CN108325350A - 一种电化学降解挥发性有机污染物的流动反应器及其装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电化学降解挥发性有机污染物的流动反应器，其为空心圆柱体，从下至上依次包括进气罐、壳体、出气罐；进气罐有底面无盖，侧壁开有用来容纳进气管的小孔，进气罐内部，小孔的上方依次设置有膜片式微孔空气扩散器和阴极空气扩散电极；壳体无底无盖，顶部设置有开有小孔的阳极铂片；出气罐有盖无底，顶部设有导出管。本发明还公开了一种包含所述的流动反应器的电化学降解挥发性有机污染物的装置，以及利用所述的装置电化学降解挥发性有机污染物的方法。本发明装置简单，操作方便，不会产生二次污染，能够有效的降解有机物等。
Description
技术领域
本发明涉及一种挥发性有机污染物的处理方法，具体涉及一种电化学降解挥发性有机污染物的流动反应器及其装置和方法。
背景技术
挥发性有机物是指沸点温度在50～260℃，室温下饱和蒸汽压超过133.32Pa，在常温下以蒸汽形式存在于空气中的一类有机物，也是石油化工、制药、印刷、油漆喷涂等行业排放最常见的气态污染物。根据气况湿度的不同，部分将生成干式沉降物(光化学烟雾)和湿式沉降物(酸雨)，危害生态环境和人体健康。甲醛、苯、二甲苯等是装修后的存在于室内的主要有机污染物，具有毒性、强致癌性和基因毒性，长期接触会导致神经衰弱综合症、肝损伤、血癌等疾病，尤其影响女性生育和幼儿健康成长。
工业上现行的处理VOCs废气的各种方法：吸附/吸收法需要对吸收剂作后续处理，再生不易，处理费用昂贵；燃烧法对处理设备的要求较高，处理浓度低、气量大的工业废气成本很高；生物法须培育特定的菌株降解水溶性差、毒性大的有机物，也需要处理污泥；等离子体法易产生O3、NOx等副产物，能量效率和矿化率低、碳氧化物选择性低；光催化法降解过程中产生的中间产物或副产物待测定，催化剂失活的原因不明。
专利CN101332404公开了一种固态萃取-电催化氧化法处理气态VOCs的方法及装置，其原理是将有机污染物萃取富集在阴极ACF电极中，再通过阳极铁片氧化去除污染物。由于该专利阳极用的是Fe片，电解时间长了之后会有铁泥沉淀在阴极吸附性导电多孔材料中，容易堵塞。其电解质溶液厚，即气体的物质迁移转化过程艰难，曝气所用的压力大，耗能。
发明内容
发明目的：为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种电化学降解挥发性有机污染物的流动反应器。
本发明的另一个目的是提供包含所述的流动反应器的电化学降解挥发性有机污染物的装置，其为处理效率高、经济性好、操作简单的一体化降解装置，能够为实现电化学降解实际有机废气打下基础。
本发明还有一个目的是提供一种利用所述的装置电化学降解挥发性有机污染物的方法。
技术方案：本发明所述的电化学降解挥发性有机污染物的流动反应器，所述流动反应器为空心圆柱体，从下至上依次包括进气罐、壳体、出气罐；进气罐有底面无盖，侧壁开有用来容纳进气管的小孔，进气罐内部，小孔的上方依次设置有膜片式微孔空气扩散器和阴极空气扩散电极；壳体无底无盖，顶部设置有开有小孔的阳极铂片；出气罐有盖无底，顶部设有导出管。
还包括试验罐，流动反应器以直径为界限，壳体左半侧外多一层密封的半圆柱体为试验罐，其直径大于壳体。试验罐里面装有液体，以检查主体部分的气密性。
进气罐、壳体、出气罐分别用螺纹连接。
所述流动反应器的主体是圆柱形的有机玻璃体。所述的试验罐为半圆形有机玻璃体。
壳体右半侧的中部开有用于容纳pH检测计探头的小口和进液管。优选地，进液管设置在pH检测计上部，因为进液管设置在小口上面比设置在下面时，原来的电解液和添加液更容易混合均匀。
所述进气管是微气泡扩散管。
