CN111302447A

CN111302447A - 利用三维零价纳米铁生物碳电极高效处理高浓度有机废液的电芬顿装置及其使用方法与应用

Info

Publication number: CN111302447A
Application number: CN202010217438.0A
Authority: CN
Inventors: 利锋; 张超
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2020-03-25
Filing date: 2020-03-25
Publication date: 2020-06-19

Abstract

本发明公开利用三维零价纳米铁生物碳电极高效处理高浓度有机废液的电芬顿装置及其使用方法与应用。该装置包括电Fenton反应器部分、太阳能光伏发电部分、人工智能监测控制部分与生物碳分离回收部分；所述电Fenton反应器部分的阳极与空气扩散阴极由纳米铁生物碳压制而成，阴极添加足量对苯二酚与羟胺以促进铁源高效利用。本发明是基于羟基自由基氧化原理设计，特点如下：三维零价纳米铁生物碳电极大大提高了电Fenton系统对污染物的降解效率；实现Fenton试剂零添加高效处理高浓度有机废液；克服了原始电Fenton系统碱性条件下处理效率差的缺陷；太阳能供电人工智能控制系统，清洁环保。

Description

利用三维零价纳米铁生物碳电极高效处理高浓度有机废液的电芬顿装置及其使用方法与应用

技术领域

本发明涉及一种高浓度有机废液的高效处理装置，具体涉及利用三维零价纳米铁生物碳电极高效处理高浓度有机废液的电芬顿装置及其使用方法与应用。

背景技术

Fenton系统是指Fe²⁺离子与H₂O₂溶液的混合系统，由于Fe²⁺离子可以高效催化分解H₂O₂，使得H₂O₂溶液产生氧化性仅次于氟的羟基自由基，从而达到有效去除水体中有机污染物的目的。电Fenton系统可以通过电化学作用在系统阴极结合氧气与水生成H₂O₂，实现Fenton系统H₂O₂零添加。电Fenton系统有机污染物降解性能的提高一直都是环境领域重点关注的热点话题。

生物碳是通过对固体生物质废料缺氧高温处理而得到的一系列具有良好吸附性、氧化还原特性、持水性和电导性的环境友好型材料。生物碳作为土壤改良剂，可以高效保持水土并有助植物生长，被广泛应用于农业与碳收集储存（封存温室气体）等方方面面。然而在应用过程中却忽视了生物碳的其它优良特性，如良好的电导性使生物碳足以胜任在高浓度有机废液电化学处理中作为电极的角色。同时，生物碳电极应用于电Fenton系统处理有机废液，可以利用其良好的吸附性高效地吸附有机污染物，使得有机污染物在系统中产生强力的电极趋向运动。生物碳电极在短时间内吸附大量有机污染物之后，利用电Fenton系统出色的阳极氧化性能与阴极羟基自由基氧化性能迅速完成电极自清洁，可以继续吸引有机污染物，周而复始地促进有机污染物加速氧化，从而成倍提高电Fenton系统的污染物处理性能。另外，生物碳中多种持久性自由基可以利用其优良的氧化还原性能高效地活化H₂O₂，大大提高羟基自由基的生成，从另一方面增强电Fenton系统的氧化处理高浓度有机废液的性能。

零价纳米铁对生物碳的改性，使得生物碳的各项性能成倍提升。零价纳米铁同样是一种有优良吸附性能、氧化还原性能与导电性能的新型环境友好型材料。零价纳米铁是化学还原性很强的还原剂，因其特有的表面效应和小尺寸效应（直径100nm以下），从而具有优越的吸附性与还原性。最重要的是，零价纳米铁具有出色的脱氯性能。大多数含氯有机污染物的强烈毒性或多或少的来源于利用化学键结合在碳链与环状结构上的氯原子，有机物的脱氯可以大幅降低自身的毒性。所以，零价纳米铁对于降低有机污染物降解产物的毒性方面可以发挥不可限量的作用。然而零价纳米铁极易产生团聚作用，使得其优良特性随表面积的缩小大打折扣。生物碳作为一种载体，可以使零价纳米铁化学沉积在生物碳的多孔结构中，而不产生团聚作用。生物碳电极结合零价纳米铁不仅提升了电极的吸附性与导电性，促进有机污染物的电极趋向运动与电Fenton系统的污染物处理能力，也使得电Fenton系统拥有了高效的脱氯作用，处理有机污染物更加清洁有效。零价纳米铁生物碳电极可以通过Fe单质失去电子，而为电Fenton系统提供源源不断的Fe²⁺，从而提高其有机污染物处理能力。

由于生物碳与改性生物碳材料在碱性条件下优良的吸附性能，零价纳米铁生物碳电极与生物碳在电Fenton系统中的应用可以根本性地突破电Fenton系统在碱性条件下不能或较难有效降解有机污染物的技术难题。对苯二酚与羟胺在电Fenton系统阴极的应用，可以有效捕捉由Fe²⁺离子对H₂O₂催化产生的Fe³⁺离子，并将其重新转化为Fe²⁺离子，提高系统对H₂O₂的催化效率，提高Fe的利用效率。

