颗粒为主，同样存在上述问题。

膜技术是近年来发展起来的一种高分离、浓缩、提纯及净化的技术，因其无相变化、能耗低等优点被广泛的用在水污染控制等领域，相比活性炭颗粒而言更为稳定且具有良好的可替换性和应用性。然而在膜处理过程中，由于膜的长时间运行，水源中有机污染物会吸附或沉积在膜表面或膜孔内，同样会导致吸附效果的下降。发明专利CN101597096A公开了一种电催化膜反应处理装置，该装置将阳极作为催化膜和过滤膜的统一体，稳定性较好，且体积较小，但存在能耗较大，反应效率较低的缺陷。实用新型专利CN 205856075U公开了一种用于水处理的电催化膜反应器，将阴极作为催化膜和氧化再生膜，能提高膜清洗效率和水处理效率，但是，这类电催化膜反应器装置依靠膜的筛分，需要一定的过膜压差，反冲洗时间频繁，相对能耗较大。发明专利CN101143271A公开了一种卷式电极反应装置，通过将电极卷绕减小装置的体积，同时获得了较好的接触面积，但是该装置主要依靠电场力对带电的无机或有机粒子进行去除，为物理作用，对溶液中有机物无法降解，吸附饱和后需要将吸附层取出进行再生处理，无法实现吸附层的原位再生或对吸附有机物的同步降解。

因此，如何提供一种有利于气液（固）多相混合，反应更为充分高效，吸附和氧化能力强，能够对水中有机污染物进行深入矿化，同时实现原水净化和吸附材料再生的水处理装置，成为本领域需要解决的难题。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明所要解决的技术问题是：如何提供一种有利于气液固三相混合，反应更为充分高效，吸附和氧化能力强，能够对水中有机污染物进行深入矿化，同时实现原水净化和吸附材料再生的电化学水处理反应器。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

一种螺旋卷绕式电化学水处理反应器，包括长筒形的且竖向设置的壳体，壳体内部为反应空间且壳体上设置有和反应空间相连的进水口和出水口，在壳体的反应空间内部设置有电催化氧化组件，电催化氧化组件将进水口到出水口之间的反应空间隔开，其特点在于，所述电催化氧化组件包括螺旋卷绕设置的阳极电极层以及与阳极电极层间隔设置并螺旋卷绕设置于阳极电极层外侧的阴极电极层，所述阳极电极层和阴极电极层均为网状结构，所述阴极电极层与阳极电极层距离处于二者之前能够产生电催化氧化反应的有效距离范围内，阴极电极层连接有至壳体外的导线用于和直流电源的负极相连，阳极电极层连接有至壳体外的导线用于和直流电源的正极相连，在壳体上还设置有能够连通到阴极电极层的填料口。

本技术方案中，将吸附技术与电催化氧化技术相结合，通过电催化氧化技术产生强氧化性物质去除阴极吸附氧化层吸附的有机物，对污染水源进行处理的同时，吸附氧化层得到原位再生，保证了吸附氧化层的吸附能力，大大提高了装置的功能性，且电催化氧化过程中，阴极层受电子保护作用，其原位再生不会破坏阴极碳吸附氧化材料的结构和表面官能团，不仅省去了饱和吸附层的单独再生环节，比物理再生方法更高效，避免了化学再生法带来的二次污染和吸附层受损，本装置阴极吸附氧化层的使用寿命也远大于异位再生的情况，投入成本低又保证了装置多次持续去除效果和使用寿命。不同于发明专利CN101143271A的电吸附装置，仅对带电的无机或有机污染物进行去除，本水处理反应器在使用时，可以通过填料口或进气口添加气态、液态或固态的氧化剂，通过电催化氧化产生强氧化性的自由基，对污染物进行吸附氧化和吸附氧化层的再生。不仅对带电的无机或有机污染物去除，也可降解不带电的绝大多数的有机污染物，如锈去津、MTBE等常规氧化方法难以氧化降解的有机物。同时，在水处理过程中，利用电催化可对水中部分污染物进行处理。采用阳极电极层和阴极电极层外螺旋卷绕式电极，大大增大了电极与原水之间的接触面积，过滤和吸附强度增加，去除力大大增加，水通量增大；其次，将阳极电极层和阴阳极绝缘层紧密螺旋卷绕于芯轴外部，占用空间相对减少，电极与溶液之间的有效接触面积增大，而且对有机污染物的去除效率可高达99%以上。

