CN110642340B - 一种循环过流式电助臭氧水处理设备及利用其处理水的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种循环过流式电助臭氧水处理的设备及处理水的方法，该设备包括相互连接，构成循环通路的均相反应器和电化学反应装置，以及臭氧发生器；所述电化学反应装置内部设置有平行的且均能够透水过气的阴极和阳极，将其内部空间分割为位于阴极下方的下腔室、位于阳极上方的上腔室和位于两个电极之间的中间室，并且两个电极的边缘与电化学反应装置的内壁呈密封状态，下腔室的进水端与均相反应器的出水端相连，上腔室的出水端与均相反应器的进水端相连，下腔室内部设有气体分散装置，其与外部的臭氧发生器相连接。本发明设备既提高了反应体系传质，削减了臭氧尾气的污染，又使均相反应体系和电极界面反应体系各自得到了有利条件，高效环保。

Description

一种循环过流式电助臭氧水处理设备及利用其处理水的方法

技术领域

本发明属于水处理设备领域，特别涉及一种循环过流式电助臭氧水处理设备，还涉及利用该设备进行水处理的方法。

背景技术

高级氧化法因其在反应过程中产生的强氧化性自由基易降解水中污染物，被广泛应用于水处理中。电化学和臭氧氧化耦合是一种新颖的高级氧化水处理技术，处理效果优异，操作简单，并能维持低廉的运行成本，对水中有机污染物的降解去除具有潜在优势。电化学反应过程中阴、阳极反应(或产物)很多时候正是臭氧类技术自由基反应历程的引发反应，二者耦合往往能达到协同降解污染物的效果。然而，传统的电化学反应往往受到水体电导率和体系传质的限制，处理体系易存在死角，效率较低。此外，污染物和臭氧化气体在电极表面的反应速率受限于电极的有效面积，制备大面积的高性能电极较难，且成本高，还将增加反应器尺寸。因此，如何实现反应体系和电极的充分接触，提高反应体系传质，是电化学/臭氧耦合工艺进一步提高处理效率和实用化应解决的关键问题之一。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供了一种高效、经济、安全、环保的电助臭氧水处理设备以及利用该设备进行水处理的方法。

技术方案：为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种循环过流式电助臭氧水处理的设备，包括相互连接，构成循环通路的均相反应器和电化学反应装置，以及臭氧发生器；所述电化学反应装置内部设置有平行的且均能够透水过气的阴极和阳极，将其内部空间分割为位于阴极下方的下腔室、位于阳极上方的上腔室和位于两个电极之间的中间室，并且两个电极的边缘与电化学反应装置的内壁呈密封状态(确保进入下腔室的溶液/气体只能通过阴极进入中间室，中间室的溶液/气体只能通过阳极进入上腔室)，下腔室的进水端与均相反应器的出水端相连，上腔室的出水端与均相反应器的进水端相连，下腔室内部设有气体分散装置，其与外部的臭氧发生器相连接。

优选，所述阴极为碳基多孔电极；所述阳极为碳基多孔电极或金属(或金属氧化物)修饰的网状电极；所述阴极和阳极的中间设有绝缘密封装置，其起到分隔阴极和阳极(将阴极和阳极分隔开来，避免接触，同时为阴极和阳极中间预留一定空间，供溶液/气体通过)，并密封反应装置的作用，可为环形或多边形以适用于不同形状的反应器，材质可为硅胶、聚四氟乙烯等。所述臭氧发生器的进气气源可为氧气或空气。

作为改进：

还可以包括管式气液混合装置，其设于上腔室与均相反应器相连接的通路中间。

还可以包括电源，其正负极分别与阳极和阴极相连接。

还可以包括排气阀和臭氧尾气破坏装置，所述排气阀置于均相反应器顶部，其出气端与臭氧尾气破坏装置进气端相连接。

还可以包括布水器，所述布水器置于下腔室内，并且位于气体分散装置下方，其能够使进入电化学反应装置的流体能分布均匀。

还可以包括水泵和液体流量计，水泵设于均相反应器与下腔室连接的通路中间，液体流量计设于水泵和下腔室之间。

还可以包括气相臭氧浓度监测仪、气体流量计、止回阀、液相臭氧浓度传感器和溶解氧浓度传感器；所述气相臭氧浓度监测仪、气体流量计、止回阀依次连接在臭氧发生器之后；所述液相臭氧浓度传感器和溶解氧浓度传感器设于均相反应器侧壁。