所述太阳能光伏发电部分通过将光照下的太阳能转化并储存，然后由整流变压器为电Fenton反应器部分提供电能。所述人工智能监测控制部分可以通过测量可瞬时检测的基本水质指标，结合人工神经网络来精确预测待处理水体COD等水体污染程度指标，在特定水质情景下实时控制整个系统协调运行，实现人工智能控制系统进出水与生物碳添加分离等操作。所述生物碳分离回收部分基于密度分离原理，将生物碳与处理废液有效分离，并对生物碳重复利用。

目前大部分的电Fenton装置是基于羟基自由基氧化原理，利用强氧化性羟基自由基对目标有机污染物氧化降解而设计的装置。例如：中国专利（专利号为：CN 109502705 A）电絮凝与电Fenton联用装置，是利用电絮凝技术与电Fenton技术去除藻华污水中的蓝藻与有机污染物，达到污水处理与净化的目的，但事实并不能如所述Fe³⁺离子通过电Fenton系统阴极可以有效转化为Fe²⁺离子而达到系统中Fe²⁺的无限循环，且并没有克服电Fenton系统在碱性条件下极低的处理效率。另外，中国专利（专利号为：CN 108928892 A），是一种基于电Fenton耦合电絮凝处理垃圾渗滤液的方法，虽然可以通过电Fenton和电絮凝对垃圾渗滤液中部分有机污染物达到去除效果，但因为铁源为阳极铁板且无Fe²⁺循环利用的设计，所以需要频繁更换阳极铁板，且有大量铁泥产生，影响氧化效率。在碱性条件下氧化效果同样不尽理想，尽管会生成大量的氢氧化铁导致絮凝效果提升，但系统内生成的铁泥导致工作量翻倍。尽管大部分的电Fenton装置都通过各种方式提升其有机污染物处理效率，但都没有根本性解决电Fenton系统本身的缺陷。

开发一种结构简单、能广泛性使用、成本低廉、便于拆卸组装、维护难度低、智能高效控制、能源清洁的高效处理高浓度有机废液的装置，研究迫切需要解决的首要问题。本发明基于羟基自由基氧化原理设计的一种快速、高效、智能连续处理高浓度有机废液的装置。可根据需求实现有机污染物的高效去除，纳米铁生物碳电极强吸附作用增强电Fenton系统羟基自由基氧化与阳极氧化；有效提高电Fenton系统碱性状态废水处理能力；生物碳持久自由基有效活化H₂O₂；纳米铁高效脱氯有效降低污染物毒性；实现零添加高效处理高浓度有机废液。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种三维零价纳米铁生物碳电极高效处理高浓度有机废液的电芬顿装置，其次要目的在于提供一种利用三维零价纳米铁生物碳电极电Fenton装置处理高浓度有机废液的方法。

本发明是基于羟基自由基氧化原理设计，特点如下：1.零价纳米铁生物碳电极强吸附作用增强电Fenton系统羟基自由基氧化与阳极氧化效率；2.零价纳米铁生物碳电极的应用可以有效提高电Fenton系统碱性状态废水处理能力；3.生物碳中大量持久性自由基可以有效活化H₂O₂，产生强氧化性羟基自由基促进有机污染物降解；4.纳米铁具有高效脱氯性能，可以有效降低污染物毒性；5.对苯二酚与羟胺的应用可以有效促进Fe²⁺离子的再生，提高系统对H₂O₂的催化效率，提高Fe的利用效率；6.实现零添加高效处理高浓度有机废液。

本发明的技术方案如下。

一种利用三维零价纳米铁生物碳电极高效处理高浓度有机废液的电Fenton装置，包括电Fenton反应器部分、太阳能光伏发电部分、人工智能监测控制部分与生物碳分离回收部分；

所述电Fenton反应器部分包括废液生物碳混合池、玻璃钢耐腐蚀反应池、零价纳米铁生物碳阳极网筒、阴极空气导入管、对苯二酚羟胺零价纳米铁生物碳空气扩散式阴极、导电疏水碳纤维布、镍网、叶片式旋转搅拌转子、加热磁力搅拌系统、渣浆泵、废液进水管、处理液出水管、高压气泵、耐腐蚀软管、阴阳两极碳纤维复合芯导线和电磁阀；

