CN110937667A - 一种无需曝气的电芬顿水处理方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于污水处理技术领域，更具体地，提出了一种基于空气主动扩散阴极的无需曝气的电芬顿水处理方法及装置，具有污染物去除速率快、能耗低、稳定性高的优点。利用空气主动扩散电极作为电化学反应器阴极，可以通过氧气还原反应原位产生大量H₂O₂，并与Fe²⁺反应生成具有强氧化能力的·OH，从而高效降解废水中的有机污染物。本发明解决了常规电化学水处理装置需要增加曝气装置为原位生成H₂O₂提供氧气的缺点，减少了曝气设备的投资和运行能耗，并提高了H₂O₂产量，提升了污染物的去除效率。本发明提出的新型水处理装置结构简单，电极材料低廉，操作条件温和，能够在较宽电流范围内高效电合成H₂O₂用于电芬顿反应处理废水。

Description

一种无需曝气的电芬顿水处理方法及装置

技术领域

本发明涉及污水处理技术领域，具体地，本发明涉及一种无需曝气的电芬顿水处理方法及装置。

背景技术

随着经济的快速发展，水体污染已经成为世界性问题。造成我国水体污染情况的主要原因可分为两类：一是大量传统方法难处理的工业废水超标排放，二是缺乏合适的处理设施造成部分农村污水未经处理直接排放。电芬顿水处理技术通过原位生成H₂O₂并与Fe^{2 +}反应，能够形成强氧化性的·OH，从而无选择性地降解污染物。电芬顿作为一种“绿色”的水处理技术，具有反应条件温和，可控性强，反应装置简单，工艺灵活等优点，在难降解废水和分散式污水的处理方面显示出较好的应用前景。

传统的电芬顿水处理装置需要外加曝气系统促进阴极产生H₂O₂，这往往需要消耗大量纯氧或者提供较高的空气压力，不仅增加了水处理装置的复杂性，而且大幅提升了运行成本。因此，如何改进电芬顿水处理装置，构建一种无需曝气装置的电芬顿水处理方法，并保持较高的H₂O₂产量，从而提升电芬顿水处理工艺的降解效率同时降低处理能耗十分必要。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种无需曝气的电芬顿水处理方法及装置，其目的在于通过使用空气主动扩散电极代替传统阴极，使电芬顿反应器在没有外加曝气装置的条件下可以高效产生H₂O₂，并与Fe²⁺发生芬顿反应产生·OH，从而高效低耗降解废水中的污染物。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

按照本发明的一个方面，本发明提供了一种无需曝气的电芬顿水处理装置，包括电化学反应器、直流电源、水泵和贮水池；所述电化学反应器用于原位产生H₂O₂，并与Fe²⁺发生芬顿反应；所述贮水池用于储存废水，并利用所述水泵与电化学反应器构成循环体系。

进一步，所述电化学反应器采用直流电源供电，沿液体流动方向的两侧由两片空气主动扩散阴极构成，间距为0.5-1.5cm，由螺丝固定，可以拆卸更换，电极负载催化层一侧与液体接触，另一侧与空气相通；所述反应器垂直于液体流动方向的两端分别设置进水管和出水管，原水经水泵从贮水池打入底部进水管，最后由顶部出水管排入贮水池实现循环；DSA阳极平行放置于两片空气主动扩散阴极中间。

进一步，所述空气主动扩散电极的制备方法如下：碳毡经PTFE浸渍、在360℃下煅烧半小时后作为电极的空气主动扩散层和支撑层；炭黑和PTFE以质量比1.7混合改性后作为催化层负载于上述碳毡的一侧。

按照本发明的另一个方面，本发明提供了一种无需曝气的电芬顿水处理方法，使用空气主动扩散电极作为电化学反应器阴极，依靠空气主动扩散电极优异的气体传质能力能够在无外加曝气设备的情况下，通过氧气还原反应原位高效生成H₂O₂与Fe²⁺反应生成·OH高效降解废水中的污染物，解决了传统电芬顿水处理装置需要外加曝气装置且运行能耗大的问题。

进一步，所述Fe²⁺采用外加形式，投加量为0.1-1mM。

进一步，所述电芬顿水处理方法处理废水的pH控制在2.5-3.5。

进一步，所述电化学反应器施加的电流范围为0.1-3A。

本发明具有以下突出特点：

(1)该新型电芬顿水处理装置能够在没有外加曝气设备的情况下高效产生H₂O₂，在电流为3A时，产量高达1250mg/h，电流效率仍保持在70％左右，相较于传统H₂O₂电催化装置产量提高了5倍以上。

