CN110534783A - 一种电催化氧化的新型供电方法 - Google Patents

一种电催化氧化的新型供电方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电催化氧化的新型供电方法，包括：选择电流衰减曲线形式；依次确定每段电流衰减曲线的初始电流值、终止电流值和每段电流衰减曲线的持续时间，两段电流衰减曲线连接处的电流值与时间值相匹配；采用普通恒流电流输出形式，通过多段单位时间恒流输出的模式来模拟不同电流衰减曲线形式，根据可编程直流电源参数以及电催化降解的实际情况，确定电流输出单位时间间隔；根据电流衰减曲线形式、电流值、电流衰减曲线持续时间及电流输出时间间隔，确定可编程直流电源的电流、时间的输入参数；将电解槽与可编程直流电源连接，按照设计好的电流衰减曲线形式进行电催化氧化降解。本发明方法降解效果好、能耗小，适用范围广，使用灵活。

Description

一种电催化氧化的新型供电方法
技术领域
本发明属于电化学技术领域，具体涉及一种电催化氧化的新型供电方法。
背景技术
电催化氧化处理有机物技术是典型的高级氧化技术，近年来受到较多科研人员的关注，在工程实践中也得到一定程度的应用(Applied Catalysis B:Environmental,2009,87,105-145；Chemical Society reviews,2006,35,1324-1340；Chem.Rev.,2009,109,6541-6569)。
影响电催化氧化技术效果的因素很多，不同因素会对最终结果产生较大的影响，例如电流密度值、有机物浓度、溶液温度、溶液pH值等。这其中，电流密度是影响电催化降解过程的电流效率和能耗值的重要指标。目前的研究报道都是考察电流密度值大小对于处理过程及处理效果的影响，还未见到电流提供方式对于处理的影响研究报道。
电催化氧化过程中常见的供电模式包括恒压供电模式、恒流供电模式与脉冲供电模式。恒压供电模式是在电催化氧化过程中提供恒定的电压，而电流会随着电解反应进行出现不同的变化(一般而言是会不断变小)。恒流供电模式是在电解过程中提供恒定的电流，电压会随着电解反应的进行出现不同的变化(一般而言是会不断增加)。这种供电模式所需设备相对复杂。目前文献资料及工程实践中，绝大部分的电催化降解是采用此种模式进行的。脉冲供电模式是在电解过程中提供一个脉冲式的电流，电压会随脉冲的具体情况而发生不同的变化。这种供电模式复杂，需要有专门的仪器设备保障。目前文献报道及工程实践中，较少见有研究人员选择脉冲供电模式去实施有机物的电催化氧化。
文献资料(Chemosphere,2010,81,26-32；Electrochimica Acta,2015,154,278-286；Chemical Engineering Journal,2014,245,359-366)表明，在对不同浓度有机物进行降解时，存在一个极限电流密度值(jlim)。当实际电流密度小于jlim时，电催化体系处于电荷控制阶段，此时电流效率保持为100％，有机物COD去除速率随电流密度增加而增加。当实际电流密度大于jlim时，电催化体系处于传质控制阶段，此时电流效率低于100％，有机物COD去除速率不随电流密度增加而增加。因此，为使电催化过程电流效率处于高位，需要使施加给电催化体系的电流密度值与jlim之间的差距越小越好。
事实上，溶液COD值会随电催化过程的进行而不断降低，即对应的jlim越来越小。如果采用恒流模式(或是脉冲恒流模式，指电流值不改变、只在固定时间予以通或断的情况)进行降解，假设给定的电流密度值i0刚好为溶液初始有机物浓度所对应的极限电流密度值jlim，那么在反应的初始阶段，属于电流效率很高(接近100％)的阶段；一旦反应进行一段时间，溶液COD值会随着反应进行降低，意味着在开始后的某一个时间点上，其溶液COD值所对应的极限电流密度值jlim’小于i0值，反应就会进入传质控制阶段，电流效率下降(低于100％)。从电流利用效率的角度而言，这显然是不利的，会造成能耗的额外消耗(析氧副反应增加)。
