CN109592750A - 一种用于污水处理的自生电压颗粒微电极及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于污水处理的自生电压颗粒微电极及制备方法，属于污水处理领域。本发明包括内部结构和外部结构，其中内部结构包括：磁生电装置、导线和封装体；外部结构包括：球型壳体及分布在球型壳体上的正、负电极；所述球型壳体内的正、负电极通过导线分别与磁生电装置上的线圈两端相连，使正、负电极存在电位差，球型壳体外的所有正、负电极的端部均装有绝缘安全帽。本发明在无需外接电源、不消耗材料的情况下产生持久电位差，球型壳体外围可涂覆催化材料，高效去除废水中高浓度有机物和重金属离子、提高可生化性，并能彻底解决传统微电解技术运行过程中的填料钝化、板结等问题。

Description

一种用于污水处理的自生电压颗粒微电极及制备方法

技术领域

本发明涉及一种废水处理装置及其制备方法，特别是涉及一种用于污水处理的自生电压颗粒微电极及制备方法。

背景技术

随着社会的进步和人类生活水平的提高，产生的各种工业废水、生活污水越来越多，对水环境质量和人类健康的危害也日趋严峻。因此需要对污废水进行处理，使其达标排放或循环利用，节约水资源。

对于高浓度难降解有机废水(COD一般均在2000mg/L以上，BOD₅/COD值一般均在0.3以下甚至更低)如石油类废水、焦化废水、制药废水、纺织/印染废水、油漆废水及化工废水的处理，通常需要经预处理后再进行生物降解。

现有的预处理方法主要包括混凝沉淀、气浮、电解、Fenton氧化、臭氧及光催化氧化等及其组合工艺。其中微电解技术是高浓度有机废水预处理的一种理想工艺，它是在不通电的情况下，利用填充在废水中的微电解材料自身产生的电位差对废水进行电解处理，以达到降解有机污染物和提高可生化性的目的。

铁在酸性条件下释放铁离子生成新生态Fe²⁺，Fe²⁺具有氧化-还原作用，能与废水中的许多组分发生氧化还原反应：(1)将六价铬还原为三价铬；(2)将汞离子还原为单质贡；(3)将硝基还原为氨基；(4)将偶氮废水的有色基团或助色基团氧化一还原，达到降解脱色作用，提高废水的可生产化性。生成的Fe²⁺调节pH值进一步产生Fe³⁺；Fe³⁺是一种很好的絮凝剂，它们的水合物具有较强的吸附-絮凝作用。Fe在碱的作用下进一步产生氢氧化亚铁和氢氧化铁胶体絮凝剂，它们的吸附能力远远高于外加化学药剂,分散在污水中的悬浮物、有毒物、金属离子及有机大分子能被吸附—絮凝沉淀，絮凝效果较好。

传统铁碳微电解以废铁屑为材料，具有以废治废的意义。但该种材料在实际应用中存在易板结和填料更换频繁等问题，且在反应过程中铁消耗而碳不消耗，导致添加填料不能按要求比例进行，影响处理效率。公开号CN106139835A中提到一种铁碳微电解填料的制备方法：将赤铁矿粉、焦炭原粉、椰壳粉、碳基粘合剂按照质量百分比为79％、13％、5％、3％混合均匀，将混合后的原料制作成椭圆颗粒填料，然后经过烘干、焙烧、冷却得到椭圆型微电解填料。此发明的优点在于填料的制备方法简单、原材料充裕、成本低廉，对有机物的去除效率高，使用周期长，不易钝化、堵塞和板结。缺点是由于铁与炭是物理接触，之间很容易形成隔离层使微电解不能继续进行而失去作用，这就不可避免的频繁地更换微电解材料，对处理效果和效率产生影响，且工作量大。

发明内容

本发明的目的是：提供一种用于污水处理的自生电压颗粒微电极及制备方法，利用该颗粒微电极处理污水能够有效降解污水中的有机污染物和重金属离子，提高污水的可生化性。

本发明是通过以下技术解决方案，实现上述发明目的：

一种用于污水处理的自生电压颗粒微电极，包括内部结构和外部结构，所述内部结构包括：磁生电装置、导线和封装体；外部结构包括：球型壳体及分布在球型壳体上的正、负电极；所述球型壳体内的正、负电极通过导线分别与磁生电装置上的线圈两端相连，使正、负电极存在电位差，球型壳体外的所有正、负电极端部均装有绝缘安全帽。

