CN108793344A - 微流体反应器对低盐废水的电化学氧化处理装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微流体反应器对低盐废水的电化学氧化处理装置，沿着流体方向设置有阳极板、隔离膜层和阴极板，阳极板和阴极板的外侧均设置有绝缘垫层，绝缘垫层的外侧设置有外壳，并公开了一种电化学氧化处理方法，阳极板和阴极板之间只设置隔离膜层，极大地减小了其极板间距，有效的提高电化学反应过程的效率，反应装置单独使用时获得很高的作用效果，根据不同的电化学氧化工艺，对极板的材料能进行更换，通过串联不同极板材料；采用不同的电化学工艺及电解参数，处理含有不同类型污染物质的废水，最大限度的增加电流密度并缩短电解时间，废水中的有机污染物直接发生电化学氧化反应，不带来二次污染。

Description

微流体反应器对低盐废水的电化学氧化处理装置及方法
技术领域
本发明属于废水治理领域，具体涉及一种微流体反应器对低盐废水的电化学氧化处理装置及方法。
背景技术
随着水体污染问题日益加重，各国对废水排放的立法要求日趋严格，采用电化学催化氧化法处理难生物降解有机污染物的技术引起了研究者的广泛关注。相比于其他种类的废水处理技术，电化学方法的主要优势在于反应条件温和，操作灵活，易于自动化，选择性强，无二次污染等。近年来，很多研究者开始将电化学废水处理技术应用于印染、垃圾渗滤液、精细化工、制药以及城市废水等高盐/电导率实际废水处理项目中。通常情况下电化学废水处理技术需要在废水中包含氯化钠或者硫酸钠等电解质时应用，在外接电源的作用下，电流通过电解质溶液，阴极和阳极表面发生氧化还原反应；电解质含量越高，即电导率越高，电解反应过程中电阻越小，电解反应越容易进行，现有技术常常通过向废水中加入电解质例如：NaCl/Na2SO4来解决这个问题，现有技术是不是在电解池中进行电化学反应，将两个极板安装在电解池中，对于高电导率(高盐)的废水，可以反应，但是对于低电导率(低盐)的废水，在实际废水处理项目中，向水体中投入电解质不但会增加投资成本，还会产生二次污染，因此，针对低电导率(低盐)的废水电化学处理技术的改进是十分必要的。
发明内容
为了解决了现有技术中存在的问题，本发明公开了一微流体反应器对低盐废水的电化学氧化处理装置及方法，采用微流体电化学氧化技术，通过选用不同极板材料，使得废水中的有机污染物质发生直接、间接电化学氧化以及电芬顿反应，进而被转化成CO2和H2O，解决了现有技术的问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是，一种微流体反应器对低盐废水的电化学氧化处理装置，沿着流体方向设置有阳极板、隔离膜层和阴极板，隔离膜层用于隔开阳极板和阴极板，阳极板和阴极板的外侧均设置有绝缘垫层，绝缘垫层的外侧设置有外壳；绝缘垫层上开设有反应孔，反应孔用于通过废水导通阳极板和阴极板，外壳、绝缘垫层、阳极板以及阴极板上开设有与反应孔连通的通道，所述通道包括废水入口一侧的反应器进水通道和水体出口一侧的反应器出水通道，反应器进水通道和反应器出水通道分别连通长条形反应孔的两端。
阳极板为DSA-IrO2/Ta2O5、掺硼金刚石或DSA-RuO2，阴极板为碳毡、石墨或镍。
隔离膜层采用聚四氟乙烯膜，其厚度为50～200μm。
绝缘垫层采用橡胶垫，外壳采用不锈钢板。
还包括用于调节水流量和水流速的流量泵。
外壳、绝缘垫层、阳极板以及阴极板上的通道连通有不锈钢管道，不锈钢管道的入口连通流量泵的出水口，绝缘垫层与外壳之间还设置有加固层,加固层上设置有与反应孔连通的通道。
一种采用微流体反应器对低盐废水的电化学氧化处理方法，包括以下步骤：
步骤1，根据待处理废水的水质，选择设定好的电化学处理工艺；
步骤2，根据步骤1所用电化学处理工艺选取极板材料，组装微流体反应器，接通电源；
步骤3，微流体反应器组装完毕后，将待处理水体输入反应器。
步骤1中采用的工艺为直接电化学氧化、间接电化学氧化或电芬顿方法。
步骤2中选取极板的规则为：对于直接电化学氧化法，用DSA-IrO2/Ta2O5或掺硼金刚石阳极板，对于间接电化学氧化法时选择DSA-RuO2阳极板；对于电芬顿方法，采用碳毡或石墨作阴极板。