所述太阳能光伏发电部分包括太阳能光伏发电组件和整流变压器；所述人工智能检测控制部分包括水质基本指标实时监测仪、可编程控制器和水位计；

所述生物碳分离回收部分基于密度分离原理与负压过滤原理，应用全自动排渣离心分离机与负压过滤系统，可将生物碳与处理废液高效分离；

其中，所述太阳能光伏发电组件与高压气泵、整流变压器、渣浆泵、可编程控制器、加热磁力搅拌系统、生物碳分离回收部分通过导线连接；所述高压气泵与6个阴极空气导入管通过耐腐蚀软管连接；所述玻璃钢耐腐蚀反应池为圆柱形，内置叶片式旋转搅拌转子与加热磁力搅拌系统，所述零价纳米铁生物碳阳极网筒固定于玻璃钢耐腐蚀反应池的圆柱上圆心处，且所述零价纳米铁生物碳阳极网筒与整流变压器正极相连接；所述阴极空气导入管呈六角形等距固定于零价纳米铁生物碳阳极网筒周围；所述对苯二酚羟胺零价纳米铁生物碳空气扩散式阴极三层结构设置于阴极空气导入管内部，且通过阴阳两极碳纤维复合芯导线与整流变压器负极相连接；所述对苯二酚羟胺零价纳米铁生物碳空气扩散式阴极三层结构由对苯二酚羟胺零价纳米铁生物碳空气扩散式阴极、导电疏水碳纤维布、镍网按照自下而上层状叠压而成；所述渣浆泵通过导管两侧连接废液生物碳混合池与废液进水管，所述废液进水管与玻璃钢耐腐蚀反应池连接，所述玻璃钢耐腐蚀反应池通过处理液出水管与生物碳分离回收部分连接；所述可编程控制器与水质基本指标实时监测仪、水位计、电磁阀、渣浆泵通过导线连接；所述水质基本指标实时监测仪、水位计位于玻璃钢耐腐蚀反应池内部；所述电磁阀设置于玻璃钢耐腐蚀反应池的进口和出口处。

进一步地，所述太阳能光伏发电组件的额定输出电压为220V。

进一步地，所述高压气泵每个耐腐蚀软管向阴极空气导入管输入空气流速为0.4~1.0 L/min。

进一步地，所述零价纳米铁生物碳阳极网筒由零价纳米铁生物碳、水与聚四氟乙烯以质量比3：5：11~22比例混合均匀涂抹于卷制而成的RuO₂/Ti网上风干制成。

进一步地，阴极空气导入管底部为空心圆型，对苯二酚羟胺零价纳米铁生物碳空气扩散式阴极由零价纳米铁生物碳与对苯二酚与羟胺通过聚四氟乙烯胶结压制而成，与导电疏水碳纤维布、镍网由下而上叠压之后通过阴阳两极碳纤维复合芯导线连接整流变压器阴极。

进一步地，所述加热磁力搅拌系统控制叶片式旋转搅拌转子的转速为600~1000rpm，温度为45~60℃。

进一步地，所述可编程控制器通过水质基本指标实时监测仪测定的基本水质指标pH、溶解氧、电导率、温度、TDS的时间序列与前期测定并输入的COD指标序列构建遗传算法耦合人工神经网络学习机制，后期完全通过基本水质指标来精确推测实时COD参数，通过实时COD参数与水位计提供的水位信息来智能控制所述电磁阀与渣浆泵运行。当实时COD >20 mg/L时，系统持续运行；当实时COD < 20 mg/L时，可编程控制器控制右侧电磁阀开启，将玻璃钢耐腐蚀反应池中反应液体排入生物碳分离回收部分，然后关闭右侧电磁阀，生物碳分离回收部分开始运行，并打开左侧电磁阀，渣浆泵运行，将废液生物碳混合池中的液体泵入玻璃钢耐腐蚀反应池，水位计显示水位达到反应池3/4时，渣浆泵停止运行，左端电磁阀关闭，系统开始进入新一轮的废液处理流程。

进一步地，所述废液生物碳混合池中加入的生物碳为湿垃圾或餐厨垃圾回收的生物质与水葫芦、旱伞竹、茶叶渣在400~500℃隔绝氧气条件下混合烧制2小时后粉碎产生。

进一步地，所述对苯二酚羟胺零价纳米铁生物碳空气扩散式阴极的制备方法，包括如下步骤：将对苯二酚与羟胺按照质量比1：0.25~1比例混合；混合物与零价纳米铁生物碳、异丙醇水混合液（v:v=50：50）、聚四氟乙烯按照质量比2：3：9：11~22混合，均匀涂抹于导电疏水碳纤维布，置于阴凉干燥处压制风干后，上层混合物即形成对苯二酚羟胺零价纳米铁生物碳空气扩散式阴极。

进一步地，玻璃钢耐腐蚀反应池底部为凹形结构，与加热磁力搅拌系统完全契合，叶片式旋转搅拌转子可在凹形结构中间部分保持稳定旋转状态。

进一步地，所述生物碳分离回收部分采用全自动排渣离心分离机与负压过滤系统联用技术，保证生物碳与处理废液高效分离。

一种利用三维零价纳米铁生物碳电极高效处理高浓度有机废液的电芬顿装置的使用方法，包括如下方法：

（1）装置组装：将各部分先分别组装，安装先左后右和由下而上的原则进行组装，再通过导管与导线将各部分连接成为一个整体；

（2）加样：所述废液生物碳混合池加入已去除大颗粒废物的有机废液与生物碳，由可编程控制器控制渣浆泵与电磁阀，将混合液泵入玻璃钢耐腐蚀反应池中进行处理；

（3）高浓度有机废液处理：开启太阳能光伏发电组件，加热磁力搅拌系统、渣浆泵、高压气泵、电磁阀、整流变压器、水质基本指标实时监测仪、可编程控制器、生物碳分离回收部分将同时开始运行，将废液生物碳混合池中的有机废液与生物碳混合液泵入进入玻璃钢耐腐蚀反应池中，调节高压气泵气速在0.4~1.0 L/min的范围，叶片式旋转搅拌转子的转速范围为600~1000 rpm，水位计显示水位达到反应池3/4时，渣浆泵停止运行，左端电磁阀关闭，水质基本指标实时监测仪水质数据导入可编程控制器，实时判断水质达标情况，当水质达到可排放标准，右端电磁阀打开，处理液进入所述生物碳分离回收部分进行水碳分离，最终排入自然水体或回用。