本发明所述磁生电装置包括：基座、永磁体磁力球，所述基座的内腔为中空球形，基座内放置有永磁体磁力球，基座外表面上至少缠绕一组线圈，永磁体磁力球在中空球形的空腔内移动旋转生电。

所述磁生电装置第二种实现方式:包括两个并列竖直设置的形状大小完全相同的圆环形磁铁，在圆环形磁铁侧壁上设有线圈，所述线圈为螺旋形结构。

所述磁生电装置第三种实现方式:包括一个圆环形磁铁和两个形状大小相同的小圆环形磁铁、发电机、转接盘，所述转接盘一端面上固定安装有两个小圆环形磁铁，两个小圆环形磁铁相互垂直设置；转接盘与发电机轴固定连接，圆环形磁铁固定安装在发电机外壳轴端处，圆环形磁铁内径与发电机外壳外径相配合。

所述磁生电装置第四种实现方式:包括两个形状大小相同的圆环形磁铁、发电机、圆形磁铁、转接盘，两个形状大小相同的圆环形磁铁以同极相邻的方式水平放置，并在两个圆环形磁铁的最大斥力位置处安装固定，圆形磁铁固定安装在转接盘上，转接盘与发电机轴固定连接，电机固定安装两个圆环形磁铁的一侧，圆形磁铁处于两个圆环形磁铁的中部。

本发明所述球型壳体上的正、负电极均匀分布，且正、负电极相间设置。

所述颗粒微电极的密度与废水密度的差值范围在0-60kg/m³。

本发明球型壳体上正、负电极之间的距离为0.5-12mm，电极材料为金属、碳材料或复合材料。

所述球型壳体的直径与正、负电极长度的比值范围为3:1-1:1。

本发明自生电压颗粒微电极的制备方法，包括以下步骤：

(1)将聚氯乙烯PVC进行建模，制成中空球体的长方体结构基座(2)；

(2)将永磁体磁力球(1)置于基座(2)的空腔中；

(3)在基座(2)的外围至少缠绕一组线圈(3)，线圈(3)的至少两个端头分别置于靠近基座(2)的端角处；

(4)在线圈(3)外围，采用硬PVC(聚氯乙烯)进行建模，制成球形封装体(4)；

(5)将线圈(3)的端头均穿过球形封装体(4)，通过导线(5)与球型壳体(6)内的正、负电极(7)相连；所述正、负电极(7)的排布方式：在球型壳体(6)的最大外径处开始均布电极翼片，电极翼片以正、负电极(7)相间设置的方式从最大外径处向两极分布,使相邻两层电极翼片的电性相反，即相邻两层电极翼片连接在同一组线圈的两端；

(6)位于球型壳体(6)外部的正、负电极(7)的端部均包裹有绝缘安全帽(8)，制成自生电压颗粒微电极；

(7)通过调节基座(2)空腔的体积，控制自生电压颗粒微电极整体的密度与废水的密度保持相近，保证在处理废水时，自生电压颗粒微电极在废水中处于悬浮状态。

本发明优势在于：

所述自生电压颗粒微电极能够自生产生持久电压，正、负电极具有连续的放电势能，具有更高的处理效率。

所述自生电压颗粒微电极使用寿命长，能够循环使用，不产生废物。

所述自生电压颗粒微电极不会产生钝化和板结等现象。

所述自生电压颗粒微电极的密度可控，能悬浮于水中，具有易操作、设备简单、无二次污染。

使用本发明处理污水时，对污水的适应性广泛，无需调节污水的pH值。

当本发明应用于曝气过程时，自生电压颗粒微电极内自发产生电压，使得正、负电极始终存在电压，由于本发明球形壳体表面分布正负相间、排布密集的电极，相邻正负电极之间形成微电压，在其作用空间构成一个电场，故形成明显的群效应现象，能够降解某些普通微电极难以降解的有机物。

能破坏有色废水中的有色物质的发色基团或助色基团，甚至断链，达到降解脱色的作用。

(1)经微电解处理后会在水中形成原生态的亚铁或铁离子，具有比普通混凝剂更好的混凝作用，无需再加铁盐等混凝剂。

(2)微电解的反应床表面能够通过强氧化性的Fenton反应降解有机污染物，有效提高COD、色度的去除率，并且不会对水造成二次污染；不但可以达到化学沉淀除磷的效果，还可以通过还原除重金属。