步骤3中待处理水进入反应器的流速0.1～0.5ml/min，电流密度5～75mA/cm2。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：阳极板和阴极板之间只设置了聚四氟乙烯膜层，极大地减小了其极板间距，有效的提高电化学反应过程的效率，反应装置单独使用时获得很高的作用效果，根据不同的电化学氧化工艺，对极板的材料能进行更换，通过串联不同极板材料；采用不同的电化学工艺及电解参数，处理含有不同类型污染物质的废水，最大限度的增加电流密度并缩短电解时间，废水中的有机污染物直接发生电化学氧化反应，不带来二次污染。
进一步的，聚四氟乙烯膜层的厚度为50～200μm能充分降低阳极板和阴极板之间的距离。
进一步的，设置流量泵，废水在流量泵的作用下进入反应器内，根据水质情况调节电流大小和进水流量。
进一步的，橡胶垫作为绝缘垫层达到绝缘效果的同时，成本低，原材料易得，而且耐受时间长。
进一步的，不锈钢板和不锈钢管具有抗腐蚀的作用，能有效延长反应器的寿命，降低维护频率，提高其可靠性。
进一步的，绝缘垫层与外壳之间还设置加固层，有助于固定不锈钢管道，使得微流体反应器更容易固定。
附图说明
图1为电化学氧化反应器爆炸示意图。
图2为实施例1废水中有机污染物去除率随进样流速的变化曲线。
图3为实施例1废水中有机污染物反应所需能耗随进样流速的变化曲线。
图4为实施例2废水中有机污染物去除率随进样流速的变化曲线。
图5为实施例2废水中有机污染物反应所需能耗随进样流速的变化曲线。
图6为实施例3不同电流密度下废水中有机污染物去除率的变化情况。
图7为实施例3不同电流密度下废水中总有机污染物反应所需能耗变化。
图8为实施例4废水中有机污染物去除率随进样流速的变化曲线。
图9为实施例5废水中有机污染物去除率随电流密度的变化。
图10为实施例5不同电流密度下的能耗柱状图。
附图中，1-外壳，2-绝缘垫层，3-阳极板，4-阴极板，5-隔离膜层，6-反应孔，7-加固层。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步详细说明。
本发明所述微流体反应器极大地减小了极板间距，有效的提高阳极氧化、阴极还原以及电芬顿反应的效率，反应设备不但在单独使用时获得很高的作用效果，根据不同水质设计相应的电化学工艺及电解参数，串联不同极板材料，不同电解参数的方式处理含有不同类型污染物质的废水，最大限度的增加电流效率并缩短电解时间。
如图1所示，一种微流体反应器对低盐废水的电化学氧化处理装置，沿着流体方向设置有阳极板3、隔离膜层5和阴极板4，隔离膜层5用于隔开阳极板3和阴极板4，阳极板3和阴极板4的外侧均设置有绝缘垫层2，绝缘垫层2的外侧设置有外壳1；绝缘垫层2上开设有反应孔6，反应孔6用于通过废水导通阳极板3和阴极板4，外壳1、绝缘垫层2、阳极板3以及阴极板上设置有与反应孔6连通的通道；阳极板为DSA-IrO2/Ta2O5、掺硼金刚石或DSA-RuO2，阴极板为碳毡、石墨或镍；隔离膜层5采用聚四氟乙烯膜，其厚度为50～200μm；绝缘垫层2采用橡胶垫，外壳1采用不锈钢板，还包括用于调节水流量和水流速的流量泵；外壳1、绝缘垫层2、阳极板3以及阴极板4上的通道连通有不锈钢管道，不锈钢管道的入口连通流量泵的出水口，绝缘垫层2与外壳1之间还设置有加固层7,加固层7上设置有与反应孔6连通的通道，所述通道包括废水入口一侧的反应器进水通道和水体出口一侧的反应器出水通道，反应器进水通道和反应器出水通道分别连通长条形反应孔6的两端；本发明优选的，外壳1、绝缘垫层2、阳极板3、阴极板4以及加固层7上与反应孔6连通的通道为不锈钢管道，水体入口通道和出口通道均采用不锈钢管道。
本发明优选的，采用压滤式微流体反应器，微流体反应器通过隔离膜层5将阴极板4和阳极板3分开，在隔离膜层5上开设反应孔6，使阴极板4和阳极板3相对而置，反应孔6的面积即为极板参与电解反应的面积。
采用隔离膜层将阴极板和阳极板分开，隔离膜层的厚度就是阴极板和阳极板之间的距离，在隔离膜层中间开设反应孔6，反应孔6的面积即为阳极板3和阴极板4参与电解反应的面积，处理废水过程中，阴极板4连接电源负极，阳极板3连接电源正极，废水下进入微流体反应器内，本发明所述装置还设置有用于调节水流量和水流速的流量泵，在流量泵的作用下，根据水质情况调节电流大小和进水流量；电源与阳极板3和阴极板4之间还设置有整流器。
