CN107200394B - 一种电催化臭氧高级氧化膜反应器废水处理装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种电催化臭氧高级氧化膜反应器废水处理装置及方法，属于污水处理领域，包括可调式直流稳压电源、连接导线、负载有导电层的疏水膜(导电疏水膜)、辅助电极、料液槽、蠕动泵、臭氧发生器、气体流量计等部分，该方法可以高效地处理如染料、石化、制药等行业难降解有机废水，以及污水厂出水中的微量有机物，可以将臭氧发生器中的氧气加以利用，节省能源，并提高臭氧传质和氧化速率。
Description
技术领域
本发明涉及电化学、膜技术和臭氧高级氧化技术，具体地说是设计一种电催化臭氧高级 氧化膜反应器装置，将膜技术、电化学技术和臭氧高级氧化技术耦合用于有机废水处理，以提高臭氧在污水处理中的传质与高级氧化效率，属于污水处理领域。
背景技术
我国水资源短缺问题严重，分布不均匀，并且水污染问题严重，水处理技术在解决水污染问题方面发挥着重大的作用。在这些技术中，臭氧水处理技术在很多方面有着明显的优势。臭氧具有良好的氧化、消毒、脱色等能力，在饮用水处理中可作为消毒剂和氧化剂；在废水处理中，可应用于工业废水等难降解废水的处理。
然而，臭氧水处理技术在应用中也有一些不足：选择性氧化，中间产物多，矿化效率不足，还会产生溴酸盐副产物。基于臭氧的高级氧化技术可以很好的解决臭氧在水处理应用中的一些弊端。有学者发现臭氧-过氧化氢高级氧化技术在反应过程中产生·OH，大大提高氧化效率和效果，对难降解有机物等有很好的处理效果。
在实际应用中，臭氧发生器多以瓶装或制氧机供氧，在电场作用下将氧气转化为臭氧。 事实上，臭氧发生器产生的气体中，臭氧只占很少一部分，氧气含量为84％-92％。一方面， 这些氧气未被利用，造成了资源的浪费。另一方面臭氧与废水的接触方式导致了臭氧传质效率不高，再一次造成了资源的浪费。传统的臭氧接触方式大多为填料塔、喷雾塔、鼓泡塔等， 不但传质效率不够高，而且容易出现液泛、乳液、泡沫、气雾夹带等问题。
基于导电疏水膜的电催化臭氧氧化膜反应器可以很好地解决以上问题。以电解方式将臭氧发生器产生的混合气体中的氧气电解得到过氧化氢，随后过氧化氢与臭氧作用产生·OH可用于难生化有机物的降解。与此同时，以疏水膜作为氧气和臭氧的分布器。疏水膜为氧气和臭氧的传质提供了丰富的表面积，在无泡曝气方式下，可实现快速、低能耗的氧气和臭氧传质。利用电催化臭氧氧化膜反应器可以缩小反应器体积，提高氧气和臭氧的传质速率和利用率以 及氧化效率，降低传质能耗和资源浪费等多重效果。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的不足，利用电催化臭氧氧化膜反应器同时实现臭氧与废水的高效混合和臭氧-过氧化氢高级氧化反应。利用此方法可以极大的提高臭氧传质效率，有效地降解废水中难生化有机物，并将混合气体中氧气加以利用，提高资源利用率。
本发明电催化臭氧氧化膜反应器废水处理装置，其特征在于以导电疏水膜作为氧气和臭氧混合气体的分布器，同时作为电解槽的阴极，氧气在阴极反应生成过氧化氢，过氧化氢与臭氧作用产生·OH，从而使许多难以降解的有机污染物分解为CO2或其他简单化合物。该反应器将膜技术、电解、臭氧高级氧化技术相耦合，提高废水中有机物的降解效率和资源利用率。
本发明的是通过下述方式实现的：一种电催化臭氧高级氧化膜反应器废水处理装置，包括可调式直流稳压电源、连接导线、辅助电极、导电疏水膜或其膜组件、阀门、料液槽、压力表、耐臭氧流量计、耐氧化气流管道、臭氧发生器、氧气瓶部分，辅助电极和稳压电源电连接，导电疏水膜或其膜组件的导电层通过连接导线和稳压电源电连接，一端与臭氧发生器通过耐氧化气流管道相连接，压力表和耐臭氧流量计通过耐氧化气流管道连接在导电疏水膜或其膜组件和臭氧发生器之间，辅助电极和导电疏水膜或其膜组件浸没于料液槽内，导电疏水膜或其膜组件另一端和管道连接，管道上具有阀门，臭氧发生器和氧气瓶相连接，所述膜组件由中空纤维导电疏水膜和金属电极组成，其中金属电极、导电疏水膜分别与直流稳压电源正、负极相连，所述中空纤维导电疏水膜为复合膜，由一层疏水有机微孔膜和导电层构成，有机微孔膜有较好的疏水性和耐氧化性。