(3)电极翼片增大了微电极的表面积，可作为生物处理的前处理工艺，利于污泥的沉降和生物挂膜。

(4)相比于普通微电极，本发明的自生电压颗粒微电极在降解有机污染物方面体现了更高的价值。

附图说明

图1为本发明中自生电压颗粒微电极横截面图；

图2为本发明中电极翼片电性分布图；

图3为本发明磁生电装置实施方式结构示意图；

图4为本发明磁生电装置实施方式结构示意图；

图5为本发明磁生电装置实施方式结构示意图；

图6为本发明磁生电装置实施方式结构示意图。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例，对本发明的技术方案做进一步作描述，但是本发明的保护范围并不限于这些实施例。凡是不背离本发明构思的改变或等同替代均包括在本发明的保护范围之内。

实施例1

(1)结构

本发明包括内部结构和外部结构，所述内部结构包括：磁生电装置、导线和封装体4；外部结构包括：球型壳体6及分布在球型壳体6上的电极翼片,电极翼片的分布以正、负电极7相间方式设置,即从最大外径处向两极分布,使相邻两层电极翼片的电性相反，相邻两层电极翼片的正、负电极7通过导线5分别与磁生电装置上的同一组线圈的两端相连，使正、负电极存在电位差，位于球型壳体外的正、负电极7的电极翼片端部均包裹有由硬PVC(聚氯乙烯)制成绝缘安全帽8。

磁生电装置结构：采用硬PVC(聚氯乙烯)材料制成中空球体的长方体结构作为基座2，在基座2的中空球体空腔内放置有能够自由移动旋转的永磁体磁力球1，中空球体的空腔直径是永磁体磁力球1直径的1.5-2倍，永磁体磁力球1作为内核，粒径为10-25mm，通过调节基座2空腔的体积，控制自生电压颗粒微电极整体的密度与废水的密度保持相近，保证在处理废水时，颗粒微电极在废水中处于悬浮状态。

在基座2长方体外壳的横向和纵向上分别缠绕有线圈3，横、纵两组线圈3的两端共有四根导线接头，四根导线接头分别位于靠近长方体基座2的四个角处，在线圈3外围采用硬PVC(聚氯乙烯)进行建模，制成球形封装体4，所述四根导线接头穿过封装体4；其中：基座2横向缠绕的线圈3产生的两个导线接头中，一端头通过导线5与球型壳体6内相邻两层正、负电极中的正电极7相连接，另一端头通过导线5与球型壳体6内相邻两层正、负电极中的负电极7相连；而基座2纵向缠绕的线圈3产生的两个导线接头中，一端头通过导线5与球型壳体6内相邻两层正、负电极中的正电极7相连接，另一端头通过导线5与球型壳体6内相邻两层正、负电极中的负电极7相连，使正、负电极7存在电位差，制成自生电压颗粒微电极。如图1所示。

(2)自生电压的方式

将本发明投入到实际应用时，随着自生电压颗粒微电极在污水中的不规则运动，自生电压颗粒微电极中的永磁体磁力球1在基座2中空球体空腔内发生无规则转动，使缠绕在磁生电装置上的线圈3的磁通量发生变化，在线圈3导线的两端产生电位差，即产生电压。如图2所示。

(4)污水处理试验

试验原理：正电极作为阳极，发生氧化氧化反应，曝气过程中，可以在曝气池中添加铁屑，Fe在正电极(阳极)发生氧化反应生成Fe²⁺和Fe³⁺，而重金属(Cd、Cr、Cu等)和有机污染物(多氯联苯、酚类化合物、苯并芘等)则会在负电极(阴极)发生还原反应，使污染物还原成还原态,使部分难降解环状有机物环裂解,生成相对易降解的开环有机物,提高了BOD₅/COD之比,从而提高废水的可生化性；另一方面产生的Fe²⁺可以与H₂O₂作用产生具有高活性的羟基自由基，能够氧化去除难降解的有机物。在微电极周围电场的作用下,废水中以胶体状态存在的污染物可在很短的时间内完成电泳沉积作用,即带电的胶粒向带有相反电荷的电极移动,在静电引力和表面能的作用下,附集并沉积在电极上去除色度和COD。

