CN111072113A

CN111072113A - 一种采用主动扩散式阴极的过氧絮凝高效处理有机废水的方法

Info

Publication number: CN111072113A
Application number: CN202010004617.6A
Authority: CN
Inventors: 周明华; 李雅巍; 张齐展
Original assignee: Nankai University
Current assignee: Nankai University
Priority date: 2020-01-03
Filing date: 2020-01-03
Publication date: 2020-04-28

Abstract

本发明属于难降解有机废水处理领域，具体为一种采用主动扩散式阴极的过氧絮凝高效处理有机废水的方法，采用空气主动扩散阴极发展新型过氧絮凝方法，具有无需外加曝气、能耗低、TOC去除效果好等优点。该阴极可利用还原扩散过来的空气中的氧气原位产生H₂O₂，与牺牲阳极产生的亚铁反应生成强氧化剂羟基自由基，并兼有电絮凝作用从而高效去除废水中的有机污染物。该工艺无需常规过氧絮凝体系中的曝气装置提供氧气，大大减少了曝气带来的额外能耗，且该主动扩散式阴极的H₂O₂产量远高于传统空气扩散阴极，从而可产生更多的羟基自由基而大大提升了有机物去除和矿化效果。

Description

一种采用主动扩散式阴极的过氧絮凝高效处理有机废水的方法

技术领域

本发明涉及污水处理技术领域，具体地，本发明是一种采用主动扩散式阴极用于过氧絮凝处理有机废水的方法。

背景技术

随着我国农药的广泛应用，其生产应用等过程产生的废水因浓度高、毒性大且难处理成为我国污染最严重、最难处理的工业废水之一。目前我国大部分农药企业在废水处理方面通常采用的方式是对废水进行简单的预处理后进入生化池再进行生化处理。虽然生化法是技术比较成熟的工业化方法，但由于农药废水毒性高，且含有很多难以生物降解的有机物，因而采用这种方式处理农药废水往往难以取得理想的效果。

电化学高级氧化技术具有条件温和、设备简单、可控性好、氧化能力强等优点。高级氧化技术主要有芬顿、电芬顿、光电芬顿、臭氧催化氧化、过氧絮凝等工艺，其中芬顿工艺需要添加大量的化学试剂使其成本过高，电芬顿工艺虽然可持续产生双氧水、但pH适用范围较窄且亚铁循环较差，使其矿化效果较差，光电芬顿和臭氧催化氧化等工艺因需要供给光源和维持臭氧产量使其需要较高的能耗输入，而过氧絮凝因其能耗较低、无需外加试剂就可达到较高的污染物去除效果和矿化效果，使其近几年来逐渐被应用于高浓度有机废水的处理。其技术原理如下：阳极为铁板，主要发生失去两个e-生成亚铁离子的氧化反应，阴极主要发生还原氧气生成双氧水，溶液中的亚铁与双氧水反应生成强氧化剂·OH，亚铁被氧化为三价铁离子，从而对溶液中的有机物产生絮凝作用，达到强氧化剂矿化和絮凝剂对污染物去除的双重作用。其反应方程式如下：

阳极：Fe→Fe²⁺+2e^-

阴极：O₂+2H⁺+2e^-→H₂O₂

溶液中：4Fe²⁺+10H₂O+O₂→4Fe(OH)₃+8H⁺

H₂O₂+Fe²⁺+H⁺→·OH+Fe³⁺+H₂O

传统的过氧絮凝体系采用需要外加曝气的空气扩散电极作为阴极，将空气或氧气通过空气泵等曝气装置直接通入阴极表面，从而还原产生双氧水，其曝气装置会消耗大量的能耗，甚至占总处理能耗的一半左右。因此，在传统的过氧絮凝体系的基础上，减少曝气能耗，将大大降低污水处理成本，提升处理效能。

发明内容

本发明针对传统过氧絮凝体系曝气能耗高的问题，采用主动扩散式阴极，无需额外曝气，且该阴极使用的炭黑和PTFE量远低于传统的空气扩散阴极并产生更多的双氧水产量，从而降低了运行能耗并大大提高了废水处理效果，在农药等有机废水处理中具有较好的应用前景。

本发明处理有机废水的方法如下：

炭黑和聚四氟乙烯改性制备的主动扩散式电极为阴极，该阴极扩散层一侧与空气接触，而催化层一侧浸没在有机废水中，阳极为铁板，两极间距为0.5-2cm 构成无隔膜反应器，调节废水pH范围为3-9，控制电流为25-300mA进行处理。其中所述阴极催化层炭黑与60％聚四氟乙烯混合比例为0.4mL/g。

本处理方法的突出优点和有益效果：

(1)采用主动扩散式阴极，无需外加曝气，扩散层接触空气使得氧气主动扩散至催化层表面原位还原产生双氧水，双氧水产量高且阴极制备所需原材料量较少，降低了能耗，节约了运行成本；