进气罐的顶部从下往上依次设置有第一隔板和第二隔板，壳体的顶部设置有第三隔板，所述隔板上都装有紧固夹，第一隔板上用紧固夹固定住膜片式微孔空气扩散器，第二隔板上用紧固夹固定住阴极空气扩散电极，第三隔板上用紧固夹固定住开有小孔的阳极铂片。
更详细地，本发明所述的电化学降解挥发性有机污染物的流动反应器的主体是圆柱形的有机玻璃体，分为进气罐、壳体、出气罐、试验罐四部分。
进气罐位于流动反应器的最下面，有底面无盖，表面一侧开有直径为0.5～1cm的用来容纳进气管的小孔，距离进气罐顶部2～3cm处有上下两圈宽度都为0.5cm的隔板，从下而上依次为第一隔板和第二隔板，两隔板间距离为0.3cm，隔板上都装有紧固夹，距离顶部1cm处有外螺纹；
壳体位于流动反应器的中间部分，无底无盖，距离底部1cm处有内螺纹，距离顶部2～3cm处有一圈宽度为0.5cm的隔板，隔板上装有紧固夹，距离顶部1cm处有内螺纹；
出气罐位于流动反应器的最上面的部分，有盖无底，距离底部1cm处有外螺纹；
流动反应器以直径为界限，壳体左半侧外多一层密封的半圆形有机玻璃体为试验罐，直径大于壳体2cm。
阴极为空气扩散电极，直径3cm；阳极为铂片，直径3cm。两个电极都用紧固夹固定住。
进气罐隔板分为两层，分别放置膜片式微孔空气扩散器和空气扩散电极；壳体隔板上放置铂片。
壳体右半侧的中部开有小口，用于容纳pH检测计探头；检测计上部装有直径3mm，长度为3cm的进液管。
进气管是直径为0.5～1cm的微气泡扩散管。
包含所述的流动反应器的电化学降解挥发性有机污染物的装置，包括依次连接的气泵、吹脱瓶、流量计、流动反应器、尾气吸收瓶和干燥瓶，其中，流量计与流动反应器的进气管相连，流动反应器的导出管与尾气吸收瓶相连，流动反应器的阴极和阳极上都有导线与电源连接。
所述的气泵为小型负压抽气吸气泵。
利用所述的装置电化学降解挥发性有机污染物的方法，包括采用气泵将空气送入吹脱瓶，裹挟着二甲苯蒸汽由进气管通入流动反应器下部，通过控制温度调节气体流量；进气管中的污染气体经膜片式微孔空气扩散器曝气后，先到达作为阴极的空气扩散电极，在阴极上被降解，再依次穿过两级之间的电解液和作为阳极的开有小孔的铂片，从反应器顶端由导出管排出。
鼓气速率为5～8L/h，电解质为Na2SO4，电解液Na2SO4水溶液的浓度为0.5～1mol/L，电解电压为6～10V。
工作原理：如图1所示，污染气体依次通过空气扩散电极(结构包括空气扩散层、集流体、催化层)、电解液、阳极，在空气扩散电极中，空气源源不断通过一侧的气体扩散层输入电极内部，O2溶解在电解液中，形成了空气、催化剂和电解液共存的三相界面，并在催化剂表面形成的三相界面还原生成H2O2，再催化分解产生大量羟基自由基，氧化有机物。通过膜片式微孔空气扩散器布气，使得气体能够被高效吸附在空气扩散电极的催化层孔道中。
本发明所涉及到的电化学降解挥发性有机污染物的装置，是采用曝气的方式，让废气更多地溶解到电解液中，在空气扩散电极的催化层孔道中被降解生成CO2、H2O及小分子。曝气强制将污染气体向电解液中转移，极大地提高污染气体在电解液的溶解度，在空气扩散电极的催化层孔道中被降解生成CO2、H2O及小分子；进气时携带了大量的氧气，将会在阴极的三相接触面进行二电子传递的氧还原作用生成H2O2，而H2O2在电极表面被电活化并分解为具有强氧化性的自由基团，如·HO2、·HO、·O2 -等，这些强氧化性基团与有机物分子发生碰撞并氧化。
流动反应器上装有pH检测计，随时检测电解液溶液的pH，当pH不利于二电子还原途径时，而是易直接生成副产品H2O时，通过进液管添加中和液维持。
本发明能通过控制吹脱瓶中水浴加热的温度来控制释放进气中污染气体的浓度，更准确的分析反应器的适应性；按照最优条件确定进气中氧气的浓度，提高氧利用率和降低能耗。