还可以包括自控单元，其能接收所连接各部件的信号，然后再输出控制信号，从而控制整个设备的工作，如循环水流速、电源电流大小、臭氧气体产生输送等。

利用所述的循环过流式电助臭氧水处理的设备进行水处理的方法，包括以下步骤：

(a)均相反应器内液体进入电化学反应装置，并将阴极和阳极与电源相连通；同时将臭氧发生器所制备的臭氧通过气体分散装置通入电化学反应装置内；

(b)液体依次流经阴极和阳极，通过电极界面反应生成氧化物并使污染物得到部分降解去除，得到的气液混合体回流至均相反应器内；

(c)在均相反应器内溶液中的溶解性臭氧和电化学还原氧气产生的过氧化氢形成过臭氧化氧化体系，使水中的污染物质进一步得到降解；而后，反应液再次回流至电化学反应装置中，由此构成循环体系，待一定反应时间后，即得净化水。

作为改进，在上腔室与均相反应器相连接的通路中间，还可以设有管式气液混合装置，在管式气液混合装置内，电化学反应装置流出的气液混合体进一步得到混合，使残余臭氧气体能够被充分吸收利用，并使反应体系均匀、促进反应体系的传质。

有益效果：本发明提供的过流式电助臭氧水处理装置结构简单紧凑、占地面积小、使用方便、成本低廉、运行管理方便，利用电化学和臭氧之间具有协同互补的特性，有效利用碳基阴极还原氧气生成过氧化氢，与臭氧发生链式反应生成羟基自由基，有效降解水中的有机污染物，多孔电极和过流式设计有效提高了气液混合和处理能效。

具体而言，本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：

一、采用多孔膜式电极，并利用过流式体系使反应体系能够与电极充分接触，提高了体系传质，促进了电极界面反应，从而提高了处理效率。

二、提高了臭氧化气体的利用率，并消减了臭氧尾气污染。臭氧化气体通入反应装置后，一方面在透过膜式多孔电极时和电极进行了充分的接触，在阴极界面可以发生电化学还原反应生成过臭氧化体系；另一方面膜式多孔电极能将气体进行二次布气，促进气液传质，提高臭氧和氧气的溶解率。此外，管式气液混合装置能进一步提高气液混合和气液传质效率，从而增加液相体系中的臭氧、氧气浓度，提高处理效率，并降低排放尾气中残余臭氧浓度，可消减污染，节约成本。

三、将反应区间分隔成均相反应区和电化学反应区，既提高了电化学反应效率，实现了实用化，又使不同的氧化还原反应体系能在各自有利条件下进行，提高了处理效率。当处理实际水体时，水量较大，而制备大面积的高效电极工艺较难，受限于电极面积较小，反应体系在电极界面无法有效传质，从而限制了电化学水处理的实用性。并且，在电化学引导的过臭氧化反应中，生成的过氧化氢等产物在电化学体系中有被进一步分解的可能，可能会降低其与臭氧之间的反应效率。本发明将均相反应体系和电极界面反应体系分隔开，能够为二者创造较有利的反应条件，实现了处理实际水体的可行性，并提高了处理效率。