当前，电催化氧化技术的根本缺陷在于电流利用效率低与降解能耗高，解决该问题成为推动技术实际应用的重中之重。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电催化氧化的新型供电方法，以解决现有技术中存在的问题。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种电催化氧化的新型供电方法，包括以下步骤：
1)选择电流衰减曲线形式；
2)依次确定每段电流衰减曲线的初始电流值、终止电流值和每段电流衰减曲线的持续时间，两段电流衰减曲线连接处的电流值与时间值相匹配；
3)采用普通恒流电流输出形式，通过多段单位时间恒流输出的模式来模拟不同电流衰减曲线形式，根据可编程直流电源参数以及电催化降解的实际情况，确定电流输出单位时间间隔；
4)根据电流衰减曲线形式、电流值、电流衰减曲线持续时间及电流输出时间间隔，确定可编程直流电源的电流、时间的输入参数；
5)将电解槽与可编程直流电源连接，按照电流衰减曲线形式进行电催化氧化降解。
进一步的，步骤1)中，选择电流衰减曲线形式包括：选择电流衰减曲线的段数及每段电流衰减曲线的组合方式。
进一步的，步骤1)中，可供选择的电流衰减曲线形式包括：
(1)无衰减型，数学表达式为I＝a，
I表示电流值，单位为A，a为无量纲常数；
(2)线性衰减型，数学表达式为I＝bt+c，
t表示时间，单位为s，b、c为无量纲常数且b<0；
(3)双曲线衰减型，数学表达式为I＝kt-1+c，
k为无量纲常数且k>0，t>0；
(4)指数衰减型，数学表达式为I＝dt+c，
d、c为无量纲常数且0<d<1。
进一步的，每段电流衰减曲线形式的组合方式包括：
(1)单独选择线性衰减型、双曲线衰减型或指数衰减型中的一种；(2)任意选择两种电流衰减曲线形式组合；(3)任意选择三种电流衰减曲线形式组合；(4)任意选择四种电流衰减曲线形式组合。
进一步的，任意选择两种电流衰减曲线形式组合包括：无衰减型+线性衰减型、无衰减型+双曲线衰减型、无衰减型+指数衰减型、线性衰减型+指数衰减型、线性衰减型+双曲线衰减型中的一种。
进一步的，任意选择三种电流衰减曲线形式组合包括：无衰减型+线性衰减型+无衰减型、无衰减型+双曲线衰减型+无衰减型、无衰减型+指数衰减型+无衰减型中的一种。
进一步的，任意选择四种电流衰减曲线形式组合包括：无衰减型+线性衰减型+无衰减型+线性衰减型、无衰减型+线性衰减型+无衰减型+指数衰减型、无衰减型+指数衰减型+无衰减型+指数衰减型。
进一步的，步骤3)中，电流输出单位时间间隔的取值范围为0.01-100s。
进一步的，步骤4)中，将电流衰减曲线转换为可输入可编程直流电源的电流-时间数据。
一种可编程直流电源，用于实施所述电催化氧化的新型供电方法，向可编程直流电源输入：电流衰减曲线组合形式、初始电流值、电流输出单位时间间隔及每段衰减曲线持续时间，可编程直流电源即自动生成相应的电流输出模式。
本发明的有益效果如下：
1、本发明电催化氧化的新型供电方法相比于直流恒流供电模式具有明显优势，电流利用效率高，降解效果好、能耗小；
2、本发明电催化氧化的新型供电方法将不同的电流衰减曲线形式进行组合使用，适用范围广，使用灵活；
3、本发明电催化氧化的新型供电方法通过可编程的直流电源实现，将电流衰减曲线转换为电流-时间数据，方法简单，操作性强，适合大范围推广。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为线性衰减型的电流-时间输出曲线图；
图2为无衰减型+线性衰减型的电流-时间输出曲线图；
图3为无衰减型+指数衰减型+无衰减型的电流-时间输出曲线图；
图4为本发明实施例1电流提供模式-时间图；
图5为酸性红G模拟废水的COD去除效率图；