上述装置应用于高浓度有机废液的处理，所述高浓度有机废液包括含新烟碱类农药噻虫胺的农业废水、含邻苯二甲酸酯、全氟化合物与有机磷阻燃剂的废水以及企业生产过程中所产生的高浓度有机废液等。

上述对苯二酚羟胺零价纳米铁生物碳空气扩散式阴极的优势在于，对苯二酚和羟胺单独运用在电Fenton体系中均存在强化促进Fe²⁺离子再生的效果，对苯二酚的强化再生效果要远远强于羟胺化合物。但是，羟胺运用自身性质对解决电Fenton系统较窄的pH适用范围问题有着不可替代的作用，可以拓宽电Fenton体系氧化降解有机污染物的有效pH适用范围，使其具有一定的抗水质背景冲击的能力。对苯二酚与羟胺在对零价纳米铁生物碳空气扩散式阴极的联用可以将其固定在阴极中形成非均相体系，大大减少对苯二酚与羟胺均相溶解于待处理废液带来的不必要污染，并高效提升了系统Fe²⁺离子再生能力与有效pH适用范围。

与现有技术相比，本发明的优势在于：

1）零价纳米铁生物碳电极不仅通过其强力的吸附性与催化特性大大提高了电Fenton系统对有机污染物的降解效率，并且实现了有机质废物变废为宝；

2）实现了Fenton试剂零添加并高效处理高浓度有机废液；

3）实现了Fe²⁺离子高效再生成，铁资源持续重复利用， Fenton系统铁泥零生成；

4）成倍提高了电Fenton系统在碱性条件下的有机废液处理效率，克服了电Fenton系统本身的缺陷；

5）系统消耗能源完全由太阳能提供，清洁环保可再生；

6）系统通过人工智能判断水质状况并智能控制，免除人工操作，精确准时。

附图说明

图1为本发明一种利用三维零价纳米铁生物碳电极高效处理高浓度有机废液的电Fenton装置示意图；

图2为本发明的玻璃钢耐腐蚀反应池立体示意图；

图3为本发明的玻璃钢耐腐蚀反应池俯视图；

图4为本发明的零价纳米铁生物碳阳极网筒立体图；

图5为本发明的阴极空气导入管立体图；

图6为本发明的对苯二酚羟胺零价纳米铁生物碳空气扩散式阴极三层结构（镍网4、导电疏水碳纤维布5、对苯二酚羟胺零价纳米铁生物碳空气扩散式阴极6）；

图7为本发明的零价纳米铁生物碳多孔结构扫描电子显微镜成像图；

图8为本发明的生物碳介质纳米铁负载的扫描电子显微镜成像图；

图9为本发明的零价纳米铁生物碳傅里叶变换红外光谱分析图；

图10与图11为本发明的零价纳米铁生物碳X射线光电子能谱分析图；

图12为本发明的零价纳米铁生物碳X射线衍射分析图；

图13、图14与图15分别为实施例1中农药废液在不同电极系统中H₂O₂、Fe²⁺与COD随时间的变化曲线。

图中各个部件如下：玻璃钢耐腐蚀反应池1、阴极空气导入管2、零价纳米铁生物碳阳极网筒3、镍网4、导电疏水碳纤维布5、对苯二酚羟胺零价纳米铁生物碳空气扩散式阴极6、叶片式旋转搅拌转子7、可编程控制器8、加热磁力搅拌系统9、电磁阀10、处理液出水管11、生物碳分离回收部分12、水位计13、废液进水管14、太阳能光伏发电组件15、水质基本指标实时监测仪16、高压气泵17、耐腐蚀软管18、整流变压器19、废液生物碳混合池20、渣浆泵21、阴阳两极碳纤维复合芯导线22。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步地具体详细描述，但本发明的实施方式不限于此，对于未特别注明的工艺参数，可参照常规技术进行。

废液生物碳混合池中加入的生物碳的制备方法：将回收的湿垃圾或餐厨垃圾中的生物质与水葫芦、旱伞竹、茶叶渣在真空干燥箱中干燥2小时或风干至基本完全干燥，然后将干燥物在氮气气氛或隔绝氧气条件下在400~500℃烧制2小时，待冷却至室温后，将烧制而成的块状生物碳放入粉碎机中进行粉碎处理，然后放入干燥过的带盖密封塑料桶进行密封保存。

对苯二酚羟胺零价纳米铁生物碳空气扩散式阴极的制备方法：将对苯二酚与羟胺按照质量比1：0.25比例混合；混合物与零价纳米铁生物碳、异丙醇水混合液（v:v=50：50）、聚四氟乙烯按照质量比2：3：9：11混合，均匀涂抹于导电疏水碳纤维布，置于阴凉干燥处压制风干后，上层混合物即形成对苯二酚羟胺零价纳米铁生物碳空气扩散式阴极。