一种微流体反应器对低盐废水的电化学氧化处理方法，包括以下步骤：
步骤1，根据待处理水样水质情况，选择合适的电化学处理工艺；采用的工艺为直接电化学氧化、间接电化学氧化或电芬顿方法；
步骤2，根据步骤1所用电化学处理工艺选取极板材料，组装反应器；直接电化学氧化可选择DSA-IrO2/Ta2O5、掺硼金刚石阳极；间接电化学氧化选择DSA-RuO2阳极；电芬顿选择碳毡、石墨阴极；
步骤3，反应器组装完毕后，由泵控制水样进入反应器待处理水进入反应器的流速0.1～0.5ml/min，电流密度5m～75mA/cm2。
当废水水质较复杂时，通过串联不同极板材料，不同电解参数的方式最大限度的增加电流效率并缩短电解时间。
本发明所述装置的极板间距小，降低反应过程中两极板间的电阻，使得含低电解质的废水可以通过电化学方法得到净化，极板间距由隔离膜层的厚度决定隔离膜层厚度为50～200μm；由于极板间距小，极板之间电阻较低，大大降低反应能耗，通过串联不同极板材料，设定不同电解参数，实现净化不同水质的废水。
具体实施案例：
实施例1，某有脱脂剂生产企业废水处理：
对该脱脂剂生产企业二沉池出水进行微流体电化学氧化处理，废水初始总有机碳含量210±15mg/L，电导率1.42ms/cm；步骤1中电解工艺选择直接电化学氧化，采用掺硼金刚石电极作为阳极，镍作为阴极，反应孔6的面积为3.75cm2，即极板反应面积为3.75cm2，隔离膜层5的厚度50μm，即极板间距50μm，电流强度20mA、60mA、100mA和200mA，对应的电流密度5.3～53mA/cm2，有机物去除效果如图2所示，反应所需电耗随进样流速变化如图3所示。
从图2可知，200mA电流强度下，在不同的进样流速工艺条件下；在60mA电流强度下，进样流速为0.1ml/min和0.2ml/min时，有机物去除率全部高于80％，当电流强度为200mA，进样流速为0.5ml/min时，总有机碳的去除率高于90％，同时处理单位质量TOC所需能耗相对较低，为0.15±0.03kW·h/gTOC。
实施例2，某化工企业废水处理：
该化工企业主要从事表面活性剂、药用辅料、合成润滑油的开发及生产，废水初始总有机碳含量4500±150mg/L，电导率5.42ms/cm，电解工艺采用直接电化学氧化与电芬顿结合或者间接电化学氧化与电芬顿结合，阳极材料为掺硼金刚石电极，阴极材料为石墨电极，极板反应面积为3.75cm2，极板间距50μm，废水中加入约0.5mmol/L的Fe2+，电流强度分别为20mA、60mA、100mA和200mA，对应电流密度5.3～53mA/cm2，有机物去除效果及反应所需电耗分别见图4和图5。
由图4可知，通过调整电流强度及进样流速，在电流强度100mA，进样流速0.1ml/min，以及电流强度200mA，进样流速0.3～0.1ml/min条件下，废水中总有机碳的去除率可达到80％，综合考虑有机污染物降解效率及处理成本，选择电流强度100mA，进样流速0.1ml/min时，TOC去除率80％，处理单位质量总有机碳所需能耗为0.23±0.04kW·h/gTOC。
实施例3，某食品加工企业废水处理
经对该食品加工企业废水进行检测，初始总有机碳含量为120±5mg/l，主要成份为马来酸，电导率约为3.8ms/cm，根据废水中有效成分选择间接电化学氧化工艺。阳极材料DSA，阴极镍，极板间距75μm，反应面积3.75cm2。电流强度10mA～100mA(电流密度2.7mA/cm2-27mA/cm2)，进样流速分别为0.5mL/min、0.3mL/min、0.1mL/min。进样流速0.3mL/min，电流强度100mA及进样流速0.1mL/min，电流强度50、100mA条件下，有机物去除效率可达80％以上，处理单位质量有机碳所需能耗0.24±0.06kW·h/gTOC，如图6和图7所示。
实施例4，某化工企业甲酸残留废水处理
该化工企业甲酸残留废水中含甲酸约500±10mg/l,TOC130±2.6mg/l，电导率0.95±0.5ms/cm。选择电芬顿处理工艺对废水进行处理。阳极材料DSA，阴极材料碳毡(carbon felt),极板反应面积3.75cm2，极板间距150μm，电流密度10mA/cm2(电流强度37.5mA)，加入0.05mmolFe2+，通入压缩空气，进样速度分别为0.5mL/min、0.4mL/min、0.3mL/min、0.2mL/min、0.1mL/min。当进样流速为0.2mL/min、0.1mL/min时，总有机碳去除率可达80％以上，去除率90％对应能耗约3.5±0.2kW·h/gTOC，如图8所示。