有益效果：相对于现有技术，本发明的优点在于：
1、本发明装置简单，操作方便，不会产生二次污染，能够有效的降解有机物等，降解效率高，符合近些年来各种法律法规对挥发性有机物处理的要求。
2、本发明首次将空气扩散电极应用于电化学装置，有机污染物不需富集，直接通过时就能被空气扩散电极产生的氧化物质去除。
3、在电解过程中电解质会被消耗，本发明能够时刻检测并调节电解质溶液的pH，改进了传统的电化学装置，提高降解效率。
附图说明
图1为本发明空气扩散电极结构示意图；
图2为本发明电化学降解挥发性有机污染物的装置结构示意图；
图3为本发明的流动反应器的结构示意图。
具体实施方式
实施例1
一种电化学降解挥发性有机污染物的流动反应器，如图3所示，所述流动反应器4是圆柱形的有机玻璃体，由进气罐8、壳体9、出气罐10、试验罐11四部分组成。
进气罐8内径3cm，外径4cm，高6cm，位于流动反应器的最下面，有底面无盖，表面一侧开有直径为0.5～1cm的小孔，用来容纳进气管12，距离顶部2～3cm处有一圈宽度都为0.5cm的隔板13、14，两隔板间距离为0.3cm，隔板上都装有紧固夹，距离顶部1cm处有外螺纹15；
壳体9内径3.4cm，外径4.4cm，高2cm，位于流动反应器的中间部分，无底无盖，距离底部1cm处有内螺纹16，距离顶部2～3cm处有一圈隔板17，隔板上装有紧固夹，距离顶部1cm处有内螺纹18；
出气罐10内径3cm，外径4cm，高6cm，位于流动反应器的最上面的部分，有盖无底，距离底部1cm有外螺纹19。
试验罐11是内径为5.4cm，外径6.4cm，高2cm的半圆形有机玻璃体，位于壳体9左半侧，里面装有液体，以检查主体部分的气密性。
在壳体9右半侧的中部有开口20，用于容纳pH检测计探头，监测电解液pH；pH检测计上部装有直径3mm，长度为3cm的进液管21，可时刻调节电解液的pH。
阴极为空气扩散电极，直径3cm；阳极为开有小孔的铂片，直径3cm。隔板13上放置膜片式微孔空气扩散器；隔板14上放置阴极；隔板17上放置阳极，两个电极都用紧固夹固定住。
空气扩散电极作为底支撑电解液，电解液的液面高度超出阳极，不超过壳体9的顶部。阴极用的空气扩散电极，最外层的空气扩散层是用PTFE乳液制成的，能防止电解液流出来，但是可以让气体进去，17上放置的阳极被覆盖在电解液里。
一种包含所述流动反应器的电化学降解挥发性有机污染物的装置，如图2所示，包括依次连接的气泵1、吹脱瓶2、流量计3、流动反应器4、尾气吸收瓶6和干燥瓶7，其中，流量计3与流动反应器4的进气管相连，流动反应器4的导出管与尾气吸收瓶6相连。流动反应器4的阴极和阳极上都有导线与电源5连接。
一种利用所述的装置电化学降解挥发性有机污染物的方法，包括采用小型负压抽气吸气泵1从吸气口吸入空气，并从出气口将空气送入吹脱瓶2吹脱二甲苯蒸汽，空气裹挟着二甲苯蒸汽作为污染气体，由进气管通入流动反应器4下部，通过控制温度调节气体流量。进气管中的污染气体经膜片式微孔空气扩散器曝气后，先到达作为阴极的空气扩散电极，污染气体在空气扩散电极的催化层孔道中被降解，再依次穿过两级之间的电解液和作为阳极的开有小孔的铂片，从反应器顶端由导出管排出。尾气依次经过吸收瓶6、干燥瓶7，排出。调节水浴加热的温度来控制二甲苯的浓度；通过流量计3控制气体流量；阴极和阳极上都有导线与电源5连接。
以下实施例中，以二甲苯作为研究对象，研究本装置对气态挥发性有机污染物的去除效率。
实施例2
以铂片作为阳极，空气扩散电极为阴极，鼓气速率为6L/h，电解质浓度0.8mol/L，研究电解电压6-10V时的二甲苯去除率，结果见表1。
表1
