CN109534458A - 一种脉冲流化床电极装置 - Google Patents

Abstract

本发明专利公开了一种脉冲流化床电极装置，结构包括供液系统、流化床和电极系统；所述供液系统由储液槽、磁力泵、活塞泵、转子流量计组成；所述流化床包括矩形床体和预分布器组成，床体上部侧壁上设置有流化液出口，床体下部侧壁设置有出料口；所述电极系统由直流稳定电源、阳极板、阴极板、阳极隔膜组成；本装置适用于含重金属离子废水的电解，减少或消除流化中的死区、沟流和颗粒粘结等不良现象，提高流化床电极的电流效率和时空效益,降低含重金属离子废水的处理成本。

Description

一种脉冲流化床电极装置

技术领域

本发明属于电化学方法处理含重金属离子废水的技术领域，涉及一种流化床电极装置。

背景技术

矿山、冶金、电镀、电子产品制造、印染以及农药等行业生产过程中会产生大量重金属离子废水，这些含有重金属离子的废水进入水体和土壤，会抑制生物的生长繁殖，破坏生态循环。并且由于排入环境中的重金属离子不能被生物降解或转换为无害物质，而在动物体内和植物中积累，最终通过食物链进入人体内，会严重危害人们的身体健康。因此，开发高效经济的重金属离子废水的处理回收技术有重大的现实意义。

含重金属离子废水的治理方法很多，常用的有化学沉淀法和电解法。化学沉淀法处理含重金属离子废水是以沉淀反应为基础，选择合适的沉淀剂与重金属离子反应生成沉淀物，使之从废水中分离除去。该方法需投加氧化剂、沉淀剂、絮凝剂等化学药品，存在二次污染、处理流程复杂等问题，且设备体积大，金属回收率低。电解法则是利用金属离子在阴极还原沉积达到去除同时回收废水中金属离子的目的。采用电解法处理含重金属离子的废水，一般无需添加化学药品、操作灵活简便、流程简单，能直接回收金属，不产生二次污染，通常被称为清洁处理法。但当溶液中金属离子浓度较低时（如低于1 g/l），采用传统的平板电化学反应器浓差极化大，电流效率低，回收成本高。因此如何减小浓差极化，提高电流效率，降低回收成本是电解法的关键。

为克服平板电极在低浓度废水处理方面的不足，研究者对流化床电极进行了大量研究。流化床电极是在传统的二维电解槽电极间装填导电颗粒作为流态化阴极，调节电解液的流速使颗粒流化，引入电场后，颗粒电极表面带电，电化学反应在颗粒表面发生。由于颗粒的随机运动和颗粒间的频繁碰撞，液体与颗粒间的传质与电荷传递速率大大加快，使浓差极化和电化学极化现象大为削弱，从而可以显著提高反应器的电流效率，降低处理成本。同时，流化床电极的比表面积为平板电极的数百倍，所以电化学反应可以在较大的槽电流下进行，单位体积反应器的反应速率大大增加，设备体积大大减小，占地空间也减少。此外，流化床电极结构简单，更换电极极片和清洗颗粒方便，所以反应器的建造和维护成本低。因此，用用流化床电极处理含重金属离子的废水可获得较高的电流效率和可观的时空效益，特别适用于其它方法不能奏效的含低浓度金属离子废水的处理。但研究表明，为了维持较高的电流效率，流化床电极需要在低床层膨胀率条件下操作，若采用传统流化床，此时流化不稳定，易出现“沟流”和“死区”，并在死区产生结块，使操作难以持续稳定进行，从而使流化床电极的优越性得不到充分发挥，严重限制了流化床电极的应用。

发明内容

本发明的目的在于针对现有流化床电极的不足，提供一种脉冲流化床电极装置，以减少或消除流化过程中的沟流、死区、颗粒粘连等缺点，提高流化床电极的电流效率和时空效益，降低含重金属离子废水的处理成本。

