CN108707921B - 一种电解同时产生过硫酸盐及其活化剂亚铁离子的装置和方法 - Google Patents

一种电解同时产生过硫酸盐及其活化剂亚铁离子的装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电解同时产生过硫酸盐及其活化剂亚铁离子的装置和方法。电解装置包括：两室电解流动池、电极系统、搅拌系统。所述阴阳两电解流动池之间通过氢离子渗透膜实现离子交换。阴阳电极和直流电源相连，在阴极电解硫酸铵和硫酸混合液产生过硫酸盐，同时阳极电解氯化铁溶液可以产生亚铁离子。搅拌系统能使电解流动池成流动态，并打碎溶液内电解过程中产生的气泡。本发明能通过电解同时得到过硫酸盐及其活化剂亚铁离子，两者反应产生具有较强氧化性的硫酸根自由基，可直接应用于高级氧化技术中处理难降解有机物；具有装置操作简单、绿色可循环的特点。

Description

一种电解同时产生过硫酸盐及其活化剂亚铁离子的装置和 方法
技术领域
本发明涉及高级氧化处理有机污染物领域，具体涉及一种电解同时产生过硫酸盐及其活化剂亚铁离子的装置和方法。
背景技术
高级氧化工艺基于生成的活性自由基具有强氧化性和反应活性，被认为是降解有毒有机污染物的最有效和最具吸引力的方法之一。其中基于过硫酸盐的高级氧化技术可以用于破坏性去除水中有机污染物。其过程是通过热、紫外光、过渡金属离子（如亚铁离子）、碱金属活化剂活化过硫酸盐，产生硫酸根和羟基自由基。硫酸盐自由基具有较高的氧化还原电位，应用的pH范围广，对有机分子的氧化具有高度的反应性和非选择性，在处理高浓度、小流量的废水中具有一定的前景。
基于以上原理，本发明设计出一种可以同时在线电解产生过硫酸盐及其活化剂亚铁离子的装置，在阴极电解过硫酸盐之外，阳极可以同时电解产生过硫酸盐的活化剂——过渡金属离子亚铁离子，两者结合可以用于对地下水、土壤、废水中有机污染物的直接高级氧化降解，无需添加其他活化剂。电解原料成本低廉，电解装置安装操作简单、电解能耗低，方法绿色环保可循环。
发明内容
本发明的目的是提供一种通过电解同时产生过硫酸盐和亚铁离子装置和方法，以实现在高级氧化过程中，可以直接通过亚铁离子活化过硫酸盐产生自由基，从而降解有机污染物。
本发明的目的通过以下技术方案实现。
一种电解同时产生过硫酸盐及其活化剂亚铁离子的装置，该装置包括两室电解流动池、电极系统和搅拌系统；
所述两室电解流动池由两个底端有开口并连通的电解室组成，即阳极电解池4和阴极电解池5；两室电解流动池开口连接处放置氢离子交换膜7；两室电解流动池的顶部设置有电解池盖，电解池盖开有小口，其中一个小口通过垫片实现电极在电解池盖上的固定，一个小口连接管路进行气体的收集；所述阳极电解池4和阴极电解池5内装有电解液；
所述电极系统包括阳极电极3、阴极电极6和直流电源1，阳极电极3和阴极电极6分别穿过电解池盖上的小口和直流电源1的正、负极相连；
所述两室电解流动池内设置搅拌系统2进行搅拌，使电解液形成流动态。
优选的，所述阳极电解池4和阴极电解池5是圆柱形的。
优选的，所述氢离子渗透膜通过橡胶片和螺丝固定，从而使阳极电解池和阴极电解池内电解液中的氢离子交换。
优选的，所述搅拌系统为磁力搅拌装置或者搅拌棒。
优选的，所述电解池配有电解池盖，电解池盖开有三个圆形小口，其中两个小口通过垫片可以实现电极和搅拌棒在电解池盖上的固定，另一个小口可以连接管路进行气体（H2、O2）的收集。
优选的，所述阳极电极、阴极电极均为惰性电极。
优选的，所述阳极电极、阴极电极均为铂片电极。
优选的，所述阴阳电极的面积均为为10mm×10mm×1mm~50mm×50mm×1mm。
利用以上所述的装置实现一种电解同时产生过硫酸盐及其活化剂亚铁离子的方法，包括以下步骤：在常温常压下，在阴极电解池加入适量硫酸铵和硫酸的混合溶液，阳极电解池内加入适量氯化铁溶液，阴阳两极电解池之间用氢离子交换膜分隔，阴阳两极分别插入阴极电极和阳极电极后连接好电路，打开电源，可以同时在阴极电解产生过硫酸盐，在阳极电解产生亚铁离子。
优选的，所述硫酸铵和硫酸的混合溶液为浓度比为（1~2）：1的硫酸铵和硫酸的混合液。
优选的，所述硫酸的浓度为1~2mol/L。
优选的，所述氯化铁溶液的浓度为50~100mmol/L。
优选的，所述硫酸铵和硫酸的混合溶液和氯化铁溶液的体积相等，进一步优选为50~100ml。
优选的，所述电源为直流电源，设置为限流模式，最大电流设置为0.08~0.15A。
优选的，所述搅拌系统的搅拌速度为600~1000r/min。
优选的，所述搅拌的时间为60~180min。
本发明相对于现有技术具有的特点及有益效果：
