CN111087053A

CN111087053A - 一种污泥基气体扩散粒子电极制备方法及其应用

Info

Publication number: CN111087053A
Application number: CN201911404261.9A
Authority: CN
Inventors: 徐娟; 陈晨
Original assignee: East China Normal University
Current assignee: East China Normal University
Priority date: 2019-12-31
Filing date: 2019-12-31
Publication date: 2020-05-01

Abstract

本发明公开了一种污泥基气体扩散粒子电极制备方法及其应用，其特点是利用污水处理的剩余污泥，掺入粘接剂、造孔剂和活化剂，搅拌后的污泥经热解碳化，制成电催化氧化处理的粒子电极，以成串的排列方式设置在塑料软管上，制得间距为2~3 cm的污泥基气体扩散粒子电极串，填充于三维电化学反应器中正/负电极板间为催化剂，集曝气与电催化为一体，用于高浓度有机废水的电催化氧化处理，实现高效持久的污水处理效果。本发明与现有技术相比具有高催化性能，有效缓解粒子电极失活，其效果更稳定，使用寿命更持久，大大提高了粒子电极内部的气液固三相传质效果，进一步降低系统对电能的消耗，实现高效持久的污水处理效果。

Description

一种污泥基气体扩散粒子电极制备方法及其应用

技术领域

本发明涉及电化学催化剂及运用技术领域，具体地说是一种污泥基气体扩散粒子电极制备方法及其在三维电化学中的应用。

背景技术

三维电化学技术具有降解效率高，电能消耗低等优点，非常适合于处理高浓度难降解有机废水。填充于阴阳主极板间的粒子电极是三维电化学反应器的核心单元，其性能直接决定三维电化学反应器对废水的处理效果。颗粒活性炭是目前使用最为普遍的粒子电极，但随着反应器运行时间的延长，粒子电极对污染物的催化降解能力显著下降，一方面可能是大量中间产物积累在活性位点上，另一方面是发生电絮凝反应，产生的氢氧化铁等絮凝物质堵住了GAC表面，阻碍反应进一步进行。因此，使用寿命更长的粒子电极的开发显得十分重要，由于粒子电极直接堆积，容易产生旁路电流和短路电流，影响降解能力。所以电极材料是电化学处理难降解废水的核心，而粒子电极的高催化性及稳定性是研究的关键。

气体扩散电极是含有气液固三相界面的多孔电极。在废水治理方面，通常将其作为阴极，以碳-PTFE或者金属催化剂/碳电极为材料制备而成，电解过程中，由于氧气直接传输到电极表面克服了限速步骤，促进芬顿或类芬顿反应产生羟基自由基这类强氧化剂，从而更好的处理难降解有机废水。专利CN107129013A公开了一种填充式管状电化学-多相-过臭氧催化装置和污水处理的方法，该过臭氧催化装置采用填充在管状曝气阴极和管状曝气阳极内部的阴极催化剂颗粒和阳极催化剂颗粒，以及臭氧发生器，用于难降解有机废水预处理或深度处理。专利CN107021583A公开了一种兼具臭氧异相催化-电催化功能的多孔钛臭氧曝气器，该臭氧曝气器由多孔钛基体以及负载在基体上的催化层构成，将多孔钛曝气器赋予臭氧异相催化以及电催化氧化的协同催化能力，可以达到污染物在曝气器内气、固、液三相的高效催化反应，达到目标污染物的高效矿化及去除的目的。上述技术方案都是借鉴了气体扩散电极降解的污染物的机理并在催化成分上加以改进，采用的都是多孔钛作为气体扩散基底，而且也都是作为主电极进行使用。

污泥是污水处理的副产物，据统计，每10000吨市政污水大约产生4~6吨污泥，不仅产量多，还含有毒有害物质，易腐化发臭。目前，污泥的处理一般采用填埋、堆肥、干化焚烧或消化制沼气和制建材等。污泥含碳量较高，且含有铁，铜、锌、铬、汞等重金属的特点，将其热解制成活性炭并作为三维粒子催化电极处理废水实现以污治污是十分有应用前景的污泥资源化利用的技术。而将气体扩散电极的机理运用在三维粒子电极上，尤其是以污泥基热解成的活性炭目前还未见有报道。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足而设计的一种污泥基气体扩散粒子电极制备方法及其应，利用污泥热解制备的活性炭，制成气体扩散粒子电极，采用成串的排列方式应用于三维电化学水处理过程，集曝气与电催化功能为一体，实现高效持久的污水处理效果，减少反应器内部的短路电流及旁路电流，降低系统对电能消耗，污泥基气体扩散粒子电极为三维电化学反应器中粒子电极堵塞失活问题提供了新的解决方案，有助于推动三维电化学技术在污水处理领域的应用。