(2)耦合了电絮凝、电芬顿等工艺优势，大大提高了农药废水污染物的去除效果和矿化效率；

(3)在较宽的pH范围内，其TOC去除效果都较好，使其在实际废水的处理前景中具有一定优势；

(4)与电芬顿工艺相比，无需额外添加化学药剂、能耗较低且TOC降解效果较好。

附图说明：

图1为主动扩散式阴极与传统空气扩散阴极双氧水产量对比。

图2为主动扩散式阴极过氧絮凝体系与传统空气扩散阴极过氧絮凝体系以及电芬顿体系TOC去除效果对比。

图3为主动扩散式阴极过氧絮凝体系与传统空气扩散阴极过氧絮凝体系以及电芬顿体系能耗对比。

图4为电流因素对过氧絮凝效果的影响。

图5为电芬顿体系不同pH条件下TOC的降解效果。

图6为过氧絮凝体系不同pH条件下TOC的降解效果。

具体实施方式

下面结合具体数据以及制图实施例对本申请的发明内容作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

在过氧絮凝体系中，阳极为铁板，阴极为碳黑和PTFE以一定比例制备的主动扩散式电极；传统过氧絮凝体系中的阴极为空气扩散阴极；电芬顿体系中，阳极为DSA，阴极为主动扩散式电极。

(2)处理效果

如图1所示，NADE(Natural Air Diffusion Electrode)为主动扩散式阴极，涂覆碳黑的量为70mg，60％PTFE的添加比例为0.4mL/g；AAE(Aerated Air Electrode)为传统的空气扩散阴极，涂覆碳黑的量为175mg，60％PTFE的添加比例为1.79mL/g；实验条件为pH＝3，电流为100mA，0.05M Na₂SO₄电解质，可以看出主动扩散式阴极在两个小时的双氧水产量为180mg/L，而传统的空气扩散式阴极两个小时的双氧水产量只有80mg/L，不足主动扩散式阴极双氧水产量的一半。

如图2所示，实验条件为100mg/L 2，4-D，电流为100mA，pH为3，三种不同体系TOC去除效果对比可以看出，主动扩散式阴极的过氧絮凝(EP-NADE) 体系TOC降解效果最好，2小时可以达到80％，而传统过氧絮凝(EP-AAE)体系2小时TOC去除为65％，主动扩散式电芬顿(EF-NADE)体系TOC去除率仅为46％。

如图3所示，同样实验条件为100mg/L 2，4-D，电流为100mA，pH为3，三种不同体系能耗对比可以看出，主动扩散式阴极的过氧絮凝体系能耗最小为 12.01kWh/(kg TOC)，传统的空气扩散阴极过氧絮凝体系能耗为20.51kWh/(kg TOC)，主动扩散式阴极电芬顿体系能耗为58.95kWh/(kg TOC)。

如图4所示，实验条件为100mg/L 2，4-D，pH为3，不同电流对2，4-D去除效果的影响图可以看出，随着电流的增大，2，4-D的去除效果加快，在100mA 电流条件下，30min就可达到100mg/L 2，4-D的完全去除。

如图5所示，实验条件为100mg/L 2，4-D，电流为100mA，在pH＝3-9的范围内，该主动扩散式电芬顿体系矿化效率较低，在pH＝3的条件下TOC降解效果最好，2小时只有46％。

如图6所示，实验条件为100mg/L 2，4-D，电流为100mA，在pH＝3-9的范围内，该主动扩散式过氧絮凝体系2小时TOC去除效果都在60％以上，在pH＝3-6 范围内都接近80％，说明在该体系下2，4-D的矿化效果较好，远远高于电芬顿体系矿化效果。

以上所述，仅为本发明的一个实施实例而已，并非对本发明做任何形式上的限制；凡本行业的普通技术人员均可按说明书附图所示和以上而顺利地实施本发明；但是，凡熟悉本专业的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，可利用以上所示的内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施实例；同时，凡依据本发明的实质技术对以上实施实例所做的任何等同变化的更动、修饰与演变等，均属于本发明的技术方案的保护范围之内。

Claims

1.一种采用主动扩散式阴极的过氧絮凝高效处理有机废水的方法，其特征在于：炭黑和聚四氟乙烯改性制备的主动扩散式电极为阴极，该阴极扩散层一侧与空气接触，而催化层一侧浸没在有机废水中，阳极为铁板，两极间距为0.5-2cm构成无隔膜反应器，调节废水pH范围为3-9，控制电流为25-300mA进行处理。

2.根据权利要求1所述的处理方法，其特征在于所述阴极催化层炭黑与60％聚四氟乙烯混合比例为0.4mL/g。