CN111252867A - 一种反向电渗析反应器、废水处理装置及其应用 - Google Patents

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马鹏飞
李金城
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Abstract

本发明公开了一种反向电渗析反应器、废水处理装置及其应用，包括阴极室、阳极室和两个外壳，阴极室和阳极室设置在外壳之间，阳极室和阴极室间设置若干离子交换单元，离子交换单元包括阳离子交换膜、第一塑料网状垫片、阴离子交换膜和第二塑料网状垫片；离子交换单元中设置高盐水通道和低盐水通道，第一塑料网状垫片和第二塑料网状垫片设水流通道，水流通道分别对应连通高盐废水通道和低盐废水通道；外壳下部设低盐废水入口和高盐废水入口，上部设高盐废水出口和低盐废水出口；利用废水中存在的盐度梯度产生电能，结合电极的活性氯间接电化学氧化和阴极的电芬顿机制，应用于废水中有机污染物的电化学降解，能实现无外加电场时去除废水中有机物。

Description

一种反向电渗析反应器、废水处理装置及其应用
技术领域
本发明属于电化学领域，具体涉及一种反向电渗析反应器、废水处理装置及其应用。
背景技术
随着水体污染问题日益加重，各国对污水排放的立法要求日趋严格，采用电化学催化氧化法处理难生物降解有机污染物的技术引起了研究者的广泛关注。相比于其他种类的废水处理技术，电化学方法的主要优势在于反应条件温和，操作灵活，易于自动化，选择性强，无二次污染等。大量的研究集中于对各种电化学催化技术进行评估，并试图寻找一种更加合适、高效的操作条件及反应设备。但是这些研究始终无法避免电化学废水处理技术高电耗的弊端。
发明内容
针对电化学废水处理技术高能耗的问题，本发明提出一种反向电渗析反应器、废水处理装置及其应用，应用于废水中有机污染物的电化学降解，能实现无外加电场条件下对废水中有机物去除的目标。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：一种反向电渗析反应器，包括阴极室、阳极室和两个外壳，阴极室和阳极室设置在两个外壳之间，阴极室下部开设有阴极配水口，阴极室上部开设阴极出水口，阳极室下部开设有阳极配水口，阳极室上部开设阳极出水口；
阳极室中设置有阳极板，阴极室中设置阴极，阳极室和阴极室之间设置有若干离子交换单元，离子交换单元包括阳离子交换膜、第一塑料网状垫片、阴离子交换膜和第二塑料网状垫片；离子交换单元中设置有高盐水通道和低盐水通道，第一塑料网状垫片和第二塑料网状垫片均设置有水流通道，第一塑料网状垫片的水流通道连通高盐废水通道，第二塑料网状垫片的水流通道连通低盐废水通道；
外壳的下部开设有低盐废水入口和高盐废水入口，外壳的上部开设有高盐废水出口和低盐废水出口。
阳极板采用钛基镀二氧化铱DSA电极，阴极采用碳毡。
阳离子交换膜和阴离子交换膜均选用均相交换膜。
离子交换单元至少设置有60个。
一种基本发明所述的反向电渗析反应器的废水处理装置，包括阳极储液池、阴极储液池以及加压装置，阳极出液池中装有高盐电解液，阴极储液池中装有低盐电解液，低盐电解液中加入Fe2+；低盐储液池的出口连通阴极配水入口，阴极配水出口连通低盐储液池的回水口；高盐储液池的出口连通阳极配水入口，阳极配水出口连通高盐储液池的回水口；高盐废水入口连通高盐废水管道，低盐废水入口连通低盐废水管道。
低盐电解液中含有Fe2+的浓度为50mM。
本发明所述废水处理装置还包括控制器和流量计，低盐储液池的出口至阴极配水入口和高盐储液池的出口至阳极配水入口管路上均设置流量计，流量计连接控制器的输入端，控制器的输出端连接加压装置的控制信号输入端。
高盐废水管道和低盐废水管道上也设置有加压装置，加压装置均为蠕动泵。
本发明所述废水处理装置在废水处理中的应用，所述废水为含有高氯化钠盐和低氯化钠盐的废水。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：本发明所述反向电渗析反应器将独立的阳极氧化反应、阴极还原反应以及Cl-电迁移反应组合起来，分别对含高低氯盐废水进行有机物的去除；本发明利用废水中广泛存在的盐度梯度产生电能，结合电极的活性氯间接电化学氧化和阴极的电芬顿机制，应用于废水中有机污染物的电化学降解，能实现无外加电场条件下对废水中有机物去除的目标。
进一步的，阳极采用钛基镀二氧化铱DSA电极，此电极析氯活性较高，呈现多孔结构，极板表面易形成酸化膜，促进活性氯氧化反应，并且极板寿命较长；阴极选用碳毡电极，这是因为碳制电极析氢过电位较高，H2O2催化分解活性较低，稳定性、导电性和化学抵抗性都较强，而碳毡具有较高的活性比表面积和孔隙率，可降低电极的真实电流密度，有益于H2O2的产生。
进一步的，阳离子交换膜和阴离子交换膜均选用均相交换膜，其化学结构均匀，孔隙小，膜电阻小，不易渗漏，电化学性能优良。
附图说明
图1为反向电渗析反应器的结构示意图。
图2为本发明所述废水处理装置结构示意图。
图3为本发明电解液和废水流向示意图。
图4塑料网状垫片水流通道示意图。
1-外壳；2-DSA阳极板；3-橡胶垫片；4-阳离子交换膜；5-塑料网状垫片；6-阴离子交换膜；7-第二塑料网状垫片；8-碳毡阴极板，9-阳极储液池，10-流量计，11-阴极储液池，12-加压装置。