(2)该新型电芬顿水处理装置不需要外加曝气设备，运行成本低(能耗降低了40％以上)，并且有较快的污染物去除速率。

(3)该新型电芬顿水处理装置可以保证长时间运行时处理效果的稳定性。

附图说明

图1为本发明一个实施例的电化学反应器三视图；

图2为新型电芬顿水处理装置的H₂O₂产生性能图；

图3为新型电芬顿水处理装置产生H₂O₂的电流效率图；

图4为新型电芬顿水处理装置在不同电流下处理2，4-D废水的效果图；

图5为新型电芬顿水处理装置在不同Fe²⁺投加量下处理2，4-D废水的效果图；

图6为该新型电芬顿水处理装置连续10次运行的污染物去除效果图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制

本发明提出了一种无需曝气的电芬顿水处理装置。核心为电化学反应器，根据本发明的实施例，参考图1，长方体反应器的两侧由两片空气主动扩散电极1(长度17cm；高度4cm)构成；原水经水泵从贮水池打入进水管2，原水自左向右在空气主动扩散阴极1和DSA阳极3中间经过，最后到达出水管4，排入贮水池实现循环；阴阳极通过导线与直流电源相连，两片空气主动扩散阴极极采用并联模式。

该新型电芬顿水处理装置在没有外加空气压缩设备的条件下实现了较高的H₂O₂产量。参考图2，在添加0.05M硫酸钠作为电解质的空白实验中，电流从0.1A到3A的范围内，该新型电芬顿水处理装置均能保持H₂O₂产量稳定增长，当电流达到3A时，产量高达1250mg/h，在相同条件下是传统装置的5倍以上。

参考图3，在0.1A到3A的电流范围内产生H₂O₂的电流效率保持稳定，没有出现明显下降，电流3A时，1小时后电流效率仍在70％左右。

参考图4，本实例试验了在不同电流条件下处理1L浓度为100mg/L的2，4-二氯苯氧乙酸(2，4-D)废水的效果，在亚铁投加量为0.5mM，pH为3的条件下，控制电流从100mA增长到300mA，2，4-D的去除速率逐步增加，当电流达到200mA时，能够在60分钟内实现污染物的完全去除。

参考图5，本实例试验了当Fe²⁺投加量变化时处理1L浓度为100mg/L的2，4-D废水的效果，投加量为0.1mM时，2，4-D去除速率较慢，当加量大于0.3mM时，2，4-D都能在1小时内被完全去除。

参考图6，本发明提出的基于空气主动扩散阴极的电芬顿水处理方法及装置能够长时间高效处理废水，在连续10次(20h)的废水处理中都能保持性能稳定。

综上所述，本发明提出的无需曝气的电芬顿水处理方法及装置可以省去常规电化学水处理装置的曝气设备，降低运行能耗，并能够高效稳定地处理有机废水。

Claims (5)

1.一种无需曝气的电芬顿水处理装置，其特征在于，包括电化学反应器、直流电源、水泵和贮水池；

所述电化学反应器沿液体流动方向的两侧由两片空气主动扩散电极构成，电极间距为0.5-1.5cm；空气主动扩散电极负载催化层一侧为内侧，与废水接触；另一侧直接与空气相通；在所述反应器两片空气主动扩散电极的中间设置一片DSA阳极，阴阳极平行放置；上述阴阳极与直流电源相连，两片空气主动扩散阴极采用并联模式；

所述空气主动扩散阴极由碳毡经疏水化处理后作为空气主动扩散层；炭黑和PTFE以质量比1.7混合改性后作为催化层负载于上述碳毡一侧制得；

利用水泵使废水在电化学反应器与贮水池之间流动，可为循环流或连续流。

2.一种无需曝气的电芬顿水处理方法，其特征在于，采用空气主动扩散电极作为电化学反应器的阴极，原位高效生成H₂O₂与外加的Fe²⁺发生芬顿反应，从而降解废水中的污染物。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，外加的Fe²⁺的浓度为0.1-1mM。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述废水的pH控制在2.5-3.5。

5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述电化学反应器施加的电流范围为0.1-3A。

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