实施例5，某化工企业废水处理
该化工企业废水主要包含酸性橙7污染物质，初始废水总有机碳含量280±30mg/L，电导率4.39±0.8ms/cm，电解工艺采用直接阳极氧化，间接阳极氧化以及电芬顿三种反应串联的方式，废水依次通过第一个微流体反应器阳极材料BDD阴极材料镍，极板间距50μm，第二个反应器阳极材料DSA阴极材料镍，极板间距120μm，第三个反应器阳极材料阴极材料碳毡(carbon felt)，每组反应器反应面积3.75cm2，总反应面积11.25cm2。反应过程中进样流速，0.3ml/min，每组反应器电流强度7.5mA～75mA(电流密度2-20mA/cm2)，废水中加入0.05mmolFe2+,并通入压缩空气；有机污染物去除效果及能耗见图9和图10。采用三种不同工艺微流体反应器串联，总有机碳去除率可达90％以上，处理单位质量有机碳所需能耗0.13±0.04kW·h/gTOC。

Claims (10)

1.一种微流体反应器对低盐废水的电化学氧化处理装置，其特征在于，沿着流体方向设置有阳极板(3)、隔离膜层(5)和阴极板(4)，隔离膜层(5)用于隔开阳极板(3)和阴极板(4)，阳极板(3)和阴极板(4)的外侧均设置有绝缘垫层(2)，绝缘垫层(2)的外侧设置有外壳(1)；隔离膜层(5)上开设有长条形的反应孔(6)，反应孔(6)用于通过废水导通阳极板(3)和阴极板(4)，外壳(1)、绝缘垫层(2)、阳极板(3)以及阴极板(4)上设置有与反应孔(6)的通道，所述通道包括废水入口一侧的反应器进水通道和水体出口一侧的反应器出水通道，反应器进水通道和反应器出水通道分别连通长条形反应孔(6)的两端。
2.根据权利要求1所述的微流体反应器对低盐废水的电化学氧化处理装置，其特征在于，阳极板为DSA-IrO2/Ta2O5、掺硼金刚石或DSA-RuO2，阴极板为碳毡、石墨或镍。
3.根据权利要求1所述的微流体反应器对低盐废水的电化学氧化处理装置，其特征在于，隔离膜层(5)采用聚四氟乙烯膜，其厚度为50μm～200μm。
4.根据权利要求1所述的微流体反应器对低盐废水的电化学氧化处理装置，其特征在于，绝缘垫层(2)采用橡胶垫，外壳(1)采用不锈钢板。
5.根据权利要求1所述的微流体反应器对低盐废水的电化学氧化处理装置，其特征在于，还包括用于调节水流量和水流速的流量泵。
6.根据权利要求5所述的微流体反应器对低盐废水的电化学氧化处理装置，其特征在于，外壳(1)、绝缘垫层(2)、阳极板(3)以及阴极板上的通道连通有不锈钢管道，不锈钢管道的入口连通流量泵的出水口，绝缘垫层(2)与外壳(1)之间还设置有加固层(7),加固层(7)上设置有与反应孔(6)连通的通道。
7.一种采用权利要求1所述的微流体反应器对低盐废水的电化学氧化处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，根据待处理废水的水质，选择设定好的电化学处理工艺；
步骤2，根据步骤1所用电化学处理工艺选取极板材料，组装微流体反应器，接通电源；
步骤3，微流体反应器组装完毕后，将待处理水体输入反应器。
8.根据权利要求7所述的微流体反应器对低盐废水的电化学氧化处理方法，其特征在于，步骤1中采用的工艺为直接电化学氧化、间接电化学氧化或电芬顿方法。
9.根据权利要求8所述的微流体反应器对低盐废水的电化学氧化处理方法，其特征在于，步骤2中选取极板的规则为：对于直接电化学氧化法，用DSA-IrO2/Ta2O5或掺硼金刚石阳极板(3)，对于间接电化学氧化法时选择DSA-RuO2阳极板(3)；对于电芬顿方法，采用碳毡或石墨作阴极板(4)。
10.根据权利要求7所述的微流体反应器对低盐废水的电化学氧化处理方法，其特征在于，步骤3中待处理水进入反应器的流速0.1～0.5ml/min，电流密度5～75mA/cm2。
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