作为优化，在位于电催化氧化组件竖向的上端和下端之间的壳体的内壁上设置有至少一道沿壳体的轴线方向呈螺旋状盘旋布置的螺旋凹槽。

这样，采用在壳体内壁上设置螺旋凹槽，可以使相邻流线之间产生一定的速度梯度有利于有机物分子和气体的扩散和传质，螺旋流产生的剪切力也降低了液膜的厚度，有利于气液混合，水利条件更优，反应更为充分高效。

作为优化，进水口位于壳体的上端，出水口位于壳体的下端，在位于进水口和出水口之间的壳体的内腔中还具有水平设置的且竖向间隔布置在壳体上端的原水布水板和下端的气态氧化剂布气板，上端的原水布水板和下端的氧化剂布气板上都均匀的设置有多个孔，在布气板的中心连接有竖向延伸至出水口外部的且与反应空间导通的短管，使得进水能够经过上端的布水板后再螺旋向内经过电催化氧化组件后再经电催化氧化组件下端的布气板，进水经下端的布气板后再由短管排出。

这样，将进水口设置于壳体上端，更有利于原水进入，将出水口设置于壳体下端有利于处理后的原水排出；原水从上端的进水口进入，经上端的布水板将原水均匀的分布于反应空间内部，使得各个部位过滤原水的量均衡，能够提高对原水的过滤效率，反应更加高效。芯轴下端布气板中心设有较大的圆形通孔，经过反应空间内的电催化氧化组件吸附氧化后的原水再经芯轴下端布气板中心通孔的内接短管由壳体下端的出水口流出，该通孔对吸附氧化后的原水具有导向的作用，可使得处理后的原水均匀的从反应空间流出，在提高除出水效率的同时还能提高原水与反应空间内的电催化氧化组件的过滤面积，提高水处理过滤的能力和效率。

作为优化，所述电催化氧化组件包括阳极电极层、阴极电极层、绝缘层和支撑层，阴极电极层和阳极电极层之间设置有绝缘透水材料制得的绝缘层，所述绝缘层呈螺旋卷绕设置并分布于阴极电极层和阳极电极层之间的螺旋通道内，所述支撑层设置于阴极电极层外侧并沿阴极电极层的外轮廓线呈螺旋卷绕设置，所述绝缘层和支撑层均为三维网状或海绵状结构。

这样，阴极电极层为吸附氧化层，本装置以吸附氧化和再生为主，相比现有的专利CN101597096A和CN 205856075U电催化膜装置的过膜组件，本发明水处理时需要的压差较低，在较低能耗下即可达到很好的水处理效果。在阴极电极层和阳极电极层之间设置有绝缘层，可以更好的保证阴极电极层和阳极电极层之间不会接触短路，保证电催化反应的顺畅进行；阴阳极同时螺旋卷绕，可以保证阴极电极层与阳极电极层之间的距离保持不变；设置有支撑层，可以使得阳极电极层、阴阳极绝缘层和阴极电极层保持呈螺旋卷绕的形状，保证其与原水具有固定的接触面积，保证整个反应器具有较好的稳定性。其次，还可使得整个电催化氧化组件的结构更加紧凑，节约空间。

作为优化，在壳体的中心位置沿壳体的轴线方向设置有绝缘透水材料制得的空心芯轴，在芯轴的外部设置有由阳极电极层、绝缘层、阴极电极层和支撑层四者共同复合并螺旋卷绕设置所构成的电催化氧化组件，在电催化氧化组件的外部还套设有圆筒形的固定层，固定层为网状结构。