具体实施方式
下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。
如图1所示，一种反向电渗析反应器，包括阴极室、阳极室和两个外壳1，阴极室和阳极室设置在两个外壳1之间，阴极室下部开设有阴极配水口，阴极室上部开设阴极出水口，阳极室下部开设有阳极配水口，阳极室上部开设阳极出水口；
阳极室中设置有阳极板，阴极室中设置阴极，阳极室和阴极室之间设置有若干离子交换单元，离子交换单元包括阳离子交换膜4、第一塑料网状垫片5、阴离子交换膜6和第二塑料网状垫片7；离子交换单元中设置有高盐水通道和低盐水通道，第一塑料网状垫片5和第二塑料网状垫片7均设置有水流通道，第一塑料网状垫片5的水流通道连通高盐废水通道，第二塑料网状垫片7的水流通道连通低盐废水通道；
外壳1的下部开设有低盐废水入口和高盐废水入口，外壳1的上部开设有高盐废水出口和低盐废水出口。
阳极板采用钛基镀二氧化铱DSA电极，阴极采用碳毡。
阳离子交换膜和阴离子交换膜均选用均相交换膜。
低盐废水的出/入口开设在同一端或者分别设置在两端；高盐水的出/入口开设在同一端或者分别设置在两端。
第一塑料网状垫片5和第二塑料网状垫片7的280nm和几何形状能够确保降低压降，从而增加系统输送的净功率。
一种基于本发明所述的反向电渗析反应器的废水处理装置，包括阳极储液池9、阴极储液池11以及加压装置12，阳极出液池中装有高盐电解液，阴极储液池11中装有低盐电解液，低盐电解液中加入Fe2+；低盐储液池的出口连通阴极配水入口，阴极配水出口连通低盐储液池的回水口；高盐储液池的出口连通阳极配水入口，阳极配水出口连通高盐储液池的回水口；高盐废水入口连通高盐废水管道，低盐废水入口连通低盐废水管道。
低盐电解液中含有Fe2+的浓度为50mM。
废水处理装置还包括控制器和流量计10，低盐储液池的出口至阴极配水入口和高盐储液池的出口至阳极配水入口管路上均设置流量计10，流量计10连接控制器的输入端，控制器的输出端连接加压装置12的控制信号输入端。
高盐废水管道和低盐废水管道上也设置有加压装置12，加压装置12均为蠕动泵。
废水盐度梯度为：高盐废水氯化钠含量100-200g/L，低盐废水中氯化钠含量不超过16g/L。在电解过程中，阳极室活性氯间接电化学氧化可将高盐废水中有机物去除50％～70％，阴极室电芬顿过程可将低盐废水中有机物去除30％～60％。
所述废水为含有高氯化钠盐和低氯化钠盐的废水，如焦化厂中的焦化废水和脱硫废液，制药厂不同工序排放的含盐量差异较大的废水。
本发明的反应原理：依靠不同废水中不同的NaCl含量带来的盐浓度梯度，阳离子交换膜和阴离子交换膜的两侧分别是高盐水和低盐水，高盐水和低盐水中离子浓度不同，在阳离子交换膜和阴离子交换膜的两侧产生电势差；使用DSA(Ti/RuO2)阳极电解产生大量的活性氯氧化剂，对高盐废水中的有机污染物进行间接降解，转化为小分子物质或彻底降解为CO2和H2O。阴极使用碳毡，加入0.5mM的Fe2+，电解过程中产生H2O2，在Fe2+的作用下发生电芬顿反应，对低盐废水中有机污染物进行降解，
阳极采用钛基镀二氧化铱DSA电极，此电极析氯活性较高，呈现多孔结构，极板表面易形成酸化膜，促进活性氯氧化反应，并且极板寿命较长。阴极选用碳毡电极，碳毡电极析氢过电位较高，H2O2催化分解活性较低，稳定性、导电性和化学抵抗性都较强，而碳毡具有较高的活性比表面积和孔隙率，可降低电极的真实电流密度，有益于H2O2的产生。离子交换膜分别选用阴阳离子均相离子交换膜。
优选的第一塑料网状垫片5和第二塑料网状垫片7均采用市售商品。
作为可选的实施例，第一塑料网状垫片5和第二塑料网状垫片7的边缘开设通孔，第一塑料网状垫片5的两面一周均贴有塑料膜，所述塑料膜上设置有水流通道，水流通道间隔连通通孔。第一塑料网状垫片5和第二塑料网状垫片7的水流通道分别连通不重合的通孔。
电解液、高盐水(HC)和低盐水(LC)的流向示意图，如3所示。
本发明提供了上述反向电渗析反应器在含盐有机废水的电化学氧化处理中的应用。所述的应用过程为：
关于具体应用的案例，如下：
实施例1：某农药企业废水处理：
某溴虫腈生产废水不同生产工段排放废水最高含有氯化钠131.89g/L，对应的COD含量为215392mg/L。最低含有氯化钠12.25g/L，对应COD含量为130048mg/L。将含高低盐有机废水引入配备了钛基镀二氧化铱DSA阳极板、碳毡阴极板和60组阴阳离子交换膜的自制电解反应器中，每个蠕动泵流速为200mL/min，阴阳极室电解液200mL，连续反应过程中持续产生电流密度1.8A/m2，反应运行4h测定阴阳极室内废水COD含量，并更换新的原始废水200mL。反应可持续获得阳极室COD去除率约62％，阴极室COD去除率约45％。
实施例2：某二氯烟酸废水处理
某企业二氯烟酸废水含有氯化钠165.96g/l，COD含量为26500mg/l，将此废水作为高盐废水引入上述引入配备了钛基镀二氧化铱DSA阳极板、碳毡阴极板和60组阴阳离子交换膜的的自制反应器内。企业生产回用水作为低盐废水，其氯化钠含量为2.5g/L。每个蠕动泵流速为200mL/min。阴阳极室电解液200mL，连续反应过程中持续产生电流密度2.3A/m2，反应运行3h测定阴阳极室内废水COD含量，并更换新的原始废水200mL。反应可持续获得阳极室COD去除率约65％。