从表1中可以看出，去除率随着电压的增大而增大，在10V时去除率最大。由法拉第定律知，电流密度增加，阴极输出和阳极得到的电量也就增加，产生HO·、HO2·、H2O2等氧化剂的量也就愈多；因而去除率随电流密度的增加而增加。但是随着电压的增加，两极的极化程度增强，能耗提高，造成电解液温度升高，过氧化氢的分解速度也将加快；另一方面，促进HO2·生成，但它的氧化能力低于HO·，因此从节能与废水处理效果两方面综合考虑，电压选10V。
实施例3
以铂片作为阳极，空气扩散电极为阴极，电解电压为10V，电解质浓度0.8mol/L，研究鼓气速率为4-8L/h时的二甲苯去除率，结果见表2。
表2
从表2中可以看出，去除率随着鼓气速率的增大而增大，在鼓气速率为8L/h时去除率最大，但是去除率速率变缓，主要是因为携带更多的气态污染物增加了处理负荷。
实施例4
以铂片作为阳极，空气扩散电极为阴极，电解电压为10V，鼓气速率为6L/h，研究电解质浓度0.4-0.8mol/L时的二甲苯去除率，结果见表3。
表3
从表3中可以看出，去除率随着电解质浓度的增大而增大，在电解质浓度为0.8mol/L时去除率最大，主要是因为较高的电解质浓度能够加快电子传递。
Claims (9)
1.一种电化学降解挥发性有机污染物的流动反应器，其特征在于，所述流动反应器(4)为空心圆柱体，从下至上依次包括进气罐(8)、壳体(9)、出气罐(10)；进气罐(8)有底面无盖，侧壁开有用来容纳进气管(12)的小孔，进气罐(8)内部，小孔的上方依次设置有膜片式微孔空气扩散器和阴极空气扩散电极；壳体(9)无底无盖，顶部设置有开有小孔的阳极铂片；出气罐(10)有盖无底，顶部设有导出管。
2.根据权利要求1所述的流动反应器，其特征在于，包括试验罐(11)，流动反应器(4)以直径为界限，壳体(9)左半侧外多一层密封的半圆柱体为试验罐(11)，其直径大于壳体(9)。
3.根据权利要求1所述的流动反应器，其特征在于，进气罐(8)、壳体(9)、出气罐(10)分别用螺纹连接。
4.根据权利要求1所述的流动反应器，其特征在于，壳体(9)右半侧的中部开有用于容纳pH检测计探头的小口(20)和进液管(21)。
5.根据权利要求1所述的流动反应器，其特征在于，所述进气管(12)是微气泡扩散管。
6.根据权利要求1所述的流动反应器，其特征在于，进气罐(8)的顶部从下往上依次设置有第一隔板(13)和第二隔板(14)，壳体(9)的顶部设置有第三隔板(17)，所述隔板上都装有紧固夹，第一隔板上用紧固夹固定住膜片式微孔空气扩散器，第二隔板上用紧固夹固定住阴极空气扩散电极，第三隔板上用紧固夹固定住开有小孔的阳极铂片。
7.包含权利要求1～6任意一项所述的流动反应器的电化学降解挥发性有机污染物的装置，其特征在于，包括依次连接的气泵(1)、吹脱瓶(2)、流量计(3)、流动反应器(4)、尾气吸收瓶(6)和干燥瓶(7)，其中，流量计(3)与流动反应器(4)的进气管相连，流动反应器(4)的导出管与尾气吸收瓶(6)相连，流动反应器(4)的阴极和阳极上都有导线与电源(5)连接。
8.利用权利要求7所述的装置电化学降解挥发性有机污染物的方法，其特征在于，包括采用气泵(1)将空气送入吹脱瓶(2)，裹挟着二甲苯蒸汽由进气管通入流动反应器(4)下部，通过控制吹脱瓶(2)的温度调节气体流量；进气管中的污染气体经膜片式微孔空气扩散器曝气后，先到达作为阴极的空气扩散电极，在阴极上被降解，再依次穿过两级之间的电解液和作为阳极的开有小孔的铂片，从反应器顶端由导出管排出。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，鼓气速率为5～8L/h，电解质为Na2SOa，电解液Na2SO4水溶液的浓度为0.5～1mol/L，电解电压为6～10V。
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