这样，将阳极电极层、绝缘层、阴极电极层和支撑层复合卷绕固定于壳体中心位置的芯轴上，卷绕层的外部套设有固定层，可使阴极电极层与阳极电极层之间的距离保持不变，电催化氧化组件上各个部件在反应空间内的位置更加的稳定，使得整个反应器的吸附过滤效果更加稳定，具有更强的抗破坏性。

作为优化，上端的布水板上的过水孔位于固定层上端部对应区域的外部的位置，下端气态氧化剂布气板上的过气孔位于支撑层和绝缘层下端部对应区域内的位置。

这样，原水经过上端的布水板均匀进入反应空间内的螺旋卷绕电极层的外部，通过凹槽螺旋流向从支撑层经阴极电极层水平向阳极电极层流动，使得原水经过多层螺旋卷绕电极层过滤，同时具有更长的反应距离，方便电催化反应能够提高整个装置的过滤效率。在经过处理后的原水从芯轴下端布气板中心内接短管经出水口流出，能够将处理后的原水集中排出反应空间，下端布气板上的孔具有引流的作用，能够使处理后的原水均匀的排出，不会形成原水堆积，使得处理后的原水更加顺畅的排出。

作为优化，所述绝缘层为聚四氟乙烯材料、氧化铝材料、氧化锆材料或氧化钛及其复合材料制得的具有绝缘和透液功能的三维网状材料，所述支撑层为绝缘透液材料制成的三维网状或海绵状膜层，且绝缘层和支撑层均有可透气通孔，绝缘层和支撑层均为聚四氟乙烯等抗氧化材质。

这样，绝缘层采用上述材料具有更好的绝缘效果和透液效果。膜支撑层为绝缘透液材料制成的三维网状或海绵状层有利于阴极电极层与阳极电极层之间发生电催化反应，使得电催化效果更好，对原水的过滤效果更好。

作为优化，阴极电极层为石墨材料、活性炭材料、碳纤维材料、碳纳米材料、石墨烯材料、炭气凝胶材料或金属材料制得的具有阴极电极属性的吸附氧化层，其孔径为0.001μm至50mm。

这样，上述材料可以形成更好的阴极效果和吸附氧化效果。

作为优化，所述阳极电极层为石墨材料、金属材料或金属复合材料制得的具有阳极电极属性的导电层，所述阳极导电层厚度为5mm-10mm，绝缘层厚度为5mm-100mm，阴极电极层的厚度为5mm-100mm，支撑层厚度为5mm-100mm。

作为优化，填料口和进水口均位于布水板以上的壳体上端位置，在壳体的上端还设置有排气口，在壳体的下端设置有气态氧化剂的进气口。

这样，方便添加氧化剂，方便气体排出和输入，使得反应器内部的压强保持恒定。填料口和进水口在布水板以上，布水板布水前，填料和原水可以达到充分混合。进气口在壳体下端，气泡上浮，可在反应器装置中产生多个内部环流，提高气液固三相的传质效率。

相比现有技术，本发明具有如下优点：

1、本发明采用在壳体内壁上设置螺旋凹槽，可以使相邻流线之间产生一定的速度梯度有利于有机物分子和气体的扩散和传质，螺旋流产生的剪切力也降低了液膜的厚度，有利于气液两相或气液固三相混合，水利条件更优，反应更为充分高效。

2、采用阳极电极层、阴阳绝缘层、阴极电极层和支撑层复合多层外螺旋卷绕式电极，大大增大了电极与原水之间的接触面积，过滤和吸附强度增加，去除力大大增加，水通量增大。

3、螺旋卷绕式电化学水处理反应器壳体下端进气，气泡上浮，可在反应器装置中产生多个内部环流，提高气液（固）多相的传质效率。

4、螺旋卷绕式电催化氧化组件中的绝缘层和支撑层除了隔绝阴极阳极电极层和支撑作用外，同时还作为下端进气时的气体扩散层，对通入的气泡进行切割和扩散，增大了气液两相或气液固三相接触面积，提高了两相或三相的传质效率，同时减少了反应器内部的短流和死水区。