所述的膜组件为浸没式结构，由臭氧发生器产生的氧气、臭氧混合气体通入膜组件，导电疏水膜作为曝气装置；同时，导电疏水膜作为阴极，辅助电极作为阳极，料液作为电解液，构成电解装置。
氧气、臭氧的混合气体与导电疏水膜的疏水层侧接触，透过膜孔扩散至导电层并与料液接触，其中氧气在作为阴极的导电层处被还原得到H2O2，所得H2O2与O3反应生成·OH，氧化降解污水中有机物。
控制膜组件气相侧压力小于泡点压力与液相侧压力之和，氧气、臭氧混合气体以无泡方式通过导电疏水膜进行传质，与另一侧的废水中有机物在电催化功能层表面进行电催化臭氧氧化反应。
所述的可调式直流稳压电源的电压调节范围在0-30V，电流在0-5A。
所述的疏水有机微孔膜材料为聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚(偏氟乙烯-共聚-六氟丙烯)、 聚(偏氟乙烯-共聚-四氟乙烯)、聚(偏氟乙烯-共聚-三氟乙烯)、聚(偏氟乙烯-共聚-氯 三氟乙烯)中的一种或几种。
所述的疏水有机微孔膜，孔径大小为0.1-1微米，孔隙率为30％-90％，壁厚为0.1-0.5 毫米。
所述的导电疏水膜的导电层材料为导电高分子、碳材料、金属或金属氧化物。
所述的导电疏水膜的导电层的孔径大小为10nm-10μm，导电层厚度为10μm-1mm。
附图说明
图1.为电催化臭氧氧化膜反应器废水处理装置。
图2.为电催化臭氧氧化膜反应器反应原理图。
图3.为电催化臭氧氧化膜反应器废水处理装置中一种膜组件设计形式。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：1、可调式直流稳压电源，2、连接导线，3、辅助电极，4、导电疏水膜或其膜组件，5、阀门，6、料液槽，7、压力表，8、耐臭氧流量计，9、耐氧化气流管道，10、臭氧发生器，11、氧气瓶。
具体实施方式
下面对本发明作进一步详细说明。
实施例1
一种电催化臭氧高级氧化膜反应器废水处理装置，包括可调式直流稳压电源1、连接导线2、辅助电极3、导电疏水膜或其膜组件4、阀门5、料液槽6、压力表7、耐臭氧流量计8、耐氧化气流管道9、臭氧发生器10、氧气瓶11部分，其特征在于：辅助电极3和可调式直流稳压电源1电连接，导电疏水膜或其膜组件4一端通过连接导线2和可调式直流稳压电源1电连接，另一端与臭氧发生器通过耐氧化气流管道9相连接，压力表7和耐臭氧流量计8通过耐氧化气流管道9连接在导电疏水膜或其膜组件4和臭氧发生器10之间，辅助电极3和导电疏水膜或其膜组件4浸没于料液槽6内，导电疏水膜或其膜组件4的一端还和管道连接，管道上具有阀门5，臭氧发生器 10和氧气瓶11相连接，所述膜组件由中空纤维导电疏水膜和金属电极组成，其中金属电极、导电疏水膜分别与直流稳压电源正、负极相连，所述中空纤维导电疏水膜为复合膜，由一层 疏水有机微孔膜和导电层构成，有机微孔膜有较好的疏水性和耐氧化性。
所述的膜组件为浸没式结构，由臭氧发生器产生的氧气、臭氧混合气体通入膜组件，导 电疏水膜作为曝气装置；同时，导电疏水膜作为阴极，辅助电极作为阳极，料液作为电解液，构成电解装置。
氧气、臭氧的混合气体与导电疏水膜的疏水层侧接触，透过膜孔扩散至导电层并与料液接触，其中氧气在作为阴极的导电层处被还原得到H2O2，所得H2O2与O3反应生成·OH，氧化降解污水中有机物。
控制膜组件气相侧压力小于泡点压力与液相侧压力之和，氧气、臭氧混合气体以无泡方式通过导电疏水膜进行传质，与另一侧的废水中有机物在电催化功能层表面进行电催化臭氧氧化反应。
所述的可调式直流稳压电源1的电压调节范围在0-30V，电流在0-5A。
所述的疏水有机微孔膜材料为聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚(偏氟乙烯-共聚-六氟丙烯)、 聚(偏氟乙烯-共聚-四氟乙烯)、聚(偏氟乙烯-共聚-三氟乙烯)、聚(偏氟乙烯-共聚-氯三氟乙烯)中的一种或几种。