可通过如下试验方法进行检测：

a.静态微电解试验方法：

在烧杯中加入本发明自生电压颗粒微电极，烧杯底部放置一曝气头以作曝气装置；将需要处理的废水倒入烧杯中刚好没过微电极，打开曝气机进行曝气；气水比控制在3：1以内(注：水面表现沸腾即可)；分别在30分钟、60分钟、90分钟、120分钟四个时间点取样进行检测各种数据。

b.动态微电解试验方法：

动态试验可做模拟反应器放置现场进行连续性试验，试验微电解处理时间为60min，则一组微电极每小时可处理废水0.6m³，若试验处理30min，则一组微电极每小时可处理水量为：60/30*0.6＝1.2m³水；依此类推。

所得试验结果归纳如下表所示：

表1废水处理效果

实施例2

本实施例中磁生电装置结构：采用硬PVC(聚氯乙烯)制成的中空方体的球体基座2，基座2空腔内并排固定两个环形磁铁1-2，两个环形磁铁1-2的外围分别固定安装有螺旋形线圈3，螺旋形线圈3分布周长为环形磁铁1-2外径的3/4，螺旋形线圈3的两端头通过缠绕固定在环形磁铁1-2的后，分别穿过中空方体基座2、球形封装体4通过导线5与球型壳体6内上的正、负电极7相连，球形壳体6外部的正、负电极7的端部包裹绝缘安全帽8。将本实施例装置投入试验发现，实验效果同样达到实施例1的效果。

实施例3

本实施例中磁生电装置结构：采用硬PVC(聚氯乙烯)制成中空方形的球体基座2，基座2空腔内包括一个环形磁铁1-2和两个小环形磁铁1-3、电机、转接盘，转接盘一端面上水平固定安装一个小环形磁铁铁1-3，水平放置的小环形磁铁铁1-3上垂直固定安装形状大小相同的另一小环形磁铁铁1-3，转接盘与电机轴固定连接，环形磁铁1-2固定安装在电机外壳轴端上，环形磁铁1-2内径与电极外壳外径相配合，利用导线5将电机与球形壳体6内的正、负电极7相连，球形壳体6外部的正、负电极7的端部包裹绝缘安全帽8。将本实施例装置投入试验发现，实验效果同样达到实施例1的效果。

实施例4

本实施例中磁生电装置结构：采用硬PVC(聚氯乙烯)制成中空方形的球体基座2，基座2空腔中设置两个形状大小相同的环形磁铁1-2，两个环形磁铁1-2以异极相邻的方式水平放置，两个环形磁铁1-2的间距选择两者最大斥力时的间距定位，圆片形磁铁1-4固定安装在转接盘上，转接盘与发电机轴固定连接，发电机固定安装在水平放置的两个环形磁铁1-2的一侧，圆片形磁铁1-4处于两个环形磁铁1-2的中间，利用导线5将发电机与球形壳体6内的正、负电极7相连，球形壳体6外部的正、负电极7的端部包裹绝缘安全帽8。将本实施例装置投入试验发现，实验效果同样达到实施例1的效果。

综上，本实施例的自生电压颗粒微电极装置，能够方便的将机械能转换为电能且不消耗人力，其产生的持续电能能够满足微电解技术处理高浓度有机废水的需要，而且其具有自发性、颗粒性、环保性、高效性等优点，是微电解污水处理中的理想装置之一。

本发明基座建模的材料采用硬PVC(聚氯乙烯)、塑性复合材料或合金材料。

基座的外形为立方体结构，采用矩形、椭圆形或其他适合的结构。

本发明基座2、球形封装体4、球形壳体6从内至外通过建模注塑成型，或制成两个结构相同的对称体组装成型，组装时，所有对接处及导线穿孔处均设有密封件。

以上实施例是对本发明的具体实施方式的说明，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变换和变化而得到相对应的等同的技术方案，因此所有等同的技术方案均应该归入本发明的专利保护范围。

Claims (10)

1.一种用于污水处理的自生电压颗粒微电极，包括内部结构和外部结构，其特征在于，所述内部结构包括：磁生电装置、导线(5)和封装体(4)；外部结构包括：球型壳体(6)及分布在球型壳体上的正、负电极(7)；所述球型壳体(6)内的正、负电极(7)通过导线(5)分别与磁生电装置上的线圈两端相连，使正、负电极存在电位差，球型壳体(6)外的所有正、负电极(7)端部均装有绝缘安全帽。