5、阴极电极层采用了碳材料的吸附氧化层取代活性炭颗粒，导电更为均匀，反应器装置在水处理时需要的电压较低，能耗低，稳定性和替换性较好，同时没有活性炭颗粒的流失，省去了再过滤过程。

6、本发明占用空间相对减少，电极与溶液之间的有效接触面积增大，而且对有机污染物的去除效率可高达99%以上。

7、本发明反应器对水中的多种污染物具有优异的吸附和催化氧化降解能力，并能够将水中微量难降解有机污染物从水中先吸附分离，再逐步氧化降解为二氧化碳和水，从而提高了对水中污染物的去除效能，吸附层在水处理过程中可以通过电化学催化氧化作用实现原位再生，并因为阴极自由电子的注入保持其吸附、催化活性及结构稳定，相对于普通吸附型滤芯，该电化学水处理反应器在较长时间内可以实现重复使用而不用更换吸附材料，从而实现对水中污染物的高效、长效及低耗处理。

8、根据进水水质要求，可灵活设置阳极电极层、绝缘层和阴极电极层螺旋卷绕的圈数，一般3~10000层，该电化学水处理反应器可做成滤罐，用于水厂水源的处理。

附图说明

图1为本实施例中反应器的纵剖图。

图2为本实施例中反应器的纵向截面图。

图3为本实施例中反应器内部的气液混合示意图。

图4为本实施例中布水板的俯视图。

图5为本实施例中布气板的俯视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

具体实施时：如图1至图5所示，一种螺旋卷绕式电化学水处理反应器，包括长筒形的且竖向设置的壳体1，壳体1内部为反应空间且壳体1上设置有和反应空间相连的进水口2和出水口3，在壳体1的反应空间内部设置有电催化氧化组件，电催化氧化组件将进水口2到出水口3之间的反应空间隔开，所述电催化氧化组件包括螺旋卷绕设置的阳极电极层11以及与阳极电极层11间隔设置并螺旋卷绕设置于阳极电极层11外侧的阴极电极层13，所述阳极电极层11和阴极电极层13均为网状结构，所述阴极电极层13与阳极电极层11距离处于二者之前能够产生电催化氧化反应的有效距离范围内，阴极电极层13连接有至壳体外的导线用于和直流电源16的负极相连，阳极电极层11连接有至壳体外的导线用于和直流电源16的正极相连，在壳体1上还设置有能够连通到阴极电极层13的填料口6。

本技术方案中，将吸附技术与电催化氧化技术相结合，通过电催化氧化技术产生强氧化性物质去除阴极吸附氧化层吸附的有机物，对污染水源进行处理的同时，吸附氧化层得到原位再生，保证了吸附氧化层的吸附能力，大大提高了装置的功能性，且电催化氧化过程中，阴极层受电子保护作用，其原位再生不会破坏阴极碳吸附氧化材料的结构和表面官能团，不仅省去了饱和吸附层的单独再生环节，比物理再生方法更高效，避免了化学再生法带来的二次污染和吸附层受损，本装置阴极吸附氧化层的使用寿命也远大于异位再生的情况，投入成本低又保证了装置多次持续去除效果和使用寿命。不同于发明专利CN101143271A的电吸附装置，仅对带电的无机或有机污染物进行去除，本水处理反应器在使用时，可以通过填料口或进气口添加气态、液态或固态的氧化剂，通过电催化氧化产生强氧化性的自由基，对污染物进行吸附氧化和吸附氧化层的再生。不仅对带电的无机或有机污染物去除，也可降解不带电的绝大多数的有机污染物，如锈去津、MTBE等常规氧化方法难以氧化降解的有机物。同时，在水处理过程中，利用电催化可对水中部分污染物进行处理。采用阳极电极层和阴极电极层外螺旋卷绕式电极，大大增大了电极与原水之间的接触面积，过滤和吸附强度增加，去除力大大增加，水通量增大；其次，将阳极电极层和阴阳极绝缘层紧密螺旋卷绕于芯轴外部，占用空间相对减少，电极与溶液之间的有效接触面积增大，而且对有机污染物的去除效率可高达99%以上。