图6为酸性红G模拟废水的脱色效率图。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
以下详细说明均是示例性的说明，旨在对本发明提供进一步的详细说明。除非另有指明，本发明所采用的所有技术术语与本申请所属领域的一般技术人员的通常理解的含义相同。本发明所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而并非意图限制根据本发明的示例性实施方式。
一种电催化氧化的新型供电方法，包括以下步骤：
1)选择电流衰减曲线形式；
2)依次确定每段电流衰减曲线的初始电流值、终止电流值和每段电流衰减曲线的持续时间，两段电流衰减曲线连接处的电流值与时间值相匹配；
3)采用普通恒流电流输出形式，通过多段单位时间恒流输出的模式来模拟不同电流衰减曲线形式，根据所采用的可编程直流电源参数以及电催化降解的实际情况，确定电流输出单位时间间隔；
4)根据电流衰减曲线形式、电流值、电流衰减曲线持续时间及电流输出时间间隔，确定可编程直流电源的电流、时间的输入参数；
5)将电解槽与可编程直流电源连接，按照设计好的电流衰减曲线形式进行电催化氧化降解。
进一步的，步骤1)中，选择电流衰减曲线形式包括：选择电流衰减曲线的段数及每段电流衰减曲线的组合方式。
进一步的，步骤1)中，可供选择的电流衰减曲线形式包括：
(1)无衰减型，数学表达式为I＝a，
I表示电流值，单位为A，a为无量纲常数；
(2)线性衰减型，数学表达式为I＝bt+c，
t表示时间，单位为s，b、c为无量纲常数且b<0；
(3)双曲线衰减型，数学表达式为I＝kt-1+c，
k为无量纲常数且k>0，t>0；
(4)指数衰减型，数学表达式为I＝dt+c，
d、c为无量纲常数且0<d<1。
进一步的，每段电流衰减曲线形式的组合方式包括：
(1)单独选择线性衰减型、双曲线衰减型或指数衰减型中的一种；(2)任意选择两种电流衰减曲线形式组合；(3)任意选择三种电流衰减曲线形式组合；(4)任意选择四种电流衰减曲线形式组合。
进一步的，任意选择两种电流衰减曲线形式组合包括：无衰减型+线性衰减型、无衰减型+双曲线衰减型、无衰减型+指数衰减型、线性衰减型+指数衰减型、线性衰减型+双曲线衰减型中的一种。
进一步的，任意选择三种电流衰减曲线形式组合包括：无衰减型+线性衰减型+无衰减型、无衰减型+双曲线衰减型+无衰减型、无衰减型+指数衰减型+无衰减型中的一种。
进一步的，任意选择四种电流衰减曲线形式组合包括：无衰减型+线性衰减型+无衰减型+线性衰减型、无衰减型+线性衰减型+无衰减型+指数衰减型、无衰减型+指数衰减型+无衰减型+指数衰减型。
进一步的，步骤3)中，电流输出单位时间间隔的取值范围为0.01-100s。
进一步的，步骤4)中，将电流衰减曲线转换为可输入可编程直流电源的电流-时间数据。
一种可编程直流电源，用于实施所述电催化氧化的新型供电方法，向可编程直流电源输入：电流衰减曲线组合形式、初始电流值、电流输出单位时间间隔及每段衰减曲线持续时间，可编程直流电源即自动生成相应的电流输出模式。
实施例1：
以多孔Ti/PbO2电极为核心，对酸性红G(ARG)模拟染料废水进行电催化氧化降解，使得在降解过程中电流密度以单纯线性衰减型不断降低，分析同一电量下不同初始电流密度对降解效果造成的影响。实际操作中，使用数据计算软件获得线性衰减型的电流-时间输出曲线数据参数，并将其输入可编程直流电源，为电催化降解过程供电。
本部分实验条件：ARG初始浓度为200mg/L，NaCl投加量为0mol，电流密度初始值分别60、50、40、30mA·cm-2，以不同扫描速率线性降低，120min时刻电流密度分别降至0、10、20、30mA·cm-2，使得整个电解过程电量保持一致。电流输出单位时间间隔取值为1s。
电流提供模式如附图4所示。