（1）本发明能够在电解阳极产生过硫酸盐的同时，阴极可以产生过硫酸盐活化剂亚铁离子，从而在过硫酸盐高级氧化水处理过程中，无需添加其他化学药品即可完成对污染物的降解。
（2）本发明能实现电解较高浓度的过硫酸盐和亚铁离子，可以直接用作有机污染物的高级氧化降解。
（3）本发明的电解产物可实现对苯胺、对氯苯胺等有机污染物的高效快速去除，装置安装操作简单、电解能耗低，方法绿色可循环，无二次污染。
附图说明
图1 是本发明的电解装置图；
1-直流电源，2-搅拌棒，3-阳极电极，4-阳极电解池，5-阴极电解池，6-阴极电极，7-氢离子渗透膜，8-垫片。
图2 是实施例1-3在不同电流强度下，阴阳两极电极产物亚铁离子、过硫酸盐浓度随时间的曲线变化图。
具体实施方式
以下为本发明方法实施例的具体说明，但本发明的具体实施不限于此。
本发明的电解装置图如图1所示，该装置包括两室电解流动池、电极系统和搅拌系统； 所述两室电解流动池由两个底端有开口并连通的圆柱形电解室组成，即阳极电解池4和阴极电解池5；两室电解流动池开口连接处放置氢离子渗透膜7；两室电解流动池的顶部设置有电解池盖，电解池盖开有小口，其中一个小口通过垫片实现电极在电解池盖上的固定，一个小口连接管路进行气体的收集；所述阳极电解池4和阴极电解池5内装有电解液；所述电极系统包括阳极电极3、阴极电极6和直流电源1，阳极电极3和阴极电极6分别穿过电解池盖上的小口和直流电源1的正、负极相连；所述两室电解流动池内设置搅拌系统进行搅拌，使电解液形成流动态。所述氢离子渗透膜通过橡胶片和螺丝固定，从而使阳极电解池和阴极电解池内电解液中的氢离子交换。所述搅拌系统为搅拌棒2。所述电解池配有电解池盖，电解池盖开有三个圆形小口，其中两个小口通过垫片可以实现电极和搅拌棒在电解池盖上的固定，另一个小口可以连接管路进行气体（H2、O2）的收集。
实施例1
一种电解同时产生过硫酸盐和亚铁离子方法。使用的装置如图1所示。阴阳两极电解液体积均为50ml，阴阳两极均为表面积为2*10*10mm2的铂片电极；阳极电解液中硫酸浓度为1mol/L，硫酸铵浓度为1 mol/L，硫酸与硫酸铵的体积比为1:1，阴极电解液氯化铁浓度为50mmol/L，限制最大电流为0.15A；搅拌棒的搅拌速度为800r/min；电解105min时，阳极产生的过硫酸盐浓度为26.7mmol/L；阴极产生的亚铁离子浓度趋势先上升后下降，在90min时浓度最大为3.25mmol/L，此时阳极产生的过硫酸盐浓度为23.1mmol/L，如图2中的曲线a、b所示。
实施例2
一种电解同时产生过硫酸盐和亚铁离子的方法。使用的装置如图1所示。阴阳两极电解液体积均为50ml，阴阳两极均为表面积为2*10*10mm2的铂片电极；阳极电解液中硫酸浓度为1mol/L，硫酸铵浓度为1 mol/L，硫酸与硫酸铵的体积比为1:1，阴极电解液氯化铁浓度为50mmol/L，限制最大电流为0.1A；搅拌棒的搅拌速度为1000r/min。
电解180min时，阳极产生的过硫酸盐浓度为55.9mmol/L；阴极产生的亚铁离子浓度趋势先上升后下降，在105min时浓度最大为3.34mmol/L，此时阳极产生的过硫酸盐浓度为29.0mmol/L，如图2中的曲线c、d所示。
使用阴阳两极电解产物对有机污染物对氯苯胺（PCA）进行降解。PCA初始浓度为0.2mmol/L，量取阳极产生的过硫酸盐溶液体积7.2ml，阴极产生的电解产物亚铁离子溶液17.5ml（分为4投加）加入于250ml锥形瓶，总反应体积为100ml，降解温度为25℃，使用高效液相色谱对PCA的含量进行测定，测得30min后PCA降解率达60%。
实施例3
一种电解同时产生过硫酸盐和亚铁离子的方法。使用的装置如图1所示。阴阳两极电解液体积均为50ml，阴阳两极均为表面积为2*10*10mm2的铂片电极；阳极电解液中硫酸浓度为2mol/L，硫酸铵浓度为2 mol/L，硫酸与硫酸铵的体积比为1:1，阴极电解液氯化铁浓度为100mmol/L，限制最大电流为0.15A；搅拌棒的搅拌速度为1000r/min。
电解195min时，阳极产生的过硫酸盐浓度为175.8mmol/L；阴极产生的亚铁离子浓度趋势先上升后下降，在120min时浓度最大为7.26mmol/L，此时阳极产生的过硫酸盐浓度为82.4mmol/L。
使用阴阳两极电解产物对有机污染物对氯苯胺（PCA）进行降解。PCA初始浓度为0.2mmol/L，量取阳极产生的过硫酸盐体积2.1ml，阴极产生的电解产物6.8ml（分为4次投加）加入于250ml锥形瓶，总反应体积为100ml，降解温度为25℃，使用高效液相色谱对PCA的含量进行测定，测得40min后PCA降解率达75%。