本具体实施方案中，在位于电催化氧化组件竖向的上端和下端之间的壳体1的内壁上设置有至少一道沿壳体1的轴线方向呈螺旋状盘旋布置的螺旋凹槽17。这样，采用在壳体内壁上设置螺旋凹槽，可以使相邻流线之间产生一定的速度梯度有利于有机物分子和气体的扩散和传质，螺旋流产生的剪切力也降低了液膜的厚度，有利于气液混合，水利条件更优，反应更为充分高效。当然具体实施时，可在位于电催化氧化组件竖向的上端和下端之间的壳体的内壁上设置有至少一道沿壳体的轴线方向呈螺旋状盘旋布置的螺旋凸起，同样属于本装置可实施的范围。

本具体实施方案中，进水口2位于壳体1的上端，出水口3位于壳体1的下端，在位于进水口2和出水口3之间的壳体1的内腔中还具有水平设置的且竖向间隔布置在壳体1上端的原水布水板7和下端气态氧化剂的布气板8，上端的原水布水板7和下端的氧化剂布气板8上都均匀的设置有多个孔，使得进水能够经过上端的布水板7后再螺旋向内经过电催化氧化组件后再经电催化氧化组件下端的布气板8，进水经下端的布气板8后再由短管9排出。这样，将进水口设置于壳体上端，更有利于原水进入，将出水口设置于壳体下端有利于处理后的原水排出；原水从上端的进水口进入，经上端的布水板将原水均匀的分布于反应空间内部，使得各个部位过滤原水的量均衡，能够提高对原水的过滤效率，反应更加高效。芯轴下端布气板中心设有较大的圆形通孔，经过反应空间内的电催化氧化组件吸附氧化后的原水再经芯轴下端布气板中心通孔的内接短管由壳体下端的出水口流出，该通孔对吸附氧化后的原水具有导向的作用，可使得处理后的原水均匀的从反应空间流出，在提高除出水效率的同时还能提高原水与反应空间内的电催化氧化组件的过滤面积，提高水处理过滤的能力和效率。

本具体实施方案中，所述电催化氧化组件包括阳极电极层11、阴极电极层13、绝缘层12和支撑层14，阴极电极层13和阳极电极层11之间设置有绝缘透水材料制得的绝缘层12，所述绝缘层12呈螺旋卷绕设置并分布于阴极电极层13和阳极电极层11之间的螺旋通道内，所述支撑层14设置于阴极电极层13外侧并沿阴极电极层13的外轮廓线呈螺旋卷绕设置，所述绝缘层12和支撑层14均为三维网状或海绵状结构。

这样，阴极电极层为吸附氧化层，本装置以吸附氧化和再生为主，相比现有的专利CN101597096A和CN 205856075U电催化膜装置的过膜组件，本发明水处理时需要的压差较低，在较低能耗下即可达到很好的水处理效果。在阴极电极层和阳极电极层之间设置有绝缘层，可以更好的保证阴极电极层和阳极电极层之间不会接触短路，保证电催化反应的顺畅进行；阴阳极同时螺旋卷绕，可以保证阴极电极层与阳极电极层之间的距离保持不变；设置有支撑层，可以使得阳极电极层、阴阳极绝缘层和阴极电极层保持呈螺旋卷绕的形状，保证其与原水具有固定的接触面积，保证整个反应器具有较好的稳定性。其次，还可使得整个电催化氧化组件的结构更加紧凑，节约空间。

本具体实施方案中，在壳体1的中心位置沿壳体1的轴线方向设置有绝缘透水材料制得的空心芯轴10，在芯轴10的外部设置有由阳极电极层11、绝缘层12、阴极电极层13和支撑层14四者共同复合并螺旋卷绕设置所构成的电催化氧化组件，在电催化氧化组件的外部还套设有圆筒形的固定层15，固定层15为网状结构。这样，将阳极电极层、绝缘层、阴极电极层和支撑层复合卷绕固定于壳体中心位置的芯轴上，卷绕层的外部套设有固定层，可使阴极电极层与阳极电极层之间的距离保持不变，电催化氧化组件上各个部件在反应空间内的位置更加的稳定，使得整个反应器的吸附过滤效果更加稳定，具有更强的抗破坏性。