说明书附图中，图7与图8均为零价纳米铁生物碳扫描电子显微镜成像图，图7表明本发明中生物碳烧制出适合吸附与催化的多孔结构，具有足够大的反应比表面积，图8中零价纳米铁颗粒负载在生物碳多孔结构表面，形成更大的比表面积，进一步促进了零价纳米铁生物碳的吸附与催化活性。图9为零价纳米铁生物碳傅里叶变换红外光谱分析图，反映了零价纳米铁生物碳多孔结构表面参与吸附与催化的活性官能团种类多样性。图10与图11为零价纳米铁生物碳X射线光电子能谱分析图，反映了零价纳米铁生物碳表面各元素的存在形式，尤其是铁元素是以多种形式存在，例如铁单质与磁性氧化铁等，促进了零价纳米铁生物碳吸附与催化的多样活性；结合图12零价纳米铁生物碳X射线衍射分析图，表明铁元素更多以铁单质形式存在，由于铁单质同时担负整个电Fenton系统中Fe²⁺离子的溶出与活化绝大部分阴极产生的H₂O₂等作用，所以更加充分表明本发明中零价纳米铁生物碳在电Fenton系统中极强的适用性优势。

如图1~图6所示，一种利用三维零价纳米铁生物碳电极高效处理高浓度有机废液的电Fenton装置，其特征在于，包括电Fenton反应器部分、太阳能光伏发电部分、人工智能监测控制部分与生物碳分离回收部分；所述电Fenton反应器部分包括废液生物碳混合池20、玻璃钢耐腐蚀反应池1、零价纳米铁生物碳阳极网筒3、阴极空气导入管2、对苯二酚羟胺零价纳米铁生物碳空气扩散式阴极6、导电疏水碳纤维布5、镍网4、叶片式旋转搅拌转子7、加热磁力搅拌系统9、渣浆泵21、废液进水管14、处理液出水管11、高压气泵17、耐腐蚀软管18、阴阳两极碳纤维复合芯导线22和电磁阀10；

所述太阳能光伏发电部分包括太阳能光伏发电组件15和整流变压器19；所述人工智能检测控制部分包括水质基本指标实时监测仪16、可编程控制器8和水位计13；

所述生物碳分离回收部分12基于密度分离原理与负压过滤原理，应用全自动排渣离心分离机与负压过滤系统，可将生物碳与处理废液高效分离；

其中，所述太阳能光伏发电组件15与高压气泵17、整流变压器19、渣浆泵21、可编程控制器8、加热磁力搅拌系统9、生物碳分离回收部分12通过导线连接；所述高压气泵17与6个阴极空气导入管2通过耐腐蚀软管18连接；所述阴极空气导入管2底部为空心圆型；所述玻璃钢耐腐蚀反应池1为圆柱形，内置叶片式旋转搅拌转子7与加热磁力搅拌系统9，所述零价纳米铁生物碳阳极网筒3固定于玻璃钢耐腐蚀反应池1的圆柱上圆心处，且所述零价纳米铁生物碳阳极网筒3与整流变压器19正极相连接；所述阴极空气导入管2呈六角形等距固定于零价纳米铁生物碳阳极网筒3周围；所述对苯二酚羟胺零价纳米铁生物碳空气扩散式阴极三层结构设置于阴极空气导入管2内部，且通过阴阳两极碳纤维复合芯导线22与整流变压器19负极相连接；所述对苯二酚羟胺零价纳米铁生物碳空气扩散式阴极三层结构由对苯二酚羟胺零价纳米铁生物碳空气扩散式阴极6、导电疏水碳纤维布5、镍网4按照自下而上层状叠压而成；所述渣浆泵21通过导管两侧连接废液生物碳混合池20与废液进水管14，所述废液进水管14与玻璃钢耐腐蚀反应池1连接，所述玻璃钢耐腐蚀反应池1通过处理液出水管11与生物碳分离回收部分12连接；所述可编程控制器8与水质基本指标实时监测仪16、水位计13、电磁阀10、渣浆泵21通过导线连接；所述水质基本指标实时监测仪16、水位计13位于玻璃钢耐腐蚀反应池1内部；所述电磁阀10设置于玻璃钢耐腐蚀反应池1的进口和出口处。所述太阳能光伏发电组件15的额定输出电压为220V。所述高压气泵17每个耐腐蚀软管18向阴极空气导入管2输入空气流速为0.4~1.0 L/min。所述零价纳米铁生物碳阳极网筒3由零价纳米铁生物碳、水与聚四氟乙烯以质量比3：5：11~22比例混合均匀涂抹于卷制而成的RuO₂/Ti网上风干制成。对苯二酚羟胺零价纳米铁生物碳空气扩散式阴极6由零价纳米铁生物碳与对苯二酚与羟胺通过聚四氟乙烯胶结压制而成，与导电疏水碳纤维布5、镍网4由下而上叠压之后通过阴阳两极碳纤维复合芯导线22连接整流变压器19阴极。所述加热磁力搅拌系统9控制叶片式旋转搅拌转子7的转速为600~1000 rpm，温度为45~60℃。当实时COD > 20mg/L时，系统持续运行；当实时COD < 20 mg/L时，可编程控制器8控制右侧电磁阀10开启，将玻璃钢耐腐蚀反应池1中反应液体排入生物碳分离回收部分12，然后关闭右侧电磁阀10，生物碳分离回收部分12开始运行，并打开左侧电磁阀10，渣浆泵21运行，将废液生物碳混合池20中的液体泵入玻璃钢耐腐蚀反应池1，水位计显示水位达到反应池3/4时，渣浆泵21停止运行，左端电磁阀10关闭，系统开始进入新一轮的废液处理流程。所述废液生物碳混合池20中加入的生物碳为湿垃圾或餐厨垃圾回收的生物质与水葫芦、旱伞竹、茶叶渣在400~500℃隔绝氧气条件下混合烧制2小时后粉碎产生。所述对苯二酚羟胺零价纳米铁生物碳空气扩散式阴极6的制备方法，包括如下步骤：将对苯二酚与羟胺按照质量比1：0.25~1比例混合；混合物与零价纳米铁生物碳、异丙醇水混合液（v:v=50：50）、聚四氟乙烯按照质量比2：3：9：11~22混合，均匀涂抹于导电疏水碳纤维布5，置于阴凉干燥处压制风干后，上层混合物即形成对苯二酚羟胺零价纳米铁生物碳空气扩散式阴极6。玻璃钢耐腐蚀反应池1底部为凹形结构，与加热磁力搅拌系统9完全契合，叶片式旋转搅拌转子7可在凹形结构中间部分保持稳定旋转状态。所述生物碳分离回收部分12采用全自动排渣离心分离机与负压过滤系统联用技术，保证生物碳与处理废液高效分离。

