CN109179584A - 一种强化水力空化产生羟基自由基的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种强化水力空化产生羟基自由基的方法，属于环境保护以及水处理领域。本发明中，当水进行水力空化时，限流区流体流速增大、压力降低，当压力低于相应温度下水的饱和蒸汽压时，溶解在水中的气体释放出来，产生大量空化泡，随着空化泡瞬间溃灭，瞬时产生极端高温、高压和极速微射流，使水发生分裂及链式反应，产生羟基自由基。此外，经水力空化产生含羟基自由基的水进行电催化，在电催化过程中会发生电子跃迁及空穴现象，电子和空穴与膜表面吸附的O2和H2O结合生成羟基自由基。通过建立一种强化水力空化产生高浓度羟基自由基的方法，实现羟基自由基的连续产生。

Description

一种强化水力空化产生羟基自由基的方法
技术领域
本发明涉及环境保护以及水处理技术领域，尤其涉及一种强化水力空化产生羟基自由基的方法。
背景技术
水是生命之源，随着工业现代化的发展和城市化的加速，造成大量工业废水和生活污水超标排放，致使水源污染和水源的短缺已成为世界上许多国家普遍存在的问题，加强污水处理已成为一个迫在眉睫的问题。污水中往往含有大量难以生物降解的有毒有机污染物，需要高级氧化技术进行处理。高级氧化技术的核心主要是利用羟基自由基(·OH)的强氧化性能，在水中会诱发一系列的自由基链反应，将大分子有机物氧化成小分子有机物，并最终矿化为CO2、H2O和少量无机盐。产生·OH的途径较多，主要有Fenton法、臭氧法、电催化法和光催化法、空化法以及电子束辐射法等，已在污水处理方面获得了较大的研究及应用进展，但也存在一些问题，如试剂法适用范围窄，电解氧化法受电极材料和结构、电流密度、电解质及其传质能力等多种因素的影响，光电催化法半导体材料稳定性较低以及成本高。总之，现有的羟基自由基产生方法制取的羟基自由基的效率低、产量小、成本高。
“空化”现象是一种物理现象。根据空化产生的原因，空化一般可以分为声空化、水力空化、光空化和粒子空化。水力空化是一种非常复杂的流体动力现象，是液体所特有的。在水力空化过程中，当局部低压低于相应温度下水的饱和蒸气压时，溶解在水中的气体迅速生长成空化泡，空化泡在溃灭瞬间其中心点会产生高温、高压，并伴随产生一系列极其复杂的多种物理、化学效应，瞬间可释放出巨大能量，产生高浓度的活性自由基，可使水中有机物在高温、高压下被降解。
中国专利CN20141018134.5介绍了一种水力空化协同高浓度活性氧制备轻自由基的方法，该方法通过采用分区激励式大气压平板等离子体反应器阵列，在大气压微流注与微辉光交替促成放电模式下规模化地产生包含O3、O2 +、O2 -等活性粒子的高浓度活性氧，结合水力空化气液混溶技术将高浓度活性氧高传质效率地注入到水中，在与水充分混溶过程中依靠水力空化效应产生的瞬态高温高压促进活性氧转化轻自由基反应的高效进行，并依靠轻自由基链反应维持其存在，依此实现轻自由基的规模化产生；中国专利CN20141085039.5介绍了一种增加空化自由基浓度的水力空化装置，通过高压水流受阻在水力空化腔内形成高压射流，生成空化气泡，利用流体沿壁流动效应游移到高压区，在高压区遇到内壁和调节板障碍发生崩溃，生成大量自由基；中国专利CN20081015693.2介绍了一种超声波协同强电离放电生成羟基自由基的装置及方法，将超声波雾化器的管路和氧气输入管路接入气体混合器的输入端，气体混合器的输出管路连接强电离放电等离子体反应器，电源连接强电离放电等离子体反应器。将液态水经超声波雾化器雾化，雾气与氧气一起进入气体混合器进行混合，然后进入强电离放电等离子体反应器，在高频高压电源的作用下生成羟基自由基。
目前，羟基自由基的产生方法均存在羟基自由基制备方法单一、浓度低、产量小、效率低、成本高等问题，难以实现工程化应用。
发明内容
鉴于此，本发明的目的在于提供一种强化水力空化产生羟基自由基的方法。本发明基于水力空化和电催化技术，利用水力空化空化泡溃灭及电催化电子跃迁及空穴电催化效应，充分发挥水力空化与电催化之间的协同效应，强化水力空化产生羟基自由基。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
一种强化水力空化产生羟基自由基的方法，包括以下步骤：
将水进行水力空化，得到含羟基自由基的水；
将所述含羟基自由基的水进行电催化，强化水力空化产生羟基自由基。
优选地，所述水力空化的入口压力为0.2～0.5MPa，水温为20～50℃，空化时间为30～120min。
优选地，所述水力空化的入口压力为0.3MPa，水温为30℃，空化时间为60min。