本具体实施方案中，如图4和图5所示，上端的布水板7上的过水孔位于固定层上端部对应区域的外部的位置，下端气态氧化剂布气板8上的过气孔位于支撑层14和绝缘层12下端部对应区域内的位置。这样，原水经过上端的布水板均匀进入反应空间内的螺旋卷绕电极层的外部，通过凹槽螺旋流向从支撑层经阴极电极层水平向阳极电极层流动，使得原水经过多层螺旋卷绕电极层过滤，同时具有更长的反应距离，方便电催化反应能够提高整个装置的过滤效率。在经过处理后的原水从芯轴下端布气板中心内接短管经出水口流出，能够将处理后的原水集中排出反应空间，下端布气板上的孔具有引流的作用，能够使处理后的原水均匀的排出，不会形成原水堆积，使得处理后的原水更加顺畅的排出。

本具体实施方案中，所述绝缘层12为聚四氟乙烯材料、氧化铝材料、氧化锆材料或氧化钛及其复合材料制得的具有绝缘和透液功能的三维网状材料，所述支撑层14为绝缘透液材料制成的三维网状或海绵状膜层，且绝缘层12和支撑层14均有可透气通孔，绝缘层12和支撑层14均为聚四氟乙烯等抗氧化材质。这样，绝缘层采用上述材料具有更好的绝缘效果和透液效果。膜支撑层为绝缘透液材料制成的三维网状或海绵状层有利于阴极电极层与阳极电极层之间发生电催化反应，使得电催化效果更好，对原水的过滤效果更好。

本具体实施方案中，阴极电极层13为石墨材料、活性炭材料、碳纤维材料、碳纳米材料、石墨烯材料、炭气凝胶材料或金属材料制得的具有阴极电极属性的吸附氧化层，其孔径为0.001μm至50mm。这样，上述材料可以形成更好的阴极效果和吸附氧化效果。其中所述的石墨电极为石墨丝电极、石墨毡电极、石墨海绵电极、石墨粒电极或多孔石墨电极；所述的碳纤维电极为碳纤维丝电极、碳纤维毡电极、碳纤维布电极、碳纤维纸电极或碳纤维海绵电极；其中所述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、锑，所述的金属氧化物中金属为铂、钛、铜、镍、锌、铁、锰、铅、锡、钨、锑，所述的金属氢氧化物中金属为铂、钛、铜、镍、锌、铁、锰、铅、锡、钨、锑。

本具体实施方案中，所述阳极电极层11为石墨材料、金属材料或金属复合材料制得的具有阳极电极属性的导电层，所述阳极导电层11厚度为5mm-10mm，绝缘层12厚度为5mm-100mm，阴极电极层13的厚度为5mm-100mm，支撑层14厚度为5mm-100mm。

本具体实施方案中，填料口6和进水口2均位于布水板以上的壳体上端位置，在壳体1的上端还设置有排气口5，在壳体1的下端设置有气态氧化剂的进气口4。这样，方便添加氧化剂，方便气体排出和输入，使得反应器内部的压强保持恒定。填料口和进水口在布水板以上，布水板布水前，填料和原水可以达到充分混合。进气口在壳体下端，气泡上浮，可在反应器装置中产生多个内部环流，提高气液固三相的传质效率。

在具体实施时可根据进水水质和处理水量要求，灵活设置反应器大小及电催化氧化组件阳极电极层11、绝缘层12、阴极电极层13和支撑层14螺旋卷绕的层数，一般为3~10000层，该电化学水处理反应器可做成滤罐，用于不同规模的饮用水深度处理或难降解工业废水的处理。