本发明的目的是这样实现的：一种污泥基气体扩散粒子电极制备方法，其特点是污泥中掺入粘接剂、造孔剂和活化剂，搅拌后的污泥经热解碳化，制成碳化的污泥环为粒子电极，其具体制备包括下述步骤：

（1）、将机械脱水的污泥在80~120℃温度下烘干至3~5wt%含水率，粉碎后经100~300目过筛，得到污泥粉末。

（2）、在污泥粉末中掺入污泥质量为1~5%的羧甲基纤维素钠粘接剂和污泥质量为10~20%的聚甲基丙烯酸甲酯造孔剂，搅拌混匀后添加污泥质量为20~40%的2~8 mol/L氯化锌溶液，活化12~24 h。

（3）、将活化后的污泥搅拌揉捏成团，制成外径为1.5~2.0 cm的污泥环，在-20℃温度下冷冻干燥12~24 h为污泥生料环。

（4）将污泥生料环置于管式炉中，在氮气保护下，以10~20℃/min升温速度，加热至500~1000℃温度，热解碳化2~4 h。

（5）、将上述碳化的污泥环置于60~80℃的水浴1~3 h，然后用纯水清洗至pH值为中性，在50~80℃温度下烘干，制得的碳化污泥环为粒子电极。

所述碳化污泥环为球状的中空形貌。

一种污泥基气体扩散粒子电极制备方法制备的电极的应用，其特点是将上述清洗、烘干的碳化污泥环以成串的排列方式设置在塑料软管上，制得间距为2~3 cm的污泥基气体扩散粒子电极串，所述塑料软管上设有出气孔与污泥环连接；所述污泥环与塑料软管采用环氧树脂粘接固定。将塑料软管一端用橡胶塞封闭，另一端与曝气口连接，填充于三维电化学反应器中正/负电极板间为催化剂，集曝气与电催化为一体，用于高浓度有机废水的电催化氧化处理，实现高效持久的污水处理效果。

本发明与现有技术相比具有以下优点和技术效果：

1）以剩余污泥为主要原料热解制备活性炭，可以将污泥中存在的铁、铜等金属成分转化为氧化态形式，作为活性催化组分原位负载于活性炭基体上，成为具有高催化性能的活性炭催化剂。

2）掺杂造孔剂，有助于形成均匀分布的孔隙结构，成为气体扩散的通道，提高粒子电极内部的气液固三相传质效果。

3）传统粒子电极在长期运行后由于催化位点逐渐被覆盖，其催化性能逐渐下降，本发明制备的气体扩散粒子电极通过内部扩散曝气，吹脱粒子电极孔道沉积的污染物，有效缓解粒子电极失活，其效果更稳定，使用寿命更持久。

4）成串的排列方式相较于堆叠可以减少三维电化学反应内部的短路电流和旁路电流，减少系统对电能的消耗。

附图说明

图1为污泥基气体扩散粒子电极制备流程图；

图2 为粒子电极串结构示意图；

图3 为塑料软管结构示意图；

图4 为三维电化学反应器结构示意图；

图5为两种曝气方式对染料废水电催化的氧化去除效果对比图。

具体实施方式

下面以利用城市污水处理的剩余污泥为主要原料，制备电催化氧化处理粒子电极的实施例对本发明作进一步的详细说明。

实施例1

参阅附图1，按下述步骤进行污泥基气体扩散粒子电极的制备：

一、污泥的机械脱水

将机械脱水的污泥在105℃温度下烘干至5wt%含水率，烘干的污泥经粉碎机粉碎和200目过筛，得到污泥粉末。

二、污泥的活化

在污泥粉末中掺入污泥质量为2%的羧甲基纤维素钠为粘接剂和污泥质量为15%的聚甲基丙烯酸甲酯为造孔剂，搅拌混匀后添加污泥质量为30%的5 mol/L氯化锌溶液，活化18 h。