一种利用三维零价纳米铁生物碳电极电芬顿装置处理高浓度有机废液的方法，其步骤包括如下：

1）开启太阳能光伏发电装置，为高压气泵、整流变压器、渣浆泵与加热磁力搅拌系统提供稳定电能；

2）废液与生物碳在混合池中混合均匀，然后通过渣浆泵将混合液泵入玻璃钢耐腐蚀反应池，水位达到反应池3/4的时候关闭左侧进水阀门；

3）调整高压气泵气速、加热磁力搅拌装置温度与叶片式旋转搅拌转子转速；

4）可编程控制器暂时保持关闭状态。系统运行初期每隔固定时间记录pH、溶解氧、电导率、温度、TDS，并取水样速测COD指标进行记录，跟踪处理过程1小时，得到若干组随时间变化的水质参数。将该若干组数据输入可编程控制器，用于训练遗传算法耦合人工神经网络系统，得到COD与另外5个水质指标的数学关系；

5）打开可编程控制器，通过结合水质基本指标实时监测仪测定的水质数据与上述数据关系，智能判断COD瞬时值，若COD小于阈值，则右侧电磁阀打开，处理液进入生物碳分离回收部分；

6）生物碳分离回收部分基于密度分离原理与负压过滤原理，先将处理液排入全自动排渣离心分离机中进行生物碳与液体初步分离，并将绝大部分生物碳回收利用；在处理液出口处连接负压过滤系统，保证生物碳与处理废液二次高效分离，最终将处理完成的高质量出水排入自然水体或回用。

7）待玻璃钢耐腐蚀反应池中的处理液基本排出，水位低于反应池1/50后，渣浆泵再次将废液生物碳混合池中的混合液泵入反应池，继续通过人工智能判断处理液COD来控制渣浆泵与电磁阀，来实现整个三维零价纳米铁生物碳电极电Fenton装置系统的运转。

实施例1

将某机构在新烟碱类农药噻虫胺施用后24小时内的农田内收集的雨水选取四角点位（W1, W2, W3, W4）各5L，0.22μm孔径滤膜过滤去除土壤与秸秆等杂质后，用COD检测仪精确测定，得到混合液中COD约为20100 mg/L。

开启太阳能光伏发电装置，为高压气泵、整流变压器、渣浆泵与加热磁力搅拌系统提供稳定电能；收集的雨水与生物碳在混合池中混合均匀，然后通过渣浆泵将混合液泵入玻璃钢耐腐蚀反应池，水位达到反应池3/4的时候关闭进水阀门；高压气泵气速调至1L/min，加热磁力搅拌装置温度为55℃，叶片式旋转搅拌转子转速为900 rpm；系统运行初期每隔1分钟记录pH、溶解氧、电导率、温度、TDS，并取水样速测COD指标进行记录，跟踪处理过程0.5小时，得到30组随时间变化的水质参数。将该30组数据输入可编程控制器，用于训练遗传算法耦合人工神经网络系统。打开可编程控制器，判断COD小于20 mg/L时先将反应器中的处理液排入生物碳分离回收装置，对生物碳进行分离回收后处理液排出。水位低于反应池1/50后，可编程控制器操控左侧电磁阀开启，渣浆泵将收集到的雨水泵入反应池中，重新开始反应。等待97分钟后，右侧电磁阀开启，处理液进入生物碳分离回收装置，分离回收之后收集排出的处理液，处理液过滤处理，准确测定其COD值为18.7 mg/L，符合要求。