本具体实施方案中，螺旋卷绕式电催化氧化组件中的绝缘层12和支撑层14除了隔绝阴极阳极电极层和支撑作用外，同时还作为通入反应器气态氧化剂（臭氧、氧气等）的氧化剂扩散层，起到气态氧化剂扩散和气泡切割的作用。这样，进气口在壳体下端，下端布气板上的过气孔位于绝缘层和支撑层下部对应区域的位置，电化学水处理反应器下部通入气体（如臭氧、氧气）时，气体经过布气板的过气孔向上到达绝缘层和支撑层，此时，三维网状或海绵状的绝缘透液材质的绝缘层和支撑层可作为气体扩散层，气体扩散同时绝缘层和支撑层结构将气泡切割，切割为若干小气泡，使经由布水板螺旋流向的原水流过电化学水处理反应器内部螺旋卷绕电极层时形成的若干环流，与膜支撑层切割的若干小气泡实现气液两相或气液固三相充分接触，提高两相或三相的传质效率，减小反应器内部的短流，同时也助于减少反应器内部死水区的存在，使反应能够快速高效的进行。

本具体实施方案中，螺旋卷绕电极组件中的支撑层14比阳极电极层11、阴阳绝缘层12和阴极电极层13厚度大。这样，支撑层厚度增加，电化学水处理反应器在通气时，作为气体扩散层，气体扩散量增加，气液两相或气液固三相的接触面积增大。

本具体实施方案中，所述阳极电极层11为石墨材料、金属材料或金属复合材料制得的具有阳极电极属性的导电层。

这样，上述材料可以形成更好的阳极效果。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；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、网状、棒状或板状电极；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、钨或锑，所述的金属氧化物中金属为铂、钛、铜、镍、锌、铁、锰、铅、锡、钨或锑，所述的金属氢氧化物中金属为铂、钛、铜、镍、锌、铁、锰、铅、锡、钨或锑，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。

本发明的反应器结构有利于节省空间，扩大反应面积，提高气液（固）多相传质效率，对水中的多种污染物具有优异的吸附和催化氧化降解能力，并能够将水中微量难降解有机污染物从水中先吸附分离，再逐步氧化降解为二氧化碳和水，从而提高了对水中污染物的去除效能，吸附层在水处理过程中可以通过电化学催化氧化作用实现原位再生，并因为阴极自由电子的注入保持其吸附、催化活性及结构稳定，相对于普通吸附型滤芯，该电化学水处理反应器在较长时间内可以实现重复使用而不用更换吸附材料，从而实现对水中污染物的高效、长效及低耗处理。

Claims (9)

1.一种螺旋卷绕式电化学水处理反应器，包括长筒形的且竖向设置的壳体（1），壳体（1）内部为反应空间且壳体（1）上设置有和反应空间相连的进水口（2）和出水口（3），在壳体（1）的反应空间内部设置有电催化氧化组件，电催化氧化组件将进水口（2）到出水口（3）之间的反应空间隔开，其特征在于，所述电催化氧化组件包括螺旋卷绕设置的阳极电极层（11）以及与阳极电极层（11）间隔设置并螺旋卷绕设置于阳极电极层（11）外侧的阴极电极层（13），所述阳极电极层（11）和阴极电极层（13）均为网状结构，所述阴极电极层（13）与阳极电极层（11）距离处于二者之前能够产生电催化氧化反应的有效距离范围内，阴极电极层（13）连接有至壳体外的导线用于和直流电源（16）的负极相连，阳极电极层（11）连接有至壳体外的导线用于和直流电源（16）的正极相连，在壳体（1）上还设置有能够连通到阴极电极层（13）的填料口（6），所述阴极电极层（13）采用碳吸附氧化材料制成，便于吸附污水中的有机物，所述填料口（6）用于添加氧化剂，便于在通电条件下产生强氧化性物质去除阴极电极层（13）吸附的有机物，并避免对阴极电极层（13）碳吸附氧化材料的结构和表面官能团造成破坏，实现阴极电极层（13）的原位再生；