Claims (10)

1.一种电解同时产生过硫酸盐及其活化剂亚铁离子的装置，其特征在于，该装置包括两室电解流动池、电极系统和搅拌系统；
所述两室电解流动池由两个底端有开口并连通的电解室组成，即阳极电解池（4）和阴极电解池（5）；两室电解流动池开口连接处放置氢离子渗透膜（7）；两室电解流动池的顶部设置有电解池盖，电解池盖开有小口，其中一个小口通过垫片实现电极在电解池盖上的固定，一个小口连接管路进行气体的收集；所述阳极电解池（4）和阴极电解池（5）内装有电解液；
所述电极系统包括阳极电极（3）、阴极电极（6）和直流电源（1），阳极电极（3）和阴极电极（6）分别穿过电解池盖上的小口和直流电源（1）的正、负极相连；
所述两室电解流动池内设置搅拌系统（2）进行搅拌，使电解液形成流动态；
所述阴极电解池内装有氯化铁溶液，所述阳极电解池内装有硫酸铵和硫酸的混合溶液。
2.根据权利要求1所述的一种电解同时产生过硫酸盐及其活化剂亚铁离子的装置，其特征在于，所述氢离子渗透膜通过橡胶片和螺丝固定，从而使阳极电解池和阴极电解池内电解液中的氢离子交换。
3.根据权利要求1所述的一种电解同时产生过硫酸盐及其活化剂亚铁离子的装置，其特征在于，所述搅拌系统为磁力搅拌装置或者搅拌棒。
4.根据权利要求1所述的一种电解同时产生过硫酸盐及其活化剂亚铁离子的装置，其特征在于，所述搅拌系统的搅拌速度为600- 1000r/min；搅拌的时间为60- 180min。
5.根据权利要求1所述的一种电解同时产生过硫酸盐及其活化剂亚铁离子的装置，其特征在于，所述阳极电极、阴极电极均为惰性电极。
6.根据权利要求5所述的一种电解同时产生过硫酸盐及其活化剂亚铁离子的装置，其特征在于，所述阳极电极、阴极电极均为铂片电极。
7.利用权利要求1-6任一项所述的装置实现一种电解同时产生过硫酸盐及其活化剂亚铁离子的方法，其特征在于，包括以下步骤：在常温常压下，在阴极电解池内加入氯化铁溶液，阳极电解池内加入硫酸铵和硫酸的混合溶液，阴阳两极电解池之间用氢离子交换膜分隔，阴阳两极分别插入阴极电极和阳极电极后连接好电路，打开电源，可以同时在阴极电解产生亚铁离子，在阳极电解产生过硫酸盐。
8.根据权利要求7所述的一种电解同时产生过硫酸盐及其活化剂亚铁离子的方法，其特征在于，所述硫酸铵和硫酸的混合溶液为浓度比为（1 -2）：1的硫酸铵和硫酸的混合液，硫酸的浓度为1 -2mol/L；所述氯化铁溶液的浓度为50 -100mmol/L。
9.根据权利要求7所述的一种电解同时产生过硫酸盐及其活化剂亚铁离子的方法，其特征在于，所述硫酸铵和硫酸的混合溶液和氯化铁溶液的体积相等。
10.根据权利要求7所述的一种电解同时产生过硫酸盐及其活化剂亚铁离子的方法，其特征在于，所述电源为直流电源，设置为限流模式，最大电流设置为0.08 -0.15A。
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