三、污泥生料环的成型

将活化后的污泥搅拌，揉捏成团后称取6 g污泥置于硅胶模具中，在-20℃冷冻20分钟，取出成型污泥环，待外径稳定为2.0 cm后再冷冻干燥15h为污泥生料环。

四、热解碳化

将污泥生料环置于管式炉中，在氮气保护下，以15℃/min升温速度，加热至850℃温度，热解碳化3h后冷却至室温取出。

五、清洗和干燥

将上述碳化的污泥环置于70℃的水浴2h，然后用纯水清洗至pH值为中性，在750℃温度下烘干，制得污泥基气体扩散粒子电极的碳化污泥环。

实施例2

参阅附图2，将实施例1制备的碳化污泥环5为污泥基气体扩散粒子电极，并以成串排列的方式设置在塑料软管8上，制得间距为2.5 cm的电极串。

参阅附图3，所述塑料软管8与碳化污泥环5连接的地方设有若干出气孔9。

参阅图4，将总质量为36.8 g的粒子电极垂直放置于三维电化学反应器中，用支管连接成为两排，一排四串，每串四个碳化污泥环5（粒子电极），电极串填充于连接直流稳压电源1的阳极2和阴极3之间为催化剂，对罗丹明B染料废水6进行电催化氧化处理。所述三维电化学反应器的阳极2采用基钌铱氧化物电极，阴极3为纯钛板，直流稳压电源1为8 V电压，罗丹明B染料废水6的浓度为100 mg/L，其废水处理量为400 mL，采用0.1 mol/L硫酸钠溶液为支持电解质。

反应器分布采用内部曝气方式为：将电极串一端的塑料软管8用橡胶塞封闭，另一端塑料软管8与内部曝气进管4连接，气体从碳化污泥环5（粒子电极）扩散出来；反应器分布采用外部曝气方式为：外部曝气将曝气头置于反应器中并与外部曝气进管7连接。反应器分布采用内部和外部两种曝气方式分别对罗丹明B染料废水6进行降解，其曝气量均控制为160 mL/min，降解实验以批次方式进行，每个批次反应30分钟后取样，过0.45 μm滤膜，测定罗丹明B染料废水6的降解率，连续进行8个批次。

参阅图5，通过污泥基气体扩散粒子电极内部曝气与外部曝气在三维电化学反应器中对罗丹明B的电催化氧化去除效果对比，内部曝气的处理效率明显高于外部曝气，同时随着反应时间的进行，处理效率的衰减较之外部曝气更为缓慢，表明内部曝气比外部曝气对污染物的电催化氧化效果和稳定性都要优于外部曝气。

以上只是对本发明做进一步说明，并非用以限制本专利，凡为本发明等效实施，均应包含于本专利的权利要求范围之内。

Claims

1.一种污泥基气体扩散粒子电极制备方法，其特征在于污泥中掺入粘接剂、造孔剂和活化剂，搅拌后的污泥经热解碳化，制成的污泥环为粒子电极，其具体制备包括下述步骤：

（1）、将机械脱水的污泥在80~120℃温度下烘干至3~5wt%含水率，烘干的污泥经粉碎、过筛后得到污泥粉末；

（2）、在污泥粉末中掺入污泥质量1~5%的羧甲基纤维素钠为粘接剂和污泥质量10~20%的聚甲基丙烯酸甲酯为造孔剂，搅拌混匀后添加污泥质量20~40%的2~8 mol/L氯化锌溶液，活化12~24 h；

（3）、将活化后的污泥搅拌揉捏成团，制成外径为1.5~2.0 cm的污泥环，在-20℃温度下，冷冻干燥12~24 h为污泥生料环；

（4）、将污泥生料环在氮气保护下，以10~20℃/min升温速度，加热至500~1000℃温度，热解碳化2~4 h；

2.根据权利要求1所述污泥基气体扩散粒子电极制备方法，其特征在于所述碳化污泥环为球状的中空形貌。

3.一种权利要求1所述污泥基气体扩散粒子电极制备方法制备的电极的应用，其特征在于所述碳化污泥环以成串排列的方式设置在塑料软管上，制得间距为2~3 cm的污泥基气体扩散粒子电极串，将塑料软管一端用橡胶塞封闭，另一端与曝气口连接，填充于三维电化学反应器中正/负电极板间为催化剂，集曝气与电催化为一体，用于高浓度有机废水的电催化氧化处理，所述塑料软管上设有出气孔与污泥环连接。

4.根据权利要求3所述污泥基气体扩散粒子电极制备方法制备的电极的应用，其特征在于所述塑料软管与污泥环采用环氧树脂粘接固定。