四、利用各传感监测探头和自控单元，可实现处理过程的全自动、智能化控制。

本发明提供的循环过流式电助臭氧水处理方法工艺简单、处理效率高，能够有效、经济、环保进行水处理。

附图说明

图1是实施例1的循环过流式电助臭氧水处理设备的结构示意图。

图2是实施例2的循环过流式电助臭氧水处理设备的结构示意图。

图3是实施例3的循环过流式电助臭氧水处理设备的结构示意图。

具体实施方式

根据下述实施例，可以更好地理解本发明。

实施例1

循环过流式电助臭氧水处理的设备，见图1，包括相互连接，构成循环通路的均相反应器1和电化学反应装置3，以及臭氧发生器8；所述电化学反应装置3内部设置有平行的且均能够透水过气的阴极4和阳极5，将其内部空间分割为位于阴极4下方的下腔室3-1、位于阳极5上方的上腔室3-2和位于两个电极之间的中间室3-3，并且两个电极的边缘与电化学反应装置3的内壁呈密封状态，下腔室3-1的进水端与均相反应器1的出水端相连，上腔室3-2的出水端与均相反应器1的进水端相连，下腔室3-1内部设有气体分散装置7，其与外部的臭氧发生器8相连接。

具体结构如下：

包括均相反应器1、水泵2、电化学反应装置3、阴极4、阳极5、绝缘密封装置6、气体分散装置7、臭氧发生器8、电源10、排气阀11和臭氧尾气破坏装置12。所述进均相反应器1出水端连接水泵2的进水端；水泵2的出水端与电化学反应装置3的进水端相连接；阴极4和阳极5平行置于电化学反应装置3内，其中阴极4置于电化学反应装置3进水端一侧；所述阴极4和阳极5的中间设有绝缘密封装置6，将二者分隔并起到电化学反应装置3的密封作用，可为环形或多边形以适用于不同形状的反应器，材质可为硅胶、聚四氟乙烯等；所述气体分散装置7置于阴极4下方，其进气端与臭氧发生器8的出气端相连接；所述电源10的正、负极分别与阳极5和阴极4相连接。所述排气阀11置于均相反应器1顶部，其出气端与臭氧尾气破坏装置12进气端相连接。

本发明实施例中，阴极4为碳纤维滤布电极，阳极5铂网电极，电源10为直流稳压电源。通过水泵2将均相反应器1内液体泵入电化学反应装置3中的下腔室3-1，并将阴极4和阳极5与电源10相连通；同时将臭氧发生器8所制备的臭氧通过气体分散装置7通入电化学反应装置3中的下腔室3-1内；气液混合体系依次流经阴极4和阳极5，通过电极界面反应生成氧化物并使污染物得到部分降解去除步，而后通过上腔室(3-2)回流至均相反应器1内；在均相反应器1内溶液中的溶解性臭氧和电化学还原氧气产生的过氧化氢形成过臭氧化氧化体系，使水中的污染物质进一步得到降解；然后，反应液通过进水泵2再次回流至电化学反应装置3中，由此构成循环体系，待一定反应时间后，即得净化水。

实施例2

循环过流式电助臭氧水处理的设备，见图2，与实施例1基本相同，不同之处仅在于：还包括气液混合装置9和布水器13。所述管式气液混合装置9的进水/气端与电化学反应装置3的出水/气端相连接；所述管式气液混合装置9的出水/气端与均相反应器1的进水/气端相连接；所述布水器13置于电化学反应装置3中的下腔室3-1内，气体分散装置7下方，使进入电化学反应装置3的流体能分布均匀。

在管式气液混合装置9内，电化学反应装置3流出的气液混合体能够进一步得到混合，使残余臭氧气体能够被充分吸收利用，并使反应体系均匀、促进反应体系的传质。

实施例3

循环过流式电助臭氧水处理的设备，见图3，与实施例2基本相同，不同之处仅在于：还包括液体流量计14、气相臭氧浓度监测仪15、气体流量计16、止回阀17、液相臭氧浓度传感器18、溶解氧浓度传感器19、自控单元20。所述液体流量计14置于水泵2出水口之后，电化学反应装置3之前；所述气相臭氧浓度监测仪15、气体流量计16、止回阀17依次连接在臭氧发生器8之后；所述液相臭氧浓度传感器18和溶解氧浓度传感器19置于均相反应器1侧壁。所述自控单元20能接收所连接各部件的信号，然后再输出控制信号，从而控制整个设备的循环水流速、电源电流大小、臭氧气体产生输送等。