如图13、图14与图15所示的不同的电Fenton电极系统中H₂O₂、Fe²⁺与COD随时间变化的关系曲线，体系1电极系统为RuO₂/Ti网阳极与碳布阴极，体系2电极系统为三维零价纳米铁生物碳阳极与阴极，体系3电极系统为三维零价纳米铁生物碳阳极与对苯二酚羟胺零价纳米铁生物碳空气扩散式阴极。系统1系统中不存在铁源，由空气扩散阴极产生的H₂O₂在废液中通过不断累积，使H₂O₂浓度一直升高，没有得到活化而氧化性有限，在与阳极氧化联合作用下只降解了少部分COD；在系统2中有零价纳米铁生物碳阳极提供的铁源，但是铁源与生物碳持久性自由基提供的活化作用有限，使系统在80分钟后又进入了H₂O₂累积的状态，并不能充分氧化废液中的COD污染物。而系统3中运用对苯二酚羟胺零价纳米铁生物碳空气扩散式阴极可以通过Fe²⁺的再生，而稳定维持系统中Fe²⁺的高水平，从而持续高效活化H₂O₂得到羟基自由基，使废液中COD迅速降低，最终达到高效修复高浓度有机废液。从不同系统效果对比状况得到，本申请中的对苯二酚羟胺零价纳米铁生物碳空气扩散式阴极与普通电极相比，其对高浓度有机废液处理效果有明显的提升。

实施例2

收集20 L某企业生产过程中所产生的高浓度有机废液进行COD精确测定，确定其COD值高达70,000 mg/L，将其全部倒入废液生物碳混合池中并与生物碳充分混匀。

开启太阳能光伏发电装置，高压气泵气速调至1L/min，加热磁力搅拌装置温度为60℃，叶片式旋转搅拌转子转速为1000 rpm。跟踪测定记录20分钟共40组pH、溶解氧、电导率、温度、TDS与COD数据用于训练人工智能系统。打开可编程控制器，判断COD小于20 mg/L时先将反应器中的处理液排入生物碳分离回收装置，对生物碳进行分离回收后处理液排出。重新开始反应后，等待196分钟后，右侧电磁阀开启，处理液进入生物碳分离回收装置，分离回收之后收集排出的处理液，处理液过滤处理，准确测定其COD值为19.3 mg/L，符合要求。

实施例3

将购买的邻苯二甲酸酯、全氟化合物与有机磷阻燃剂等有机化合物配制成COD约为10,000 mg/L的高浓度有机液体20 L，并用NaOH将pH调为9，将其全部倒入废液生物碳混合池中并与生物碳充分混匀。

开启太阳能光伏发电装置，高压气泵气速调至1L/min，加热磁力搅拌装置温度为58℃，叶片式旋转搅拌转子转速为1000 rpm。跟踪测定记录15分钟共30组pH、溶解氧、电导率、温度、TDS与COD数据用于训练人工智能系统。打开可编程控制器，判断COD小于20 mg/L时先将反应器中的处理液排入生物碳分离回收装置，对生物碳进行分离回收后处理液排出。重新开始反应后，等待52分钟后，右侧电磁阀开启，处理液进入生物碳分离回收装置，分离回收之后收集排出的处理液，处理液过滤处理，准确测定其COD值为18.6 mg/L，符合要求。

Claims

1.一种利用三维零价纳米铁生物碳电极高效处理高浓度有机废液的电芬顿装置，其特征在于，包括电Fenton反应器部分、太阳能光伏发电部分、人工智能监测控制部分与生物碳分离回收部分；

所述电Fenton反应器部分包括废液生物碳混合池（20）、玻璃钢耐腐蚀反应池（1）、零价纳米铁生物碳阳极网筒（3）、阴极空气导入管（2）、对苯二酚羟胺零价纳米铁生物碳空气扩散式阴极（6）、导电疏水碳纤维布（5）、镍网（4）、叶片式旋转搅拌转子（7）、加热磁力搅拌系统（9）、渣浆泵（21）、废液进水管（14）、处理液出水管（11）、高压气泵（17）、耐腐蚀软管（18）、阴阳两极碳纤维复合芯导线（22）和电磁阀（10）；

所述太阳能光伏发电部分包括太阳能光伏发电组件（15）和整流变压器（19）；所述人工智能检测控制部分包括水质基本指标实时监测仪（16）、可编程控制器（8）和水位计（13）；

其中，所述太阳能光伏发电组件（15）与高压气泵（17）、整流变压器（19）、渣浆泵（21）、可编程控制器（8）、加热磁力搅拌系统（9）、生物碳分离回收部分（12）通过导线连接；所述高压气泵（17）与6个阴极空气导入管（2）通过耐腐蚀软管（18）连接；所述阴极空气导入管（2）底部为空心圆型；所述玻璃钢耐腐蚀反应池（1）为圆柱形，内置叶片式旋转搅拌转子（7）与加热磁力搅拌系统（9），所述零价纳米铁生物碳阳极网筒（3）固定于玻璃钢耐腐蚀反应池（1）的圆柱上圆心处，且所述零价纳米铁生物碳阳极网筒（3）与整流变压器（19）正极相连接；所述阴极空气导入管（2）呈六角形等距固定于零价纳米铁生物碳阳极网筒（3）周围；所述对苯二酚羟胺零价纳米铁生物碳空气扩散式阴极三层结构设置于阴极空气导入管（2）内部，且通过阴阳两极碳纤维复合芯导线（22）与整流变压器（19）负极相连接；所述对苯二酚羟胺零价纳米铁生物碳空气扩散式阴极三层结构由对苯二酚羟胺零价纳米铁生物碳空气扩散式阴极（6）、导电疏水碳纤维布（5）、镍网（4）按照自下而上层状叠压而成；所述渣浆泵（21）通过导管两侧连接废液生物碳混合池（20）与废液进水管（14），所述废液进水管（14）与玻璃钢耐腐蚀反应池（1）连接，所述玻璃钢耐腐蚀反应池（1）通过处理液出水管（11）与生物碳分离回收部分（12）连接；所述可编程控制器（8）与水质基本指标实时监测仪（16）、水位计（13）、电磁阀（10）、渣浆泵（21）通过导线连接；所述水质基本指标实时监测仪（16）、水位计（13）位于玻璃钢耐腐蚀反应池（1）内部；所述电磁阀（10）设置于玻璃钢耐腐蚀反应池（1）的进口和出口处。