优选地，所述电催化在电催化膜中进行，所述电催化膜的电压为1.0～5.0V，流速为0.5～5.0mL/min。
优选地，所述电催化膜电压为3.0V，流速为1.5mL/min。
优选地，所述电催化膜包括炭膜、金属膜或Ti4O7膜。
优选地，所述电催化以电催化膜为阳极，不锈钢网为阴极，两极之间由橡胶圈隔开，并通过导线与电源连接。
优选地，所述水力空化在文丘里管空化器或多孔孔板空化器中进行。
优选地，所述多孔孔板空化器的孔直径为1.2mm，孔数为49个，厚度为5mm。
优选地，所述含羟基自由基的水还包括经死端过滤处理后再进行电催化。
本发明提供了一种强化水力空化产生羟基自由基的方法，包括以下步骤：将水进行水力空化，得到含羟基自由基的水；将所述含羟基自由基的水进行电催化，强化水力空化产生羟基自由基。水力空化过程中，当流体流过管路收缩装置的截面时，由于收缩装置的限流作用，限流区流体流速增大、压力降低，当压力低于流体相应温度下的饱和蒸汽压时，溶解在流体中的气体释放出来，同时流体本身也产生大量空化泡，随着流体周围压力迅速恢复，空化泡瞬间溃灭，产生1000～5000K的瞬时高温和50MPa以上的瞬时高压以及速度大于400km/h的微射流。空泡溃灭产生的瞬时高温、高压，除了能促进有机物的直接降解，同时也能使水蒸汽在高温高压下发生分裂及链式反应：H2O→·OH+·H，产生·OH；电催化是在电化学反应的基础上，利用一些电催化材料作为电极或者是作为电极表面的修饰催化材料，从而降低反应的活化能，在一定程度上提高电化学的反应效率，通过电催化膜直接氧化或间接氧化产生的·OH氧化剂。本发明中，当水进行水力空化时，限流区流体流速增大、压力降低，当压力低于相应温度下水的饱和蒸汽压时，溶解在水中的气体释放出来，产生大量空化泡，随着空化泡瞬间溃灭，瞬时产生极端高温、高压和极速微射流，使水发生分裂及链式反应，产生羟基自由基。此外，经水力空化产生含羟基自由基的水进行电催化，在电催化过程中会发生电子跃迁及空穴现象，电子和空穴与膜表面吸附的O2和H2O结合生成羟基自由基。通过建立一种强化水力空化产生高浓度羟基自由基的方法，实现羟基自由基的连续产生。羟基自由基是一个中间体，半衰期短，不能储存，只能结合具体应用即时产生，可通过水力空化强化电催化膜集成耦合技术不断产生，实现轻自由基的规模化产生，利用水力空化空化泡溃灭及电催化电子跃迁及空穴电催化效应，充分发挥水力空化与电催化之间的协同效应，在水中产生羟基自由基，为高级氧化水处理工程应用提供一种高效制备轻自由基的方法，用于氧化降解水中有机污染物、灭活微生物。且该方法工艺简单，羟基自由基产生效率高，成本低。
进一步地，强化水力空化产生羟基自由基的量主要由水力空化的入口压力、水温、空化时间以及电催化膜技术单元的电压、流速因素有关，实施例的数据表明，本发明产生的羟基自由基含量为39.82～56.17μg/L。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为强化水力空化产生羟基自由基的装置图，
图中1-泵、2-控制阀、3-压力传感器、4-水力空化器、5-温度传感器、6-冷却管、7-原水箱、8-电催化膜组件、9-中间水箱、10-蠕动泵、11-直流电源、12-终端水箱。
具体实施方式
本发明提供了一种强化水力空化产生羟基自由基的方法，包括以下步骤：
将水进行水力空化，得到含羟基自由基的水；
将所述含羟基自由基的水进行电催化，强化水力空化产生羟基自由基。
本发明将水进行水力空化，得到含羟基自由基的水。在本发明中，所述水力空化的入口压力优选为0.2～0.5MPa，更优选为0.3MPa，水温优选为20～50℃，更优选为30℃，空化时间优选为30～120min，更优选为60min。本发明中，优选通过冷气管控制水的温度。
在本发明中，所述水力空化优选在文丘里管空化器或多孔孔板空化器中进行。
在本发明中，所述多孔孔板空化器的孔直径优选为1.2mm，孔数优选为49个，厚度优选为5mm。
在本发明中，所述含羟基自由基的水优选还包括经死端过滤处理后再进行电催化。
得到含羟基自由基的水后，本发明将所述含羟基自由基的水进行电催化，强化水力空化产生羟基自由基。
在本发明中，所述电催化优选在电催化膜中进行，所述电催化膜的电压优选为1.0～5.0V，更优选为3.0V；流速优选为0.5～5.0mL/min，更优选为1.5mL/min。
在本发明中，所述电催化膜优选包括炭膜、金属膜或Ti4O7膜。
在本发明中，所述电催化优选以电催化膜为阳极，不锈钢网为阴极，两极之间由橡胶圈隔开，并通过导线与电源连接。