本发明所述脉冲流化床电极包括供液系统、流化床和电极系统。所述供液系统由储液槽、磁力泵、活塞泵、转子流量计组成；所述储液槽的出液口设置两个分支管路，支路一通过管路与磁力泵、转子流量计依次连通形成稳定液支路；支路二通过管路与活塞泵的进液口连通形成脉冲液支路，两个分支管路在流化床进液口处合并进入流化床。所述流化床包括矩形床体、预分布器；所述床体的底部设置有预分布器，预分布器为倒四棱锥体，下端顶角设置有进液口，用于与供液系统的稳定液支路和脉冲液支路合并后的供液管相连；预分布器上端设有矩形多孔板作为分布板，并在分布板上敷设一层滤网；床体上部侧壁上设置有流化液出口，床体下部侧壁设置有出料口。所述电极系统由直流稳定电源、阳极板、阴极板、阳极隔膜组成；所述阳极板与阴极板固定在床体两侧的插槽中，阳极隔膜贴在阳极板上，阳极板和阴极板分别通过导线连接到电源的正负极。上述脉冲流化床电极装置，在直流电源正极出口与阳极板间安装有测试电流密度的电流表，在直流电源正极出口与负极出口间有安装有测试电路电压的电压表。

上述脉冲流化床电极装置，定时从流化床出液口取样测量溶液金属离子浓度。

本发明所述脉冲流化床电极装置的工作流程：在储液槽中加入一定量的电解液，从流化床顶部加入金属颗粒，开启磁力泵和活塞泵，储液槽出口的电解液分成两条支路。支路一通过管路与磁力泵、转子流量计依次连通形成稳定液支路，稳定流化液使颗粒稳定、低膨胀率流化；支路二通过管路与活塞泵的进液口连通形成脉冲液支路，脉冲液使床层周期性的松动，减少沟流和颗粒粘结，两个分支管路在流化床进液口处合并进入流化床。流化液穿透经过床层中的金属颗粒，带动颗粒流化后，流化液通过流化床床体上部的循环液出口经管道回到电解槽。待流化稳定后打开电极电源，导电颗粒通过不停接触阴极板或颗粒间相互接触而带电，流化液中的金属离子在颗粒表面得到电子而沉积在颗粒表面。流化过程中通过调节电流表和电压表对电极系统的电流和电压设定，电解一段时间后，从流化液出口取样，测定电解液中金属离子浓度，从而判定电极流化床效果。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

（1）本发明为含重金属离子的废水提供了一种新的处理装置，适用于床层膨胀率低的流化床；

（2）本发明所述脉冲流化床电极装置将脉冲流化液引入流化床电极，脉冲流化液有利于促进颗粒周期性分散，抑制沟流和颗粒粘结，实现金属颗粒的稳定流化，进一步改善含重金属离子的废水的处理效率。将脉冲液引入流化床，通过稳定流化液和脉冲流化液的协调配合，使颗粒在流化床中的堆积方式不停的周期性发生改变，减少能耗，处理效果好，改善了普通流化床电极存在的流化过程中出现的沟流和死区等技术问题，实现颗粒均一稳定流化，并且床层膨胀率低，回收铜效果更好；

（3）本发明所述脉冲流化床电极装置结构简单，操作容易，适应性强。

附图说明

图1为本发明所述脉冲流化床电极装置的结构示意图。

图2为本发明所述脉冲流化床电极装置的流化床电极截面示意图。

图中1—储液槽，2—活塞泵，3—磁力泵，4—转子流量计，5—接口，6—预分布器，7—床体，8—阴极板，9—循环液出口，10—阳极隔膜，11—阳极板，12—出料口，13—电流表，14—电压表，15—直流稳定电源。