2.根据权利要求1所述利用三维零价纳米铁生物碳电极高效处理高浓度有机废液的电芬顿装置，其特征在于：所述太阳能光伏发电组件（15）的额定输出电压为220V。

3. 根据权利要求1所述利用三维零价纳米铁生物碳电极高效处理高浓度有机废液的电芬顿装置，其特征在于：所述高压气泵（17）每个耐腐蚀软管（18）向阴极空气导入管（2）输入空气流速为0.4~1.0 L/min。

4.根据权利要求1所述利用三维零价纳米铁生物碳电极高效处理高浓度有机废液的电芬顿装置，其特征在于：所述零价纳米铁生物碳阳极网筒（3）由零价纳米铁生物碳、水与聚四氟乙烯以质量比3：5：11~22比例混合均匀涂抹于卷制而成的RuO₂/Ti网上风干制成。

5. 根据权利要求1所述利用三维零价纳米铁生物碳电极高效处理高浓度有机废液的电芬顿装置，其特征在于：所述加热磁力搅拌系统（9）控制叶片式旋转搅拌转子（7）的转速为600~1000 rpm，温度为45~60℃。

6. 根据权利要求1所述利用三维零价纳米铁生物碳电极高效处理高浓度有机废液的电芬顿装置，其特征在于：当实时COD > 20 mg/L时，系统持续运行；当实时COD < 20 mg/L时，可编程控制器（8）控制右侧电磁阀（10）开启，将玻璃钢耐腐蚀反应池（1）中反应液体排入生物碳分离回收部分（12），然后关闭右侧电磁阀（10），生物碳分离回收部分（12）开始运行，并打开左侧电磁阀（10），渣浆泵（21）运行，将废液生物碳混合池（20）中的液体泵入玻璃钢耐腐蚀反应池（1），水位计显示水位达到反应池3/4时，渣浆泵（21）停止运行，左端电磁阀（10）关闭，系统开始进入新一轮的废液处理流程。

7.根据权利要求1所述利用三维零价纳米铁生物碳电极高效处理高浓度有机废液的电芬顿装置，其特征在于：所述废液生物碳混合池（20）中加入的生物碳为湿垃圾或餐厨垃圾回收的生物质与水葫芦、旱伞竹、茶叶渣在400~500℃隔绝氧气条件下混合烧制2小时后粉碎产生。

8.根据权利要求1所述利用三维零价纳米铁生物碳电极高效处理高浓度有机废液的电芬顿装置，其特征在于：所述对苯二酚羟胺零价纳米铁生物碳空气扩散式阴极（6）的制备方法，包括如下步骤：将对苯二酚与羟胺按照质量比1：0.25~1比例混合；混合物与零价纳米铁生物碳、异丙醇水混合液（v:v=50：50）、聚四氟乙烯按照质量比2：3：9：11~22混合，均匀涂抹于导电疏水碳纤维布（5），置于阴凉干燥处压制风干后，上层混合物即形成对苯二酚羟胺零价纳米铁生物碳空气扩散式阴极（6）。

9.权利要求1~8任一项所述利用三维零价纳米铁生物碳电极高效处理高浓度有机废液的电芬顿装置的使用方法，其特征在于，包括如下方法：

（2）加样：所述废液生物碳混合池（20）加入已去除大颗粒废物的有机废液与生物碳，由可编程控制器（8）控制渣浆泵（21）与电磁阀（10），将混合液泵入玻璃钢耐腐蚀反应池（1）中进行处理；

（3）高浓度有机废液处理：开启太阳能光伏发电组件（15），加热磁力搅拌系统（9）、渣浆泵（21）、高压气泵（17）、电磁阀（10）、整流变压器（19）、水质基本指标实时监测仪（16）、可编程控制器（8）、生物碳分离回收部分（12）将同时开始运行，将废液生物碳混合池（20）中的有机废液与生物碳混合液泵入进入玻璃钢耐腐蚀反应池（1）中，调节高压气泵（17）气速在0.4~1.0 L/min的范围，叶片式旋转搅拌转子（7）的转速范围为600~1000 rpm，水位计（13）显示水位达到反应池3/4时，渣浆泵（21）停止运行，左端电磁阀（10）关闭，水质基本指标实时监测仪（16）水质数据导入可编程控制器（8），实时判断水质达标情况，当水质达到可排放标准，右端电磁阀（10）打开，处理液进入所述生物碳分离回收部分（12）进行水碳分离，最终排入自然水体或回用。

10.权利要求1所述装置应用于高浓度有机废液的处理，所述高浓度有机废液包括含新烟碱类农药噻虫胺的农业废水、含邻苯二甲酸酯或全氟化合物与有机磷阻燃剂的废水。