Claims (9)

1.一种反向电渗析反应器，其特征在于，包括阴极室、阳极室和两个外壳(1)，阴极室和阳极室设置在两个外壳(1)之间，阴极室下部开设有阴极配水口，阴极室上部开设阴极出水口，阳极室下部开设有阳极配水口，阳极室上部开设阳极出水口；
阳极室中设置有阳极板，阴极室中设置阴极，阳极室和阴极室之间设置有若干离子交换单元，离子交换单元包括阳离子交换膜(4)、第一塑料网状垫片(5)、阴离子交换膜(6)和第二塑料网状垫片(7)；离子交换单元中设置有高盐水通道和低盐水通道，第一塑料网状垫片(5)和第二塑料网状垫片(7)均设置有水流通道，第一塑料网状垫片(5)的水流通道连通高盐废水通道，第二塑料网状垫片(7)的水流通道连通低盐废水通道；
外壳(1)的下部开设有低盐废水入口和高盐废水入口，外壳(1)的上部开设有高盐废水出口和低盐废水出口。
2.根据权利要求1所述的反向电渗析反应器，其特征在于，阳极板采用钛基镀二氧化铱DSA电极，阴极采用碳毡。
3.根据权利要求1所述的反向电渗析反应器，其特征在于，阳离子交换膜和阴离子交换膜均选用均相交换膜。
4.根据权利要求1所述的反向电渗析反应器，其特征在于，离子交换单元至少设置有60个。
5.一种基于权利要求1所述的反向电渗析反应器的废水处理装置，其特征在于，包括阳极储液池(9)、阴极储液池(11)以及加压装置(12)，阳极出液池中装有高盐电解液，阴极储液池(11)中装有低盐电解液，低盐电解液中加入Fe2+；低盐储液池的出口连通阴极配水入口，阴极配水出口连通低盐储液池的回水口；高盐储液池的出口连通阳极配水入口，阳极配水出口连通高盐储液池的回水口；高盐废水入口连通高盐废水管道，低盐废水入口连通低盐废水管道。
6.根据权利要求5所述的废水处理装置，其特征在于，低盐电解液中含有Fe2+的浓度为50mM。
7.根据权利要求5所述的废水处理装置，其特征在于，包括控制器和流量计(10)，低盐储液池的出口至阴极配水入口和高盐储液池的出口至阳极配水入口管路上均设置流量计(10)，流量计(10)连接控制器的输入端，控制器的输出端连接加压装置(12)的控制信号输入端。
8.根据权利要求5所述的废水处理装置，其特征在于，高盐废水管道和低盐废水管道上也设置有加压装置(12)，加压装置(12)均为蠕动泵。
9.权利要求5-8所述废水处理装置在废水处理中的应用，其特征在于，所述废水为含有高氯化钠盐和低氯化钠盐的废水。
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