2.根据权利要求1所述的一种用于污水处理的自生电压颗粒微电极，其特征在于，所述磁生电装置包括：基座(2)、永磁体磁力球(1)，所述基座(2)的内腔为中空球形，基座(2)内放置有永磁体磁力球(1)，基座(2)外表面上至少缠绕一组线圈(3)，永磁体磁力球(1)在中空球形的空腔内移动旋转使线圈的两端产生电压。

3.根据权利要求1所述的一种用于污水处理的自生电压颗粒微电极，其特征在于，所述磁生电装置包括两个并列竖直设置的形状大小完全相同的圆环形磁铁(1-2)，在圆环形磁铁(1-2)侧壁上设有线圈(3)，所述线圈(3)为螺旋形结构。

4.根据权利要求1所述的一种用于污水处理的自生电压颗粒微电极，其特征在于，所述磁生电装置包括一个圆环形磁铁(1-2)和两个形状大小相同的小圆环形磁铁(1-3)、发电机(10)、转接盘(9)，所述转接盘(9)一端面上固定安装有两个小圆环形磁铁(1-3)，两个小圆环形磁铁(1-3)相互垂直设置；转接盘(9)与发电机轴固定连接，圆环形磁铁(1-2)固定安装在发电机(10)外壳轴端处，圆环形磁铁(1-2)内径与发电机(10)外壳外径相配合。

5.根据权利要求1所述的一种用于污水处理的自生电压颗粒微电极，其特征在于，所述磁生电装置包括两个形状大小相同的圆环形磁铁(1-2)、发电机(10)、圆形磁铁(1-4)、转接盘(9)，两个形状大小相同的圆环形磁铁(1-2)以异极相邻的方式水平放置，并在两个圆环形磁铁(1-2)的最大斥力位置处安装固定，圆形磁铁(1-4)固定安装在转接盘(9)上，转接盘(9)与发电机(10)轴固定连接，电机(10)固定安装两个圆环形磁铁(1-2)的一侧，圆形磁铁(1-4)处于两个圆环形磁铁(1-2)的中部。

6.根据权利要求1所述的一种用于污水处理的自生电压颗粒微电极，其特征在于，所述球型壳体上的正、负电极均匀分布，且正、负电极相间设置。

7.根据权利要求1所述的一种用于污水处理的自生电压颗粒微电极，其特征在于，自生电压颗粒微电极的密度与废水密度的差值范围在0-60kg/m3。

8.根据权利要求1所述的一种用于污水处理的自生电压颗粒微电极，其特征在于，球型壳体上正、负电极之间的距离为0.5-12mm，电极材料为金属、碳材料或复合材料。

9.根据权利要求1所述的一种用于污水处理的自生电压颗粒微电极，其特征在于，球型壳体的直径与正、负电极长度的比值为3:1-1:1。

10.一种用于污水处理的自生电压颗粒微电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将聚氯乙烯PVC进行建模，制成中空球体的长方体结构基座(2)；

(2)将永磁体磁力球(1)置于基座(2)的空腔中；

(3)在基座(2)的外围至少缠绕一组线圈(3)，线圈(3)的至少两个端头分别置于靠近基座(2)的端角处；

(4)在线圈(3)外围，采用硬PVC(聚氯乙烯)进行建模，制成球形封装体(4)；

(5)将线圈(3)的端头均穿过球形封装体(4)，通过导线(5)与球型壳体(6)内的正、负电极(7)相连；所述正、负电极(7)的排布方式：在球型壳体(6)的最大外径处开始均布电极翼片，电极翼片以正、负电极(7)相间设置的方式从最大外径处向两极分布,使相邻两层电极翼片的电性相反，即相邻两层电极翼片连接在同一组线圈的两端；

(6)位于球型壳体(6)外部的正、负电极(7)的端部均包裹有绝缘安全帽(8)，制成自生电压颗粒微电极；

(7)通过调节基座(2)空腔的体积，控制自生电压颗粒微电极整体的密度与废水的密度保持相近，保证在处理废水时，自生电压颗粒微电极在废水中处于悬浮状态。