所述的疏水有机微孔膜，孔径大小为0.1-1微米，孔隙率为30％-90％，壁厚为0.1-0.5毫 米，所述的导电疏水膜的导电层材料为导电高分子、碳材料、金属或金属氧化物，所述的导 电疏水膜的导电层的孔径大小为10nm-10μm，导电层厚度为10μm-1mm。
料液槽6为立方体容器，根据实际需要还可以为其他形状的容器。导电疏水膜4内侧为有机疏水微孔膜，外层为导电耐蚀的碳膜。
将导电疏水膜一端与臭氧发生器相连，另一端通入尾气处理装置，气体在中空导电疏水膜内侧流动。将导电疏水膜外侧导电层经连接导线2与稳压电源1的负极相连；同时辅助电极3 经导线与可调式直流稳压电源1的正极相连，构成电解装置。
工作时，氧气经过臭氧发生器后部分生成臭氧，氧气与臭氧的混合气体通入中空导电疏水膜内侧，以耐臭氧流量计8调节气体流量，以阀门5调节气体压力，使其小于泡点压力和液相侧压力之和，实现无泡曝气。
氧气和臭氧的混合气体经导电疏水膜扩散至液相侧时，氧气在导电层得电子生成过氧化氢，过氧化氢与臭氧反应生成·OH，·OH具有极强的氧化性，可将难生化有机物分解为CO2 或简单化合物，实现对难生化废水的处理(附图2)。
Claims (4)
1.一种电催化臭氧高级氧化膜反应器废水处理装置，包括可调式直流稳压电源(1)、连接导线(2)、辅助电极(3)、导电疏水膜膜组件(4)、阀门(5)、料液槽(6)、压力表(7)、耐臭氧流量计(8)、耐氧化气流管道(9)、臭氧发生器(10)、氧气瓶(11)部分，其特征在于：辅助电极(3)和可调式直流稳压电源(1)电连接，导电疏水膜膜组件(4)的导电层通过连接导线(2)和可调式直流稳压电源(1)电连接，一端与臭氧发生器通过耐氧化气流管道(9)相连接，压力表(7)和耐臭氧流量计(8)通过耐氧化气流管道(9)连接在导电疏水膜膜组件(4)和臭氧发生器(10)之间，辅助电极(3)和导电疏水膜膜组件(4)浸没于料液槽(6)内，导电疏水膜膜组件(4)的另一端与管道连接，管道上具有阀门(5)，臭氧发生器(10)和氧气瓶(11)相连接，所述导电疏水膜膜组件（4）由中空纤维导电疏水膜和金属电极组成，其中金属电极、中空纤维导电疏水膜分别与可调式直流稳压电源正、负极相连，所述中空纤维导电疏水膜为复合膜，由一层疏水有机微孔膜和导电层构成，有机微孔膜有较好的疏水性和耐氧化性，所述导电疏水膜膜组件（4）为浸没式结构，由臭氧发生器产生的氧气、臭氧混合气体通入所述导电疏水膜膜组件，中空纤维导电疏水膜作为气-液接触反应装置；同时，中空纤维导电疏水膜作为阴极，辅助电极作为阳极，料液作为电解液，构成电解装置，控制导电疏水膜膜组件(4)气相侧压力小于泡点压力与液相侧压力之和，氧气、臭氧混合气体以无泡方式通过中空纤维导电疏水膜进行传质，与另一侧的废水中有机物在电催化功能层表面进行电催化臭氧氧化反应；氧气、臭氧的混合气体与中空纤维导电疏水膜的疏水层侧接触，透过膜孔扩散至导电层并与料液接触，其中氧气在作为阴极的导电层处被还原得到H2O2，所得H2O2与O3反应生成·OH，氧化降解污水中有机物；其中，所述的疏水有机微孔膜，孔径大小为0.1-1微米，孔隙率为30％-90％，壁厚为0.1-0.5毫米；所述中空纤维导电疏水膜的导电层的孔径大小为10nm-10μm，导电层厚度为10μm-1mm。
2.根据权利要求1所述的电催化臭氧高级氧化膜反应器废水处理装置，其特征在于：所述的可调式直流稳压电源(1)的电压调节范围在0-30V，电流在0-5A。
3.根据权利要求1所述的电催化臭氧高级氧化膜反应器废水处理装置，其特征在于：所述的疏水有机微孔膜材料为聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚(偏氟乙烯-共聚-六氟丙烯)、聚(偏氟乙烯-共聚-四氟乙烯)、聚(偏氟乙烯-共聚-三氟乙烯)、聚(偏氟乙烯-共聚-氯三氟乙烯)中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的电催化臭氧高级氧化膜反应器废水处理装置，其特征在于：所述中空纤维导电疏水膜的导电层材料为导电高分子、碳材料、金属或金属氧化物。
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