本发明中，当水进行水力空化时，限流区流体流速增大、压力降低，当压力低于相应温度下水的饱和蒸汽压时，溶解在水中的气体释放出来，产生大量空化泡，随着空化泡瞬间溃灭，瞬时产生极端高温、高压和极速微射流，使水发生分裂及链式反应，产生羟基自由基。此外，经水力空化产生含羟基自由基的水进行电催化，在电催化过程中会发生电子跃迁及空穴现象，电子和空穴与膜表面吸附的O2和H2O结合生成羟基自由基。通过建立一种强化水力空化产生高浓度羟基自由基的方法，实现羟基自由基的连续产生。羟基自由基是一个中间体，半衰期短，不能储存，只能结合具体应用即时产生，可通过水力空化强化电催化膜集成耦合技术不断产生，实现轻自由基的规模化产生，利用水力空化空化泡溃灭及电催化电子跃迁及空穴电催化效应，充分发挥水力空化与电催化之间的协同效应，在水中产生羟基自由基，为高级氧化水处理工程应用提供一种高效制备轻自由基的方法，用于氧化降解水中有机污染物、灭活微生物。且该方法工艺简单，羟基自由基产生效率高，成本低。
本发明对所述强化水力空化产生羟基自由基的方法的装置没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的装置即可。
图1为强化水力空化产生羟基自由基的装置图。强化水力空化产生羟基自由基系统主要由水力空化技术单元和电催化膜技术单元组成。水力空化技术单元包括1-泵、2-控制阀、3-压力传感器、4-水力空化器、5-温度传感器、6-冷却管、7-原水箱，其中水力空化器是水力空化技术单元的核心，6-冷却管用来控制原水的温度；电催化膜技术单元包括8-电催化膜组件、10-蠕动泵、11-直流电源、12-终端水箱，9-中间水箱，其中电催化膜组件是电催化膜技术单元的核心，电催化膜为阳极，不锈钢网为阴极，两极之间由橡胶圈隔开，并通过导线与电源连接，组成电催化膜组件。
下面结合实施例对本发明提供的强化水力空化产生羟基自由基的方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
将10L去离子水置于原水箱中，选择多孔孔板水力空化器，水力空化器的孔直径为1.2mm、孔数为49个、孔板厚度为5mm，圆形均匀排列，水温度为30℃，入口压力为0.3MPa，空化时间为60min，产生的含羟基自由基的水进入中间水箱中。然后，经水力空化产生的含羟基自由基的水通过死端过滤方式进入电催化膜进行电催化，强化产生羟基自由基，产水进入终端水箱。选择炭基电催化膜为阳极，不锈钢网为阴极，电催化膜的直流电压为3.0V，流速为1.5mL/min。经电催化膜强化水力空化产生的含羟基自由基的水，通过亚甲基蓝(MB)分光光度法检测水中羟基自由基的含量，羟基自由基含量为39.82μg/L。
实施例2
将5L去离子水置于原水箱中，选择多孔孔板水力空化器，水力空化器的孔直径为1.2mm、孔数为49个、孔板厚度为5mm，圆形均匀排列，水温度为30℃，入口压力为0.3MPa，空化时间为60min，产生的含羟基自由基的水进入中间水箱中。
然后，经水力空化产生的含羟基自由基的水通过死端过滤方式进入电催化膜进行电催化，强化产生羟基自由基，产水进入终端水箱。选择炭基电催化膜为阳极，不锈钢网为阴极，电催化膜的直流电压为2.0V，流速为2.0mL/min。经电催化膜强化水力空化产生的含羟基自由基的水，通过亚甲基蓝(MB)分光光度法检测水中羟基自由基的含量，羟基自由基含量为56.17μg/L。
对比例
将10L去离子水置于原水箱中，选择多孔孔板水力空化器，水力空化器的孔直径为1.2mm、孔数为49个、孔板厚度为5mm，圆形均匀排列，入口压力为0.3MPa，水温度为30℃，空化时间为60min，通过亚甲基蓝(MB)分光光度法检测水中羟基自由基的含量，此条件下单独水力空化产生含羟基自由基的含量为10.26μg/L。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种强化水力空化产生羟基自由基的方法，包括以下步骤：
将水进行水力空化，得到含羟基自由基的水；
将所述含羟基自由基的水进行电催化，强化水力空化产生羟基自由基。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述水力空化的入口压力为0.2～0.5MPa，水温为20～50℃，空化时间为30～120min。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述水力空化的入口压力为0.3MPa，水温为30℃，空化时间为60min。