由附图5、6及附表1可知，保持同一电量，初始电流密度不同，ARG模拟染料废水的COD去除率和脱色率在反应前期差距较大，随着降解的进行，反应进行至120min时差距较小。由附表1可知，在降解过程中使得电流密度由60mA/cm2降低至0时，其降解效果优于传统直流模式(30mA/cm2)，且此模式下能耗为0.326kWh/gCOD，远小于直流模式的0.407kWh/gCOD。因此，在保持同一电量时，线性衰减型供电模式相比于直流恒流供电模式具有明显优势，且降解过程的初始电流越大，其降解效果越好、能耗越小。
表1
由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。

Claims (10)

1.一种电催化氧化的新型供电方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)选择电流衰减曲线形式；
2)依次确定每段电流衰减曲线的初始电流值、终止电流值和每段电流衰减曲线的持续时间，两段电流衰减曲线连接处的电流值与时间值相匹配；
3)采用普通恒流电流输出形式，通过多段单位时间恒流输出的模式来模拟不同电流衰减曲线形式，根据可编程直流电源参数以及电催化降解的实际情况，确定电流输出单位时间间隔；
4)根据电流衰减曲线形式、电流值、电流衰减曲线持续时间及电流输出时间间隔，确定可编程直流电源的电流、时间的输入参数；
5)将电解槽与可编程直流电源连接，按电流衰减曲线形式进行电催化氧化降解。
2.根据权利要求1所述的一种电催化氧化的新型供电方法，其特征在于，步骤1)中，选择电流衰减曲线形式包括：选择电流衰减曲线的段数及每段电流衰减曲线的组合方式。
3.根据权利要求1所述的一种电催化氧化的新型供电方法，其特征在于，步骤1)中，可供选择的电流衰减曲线形式包括：
(1)无衰减型，数学表达式为I＝a，
I表示电流值，单位为A，a为无量纲常数；
(2)线性衰减型，数学表达式为I＝bt+c，
t表示时间，单位为s，b、c为无量纲常数且b<0；
(3)双曲线衰减型，数学表达式为I＝kt-1+c，
k为无量纲常数且k>0，t>0；
(4)指数衰减型，数学表达式为I＝dt+c，
d、c为无量纲常数且0<d<1。
4.根据权利要求3所述的一种电催化氧化的新型供电方法，其特征在于，每段电流衰减曲线形式的组合方式包括：
(1)单独选择线性衰减型、双曲线衰减型或指数衰减型中的一种；(2)任意选择两种电流衰减曲线形式组合；(3)任意选择三种电流衰减曲线形式组合；(4)任意选择四种电流衰减曲线形式组合。
5.根据权利要求4所述的一种电催化氧化的新型供电方法，其特征在于，任意选择两种电流衰减曲线形式组合包括：无衰减型+线性衰减型、无衰减型+双曲线衰减型、无衰减型+指数衰减型、线性衰减型+指数衰减型、线性衰减型+双曲线衰减型中的一种。
6.根据权利要求4所述的一种电催化氧化的新型供电方法，其特征在于，任意选择三种电流衰减曲线形式组合包括：无衰减型+线性衰减型+无衰减型、无衰减型+双曲线衰减型+无衰减型、无衰减型+指数衰减型+无衰减型中的一种。
7.根据权利要求4所述的一种电催化氧化的新型供电方法，其特征在于，任意选择四种电流衰减曲线形式组合包括：无衰减型+线性衰减型+无衰减型+线性衰减型、无衰减型+线性衰减型+无衰减型+指数衰减型、无衰减型+指数衰减型+无衰减型+指数衰减型。
8.根据权利要求1所述的一种电催化氧化的新型供电方法，其特征在于，步骤3)中，电流输出单位时间间隔的取值范围为0.01-100s。
9.根据权利要求1所述的一种电催化氧化的新型供电方法，其特征在于，步骤4)中，将电流衰减曲线转换为可输入可编程直流电源的电流-时间数据。
10.一种用于实施权利要求1-9任一项所述电催化氧化的新型供电方法的可编程直流电源，其特征在于向可编程直流电源输入：电流衰减曲线组合形式、初始电流值、电流输出单位时间间隔及每段衰减曲线持续时间，可编程直流电源即自动生成相应的电流输出模式。
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