通过上述设备和方法处理水，结果如下：

对某药物废水进行净化处理，污染物初始浓度约为20mg/L，反应15分钟。处理方法及效果见表1。

表1循环过流式电助臭氧水处理的设备进行处理方法及效果

Claims (9)

1.一种循环过流式电助臭氧水处理的设备，其特征在于，包括相互连接、构成循环通路的均相反应器(1)和电化学反应装置(3)，以及臭氧发生器(8)；所述电化学反应装置(3)内部设置有平行的且均能够透水过气的阴极(4)和阳极(5) ，将其内部空间分割为位于阴极(4)下方的下腔室(3-1)、位于阳极(5)上方的上腔室(3-2)和位于两个电极之间的中间室(3-3)，并且两个电极的边缘与电化学反应装置(3)的内壁呈密封状态，下腔室(3-1)的进水端与均相反应器(1)的出水端相连，上腔室(3-2)的出水端与均相反应器(1)的进水端相连，下腔室(3-1)内部设有气体分散装置(7)，其与外部的臭氧发生器(8)相连接；

所述阴极(4)为碳基多孔电极；所述阳极(5)为碳基多孔电极或金属/金属氧化物修饰的网状电极；所述阴极(4)和阳极(5)的中间设有绝缘密封装置(6)。

2.根据权利要求1所述的循环过流式电助臭氧水处理的设备，其特征在于，还包括管式气液混合装置(9)，其设于上腔室(3-2)与均相反应器(1)相连接的通路中间。

3.根据权利要求1所述的循环过流式电助臭氧水处理的设备，其特征在于，还包括电源(10)，其正负极分别与阳极(5)和阴极(4)相连接。

4.根据权利要求1所述的循环过流式电助臭氧水处理的设备，其特征在于，还包括排气阀(11)和臭氧尾气破坏装置(12)，所述排气阀(11)置于均相反应器(1)顶部，其出气端与臭氧尾气破坏装置(12)进气端相连接。

5.根据权利要求1所述的循环过流式电助臭氧水处理的设备，其特征在于，还包括布水器(13)，所述布水器(13)置于下腔室(3-1)内，并且位于气体分散装置(7)下方。

6.根据权利要求1所述的循环过流式电助臭氧水处理的设备，其特征在于，还包括水泵(2)和液体流量计(14)，水泵(2)设于均相反应器(1)与下腔室(3-1)连接的通路中间，液体流量计(14)设于水泵(2)和下腔室(3-1)之间。

7.根据权利要求1所述的循环过流式电助臭氧水处理的设备，其特征在于，还包括气相臭氧浓度监测仪(15)、气体流量计(16)、止回阀(17)、液相臭氧浓度传感器(18)和溶解氧浓度传感器(19)；所述气相臭氧浓度监测仪(15)、气体流量计(16)、止回阀(17)依次连接在臭氧发生器(8)之后；所述液相臭氧浓度传感器(18)和溶解氧浓度传感器(19)设于均相反应器(1)侧壁。

8.根据权利要求1所述的循环过流式电助臭氧水处理的设备，其特征在于，还包括自控单元(20) ，其能接收所连接各部件的信号，然后再输出控制信号，从而控制整个设备的工作。

9.利用权利要求1至8任一项所述的循环过流式电助臭氧水处理的设备进行水处理的方法，包括以下步骤：

(a)均相反应器(1)内液体进入电化学反应装置(3)，并将阴极(4)和阳极(5)与电源相连通；同时将臭氧发生器(8)所制备的臭氧通过气体分散装置(7)通入电化学反应装置(3)内；

(b)液体依次流经阴极(4)和阳极(5)，通过电极界面反应生成氧化物并使污染物得到部分降解去除，得到的气液混合体回流至均相反应器(1)内；

(c)在均相反应器(1)内溶液中的溶解性臭氧和电化学还原氧气产生的过氧化氢形成过臭氧化氧化体系，使水中的污染物质进一步得到降解；而后，反应液再次回流至电化学反应装置(3)中，由此构成循环体系，待一定反应时间后，即得净化水。

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