4.根据权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于，所述电催化在电催化膜中进行，所述电催化膜的电压为1.0～5.0V，流速为0.5～5.0mL/min。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述电催化膜电压为3.0V，流速为1.5mL/min。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述电催化膜包括炭膜、金属膜或Ti4O7膜。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述电催化以电催化膜为阳极，不锈钢网为阴极，两极之间由橡胶圈隔开，并通过导线与电源连接。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述水力空化在文丘里管空化器或多孔孔板空化器中进行。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述多孔孔板空化器的孔直径为1.2mm，孔数为49个，厚度为5mm。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述含羟基自由基的水还包括经死端过滤处理后再进行电催化。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111646655A (zh) * 2020-06-30 2020-09-11 广东源控环保科技有限公司 一种水力空化减泥的aa/o处理工艺
CN113149162A (zh) * 2021-05-31 2021-07-23 北京纳米能源与系统研究所 羟基自由基产生方法、有机废水处理方法及装置

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1396121A (zh) * 2002-08-22 2003-02-12 上海交通大学 双极氧化电化学废水处理方法
CN103193310A (zh) * 2013-03-13 2013-07-10 浙江工业大学 文丘里管与多孔板组合式水力空化反应室

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1396121A (zh) * 2002-08-22 2003-02-12 上海交通大学 双极氧化电化学废水处理方法
CN103193310A (zh) * 2013-03-13 2013-07-10 浙江工业大学 文丘里管与多孔板组合式水力空化反应室

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
HUGO OLVERA-VARGAS,JEAN-CHRISTOPHE ROUCH,CLÉMENCE COETSIER: "Dynamic cross-flow electro-Fenton process coupled to anodic oxidation forwastewater treatment: Application to the degradation of acetaminophen", 《SEPARATION AND PURIFICATION TECHNOLOGY》 *
JONGBOK CHOI, MINGCAN CUI, YONGHYEON LEE, JEONGGWAN KIM: "Hydrodynamic cavitation and activated persulfate oxidation for degradation", 《CHEMICAL ENGINEERING JOURNAL》 *
李奎: "强化水力空化对水中石油污染物降解效能的研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技Ⅰ辑》 *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111646655A (zh) * 2020-06-30 2020-09-11 广东源控环保科技有限公司 一种水力空化减泥的aa/o处理工艺
CN111646655B (zh) * 2020-06-30 2021-08-20 广东源控环保科技有限公司 一种水力空化减泥的aa/o处理工艺
CN113149162A (zh) * 2021-05-31 2021-07-23 北京纳米能源与系统研究所 羟基自由基产生方法、有机废水处理方法及装置

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