具体实施方式：

下面通过具体实施方式对本发明所述脉冲流化床电极装置作进一步说明。

实施例

本实施例中，脉冲流化床电极装置结构由图1、图2所示，本发明所述脉冲流化床电极装置，结构包括供液系统、流化床和电极系统；所述供液系统由储液槽1、活塞泵2、磁力泵3、转子流量计4组成，所述储液槽的出液口设置两个分支管路，支路一通过管路与磁力泵、转子流量计依次连通形成稳定液支路，支路二通过管路与活塞泵的进液口连通形成脉冲液支路，两个分支管路在流化床进液口合并进入流化床；所述流化床包括矩形床体7、预分布器6；所述床体的底部设置有预分布器，预分布器为倒四棱锥体，下端顶角设置有进液口5，用于与供液系统的稳定支路和脉冲液支路合并后的供液管相连，预分布器上端设有矩形多孔板作为分布板，并在分布板上敷设一层滤网；床体上部侧壁上设置有循环液出口9，床体下部侧壁设置有出料口12；所述电极系统由直流稳定电源15、阳极板11、阴极板8、阳极隔膜10组成；所述阳极板与阴极板固定在床体两侧的插槽中，阳极隔膜贴在阳极板上，阳极板和阴极板分别通过导线连接到电源的正负极。流化床筒体为长方体，由厚度为5 mm的有机玻璃制成，横截面为50 mm×15 mm的矩形，高度为200mm；分布板上开有直径1mm的小孔，开孔率为6%，由厚度为3 mm的有机玻璃制成；滤网是一层200目的滤布；阴电极是一块50 mm×100mm×1 mm的纯铜板，阳极是一块50 mm×100 mm×1 mm的铅锑合金电极；阳极隔膜采用300目的尼龙滤布；实施例中的含铜离子废水由硫酸铜配制而成，Cu²⁺的浓度为1 g/L，并用硫酸调节废水酸度。实施例中采用直径为0.33 mm-1.17 mm的铜颗粒，重量为100 g。所述转子流量计安装在垂直进液管道上，并在使用之前进行流量校准；流化液的流量是实验测定最小流化速度的1.1倍，保证重金属颗粒的低膨胀率。本实施例电压表14和电流表13采用UNI-T60B、UNI-T58E万用表，调节电极电路中的电压和电流。

采用所述脉冲流化床电极装置进行具体实验时：处理含1000 mg/L铜离子废水，硫酸浓度0.6 mol/L，槽电压2.5 V，电解140分钟，铜回收率可达99.98%，铜离子浓度可降到0.25 ppm。

Claims (5)

1.一种脉冲流化床电极装置,其特征在于结构包括供液装置、流化床和电极装置;所述供液装置由储液槽(1)、磁力泵(3)、活塞泵(2)、转子流量计(4)组成, 所述储液槽的出液口设置两个分支管路，支路一通过管路与磁力泵(3)、转子流量计(4)依次连通形成稳定液支路；支路二通过管路与活塞泵(2)的进液口连通形成脉冲液支路，两个分支管路在流化床进液口处合并进入流化床;所述流化床包括矩形床体(7)、预分布器(6)；所述床体的底部设置有预分布器(6)，预分布器为倒四棱锥体，下端顶角设置有进液口(5)，用于与供液系统的稳定液支路和脉冲液支路合并后的供液管相连；预分布器上端设有矩形多孔板作为分布板，并在分布板上敷设一层滤网；床体上部侧壁上设置有流化液出口(9)，床体下部侧壁设置有出料口(11)；所述电极系统由直流稳定电源(15)、阳极板(11)、阴极板(8)、阳极隔膜(10)组成；所述阳极板与阴极板固定在床体两侧的插槽中，阳极隔膜(10)贴在阳极板上，阳极板(11)和阴极板(8)分别通过导线连接到电源的正负极；上述脉冲流化床电极装置，在直流电源正极出口与阳极板间安装有测试电流密度的电流表(13)，在直流电源正极出口与负极出口间有安装有测试电路电压的电压表(14)。

2.根据权利要求1所述脉冲流化床电极装置,其特征在于供液装置中,储槽出液口分为两个支路,支路一通过管路与磁力泵（3）、转子流量计（4）依次连通形成稳定液支路; 支路二通过管路与活塞泵（2）的进液口连通形成脉冲液支路，两个分支管路在流化床进液口处合并进入流化床。

3.根据权利要求1所述脉冲流化床电极装置,其特征在于在电极装置中, 在直流电源正极出口与阳极板间安装有测试电流密度的电流表（13），在直流电源正极出口与负极出口间有安装有测试电路电压的电压表（14）。

4.根据权利要求1所述脉冲流化床电极装置, 其特征在于所述分布板上覆盖有一层用于防止铜颗粒沿分布板上的小孔漏出的滤布。

5.根据权利要求1所述脉冲流化床电极装置，其特征在于电极装置中，在阳极板（11）上覆盖有一层用于防止铜颗粒直接接触阳极板的滤布。