在位于电催化氧化组件竖向的上端和下端之间的壳体（1）的内壁上设置有至少一道沿壳体（1）的轴线方向呈螺旋状盘旋布置的螺旋凹槽（17）或螺旋凸起。

2.如权利要求1所述一种螺旋卷绕式电化学水处理反应器，其特征在于，进水口（2）位于壳体（1）的上端，出水口（3）位于壳体（1）的下端，在位于进水口（2）和出水口（3）之间的壳体（1）的内腔中还具有水平设置的且竖向间隔布置在壳体（1）上端的原水布水板（7）和下端的气态氧化剂布气板（8），上端的原水布水板（7）和下端的氧化剂布气板（8）上都均匀的设置有多个孔，在布气板（8）的中心连接有竖向延伸至出水口（3）外部的且与反应空间导通的短管（9），使得进水能够经过上端的布水板（7）后再螺旋向内经过电催化氧化组件后再经电催化氧化组件下端的布气板（8），进水经下端的布气板（8）后再由短管（9）排出。

3.如权利要求2所述一种螺旋卷绕式电化学水处理反应器，其特征在于，所述电催化氧化组件包括阳极电极层（11）、阴极电极层（13）、绝缘层（12）和支撑层（14），阴极电极层（13）和阳极电极层（11）之间设置有绝缘透水材料制得的绝缘层（12），所述绝缘层（12）呈螺旋卷绕设置并分布于阴极电极层（13）和阳极电极层（11）之间的螺旋通道内，所述支撑层（14）设置于阴极电极层（13）外侧并沿阴极电极层（13）的外轮廓线呈螺旋卷绕设置，所述绝缘层（12）和支撑层（14）均为三维网状或海绵状结构。

4.如权利要求3所述一种螺旋卷绕式电化学水处理反应器，其特征在于，在壳体（1）的中心位置沿壳体（1）的轴线方向设置有绝缘透水材料制得的空心芯轴（10），在芯轴（10）的外部设置有由阳极电极层（11）、绝缘层（12）、阴极电极层（13）和支撑层（14）四者共同复合并螺旋卷绕设置所构成的电催化氧化组件，在电催化氧化组件的外部还套设有圆筒形的固定层（15），固定层（15）为网状结构。

5.如权利要求4所述一种螺旋卷绕式电化学水处理反应器，其特征在于，上端的布水板（7）上的过水孔位于固定层（15）上端部对应区域的外部的位置，下端气态氧化剂布气板（8）上的过气孔位于支撑层（14）和绝缘层（12）下端部对应区域内的位置。

6.如权利要求3所述一种螺旋卷绕式电化学水处理反应器，其特征在于，所述绝缘层（12）为聚四氟乙烯材料、氧化铝材料、氧化锆材料或氧化钛及其复合材料制得的具有绝缘和透液功能的三维网状材料，所述支撑层（14）为绝缘透液材料制成的三维网状或海绵状膜层，且绝缘层（12）和支撑层（14）均有可透气通孔。

7.如权利要求3所述一种螺旋卷绕式电化学水处理反应器，其特征在于，阴极电极层（13）为石墨材料、活性炭材料、碳纤维材料、碳纳米材料、石墨烯材料、炭气凝胶材料，其过滤孔径为0.001μm至50 mm。

8.如权利要求3所述一种螺旋卷绕式电化学水处理反应器，其特征在于，所述阳极电极层（11）为石墨材料、金属材料或金属复合材料制得的具有阳极电极属性的导电层，所述阳极电极层（11）厚度为5mm-10mm，绝缘层（12）厚度为5mm-100mm，阴极电极层（13）的厚度为5mm-100mm，支撑层（14）厚度为5mm-100mm。

9.如权利要求2所述一种螺旋卷绕式电化学水处理反应器，其特征在于，填料口（6）和进水口（2）均位于布水板以上的壳体（1）上端位置，在壳体（1）的上端还设置有排气口（5），在壳体（1）的下端设置有气态氧化剂的进气口（4）。

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