CN111635067A - 一种紫外辅助超声耦合电催化氧化水处理系统和处理水的方法 - Google Patents

一种紫外辅助超声耦合电催化氧化水处理系统和处理水的方法 Download PDF

Info

Publication number
CN111635067A
CN111635067A CN202010390664.9A CN202010390664A CN111635067A CN 111635067 A CN111635067 A CN 111635067A CN 202010390664 A CN202010390664 A CN 202010390664A CN 111635067 A CN111635067 A CN 111635067A
Authority
CN
China
Prior art keywords
boron
doped diamond
layer
ultraviolet
substrate
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202010390664.9A
Other languages
English (en)
Other versions
CN111635067B (zh
Inventor
魏秋平
周科朝
马莉
王宝峰
王立峰
施海平
陈伟鹏
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nanjing Daimount Technology Co ltd
Original Assignee
Nanjing Daimount Technology Co ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nanjing Daimount Technology Co ltd filed Critical Nanjing Daimount Technology Co ltd
Priority to CN202010390664.9A priority Critical patent/CN111635067B/zh
Publication of CN111635067A publication Critical patent/CN111635067A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111635067B publication Critical patent/CN111635067B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F9/00—Multistage treatment of water, waste water or sewage
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/001—Processes for the treatment of water whereby the filtration technique is of importance
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/30—Treatment of water, waste water, or sewage by irradiation
    • C02F1/32—Treatment of water, waste water, or sewage by irradiation with ultraviolet light
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/34—Treatment of water, waste water, or sewage with mechanical oscillations
    • C02F1/36—Treatment of water, waste water, or sewage with mechanical oscillations ultrasonic vibrations
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/46—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods
    • C02F1/461—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrolysis
    • C02F1/46104—Devices therefor; Their operating or servicing
    • C02F1/46109—Electrodes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/46—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods
    • C02F1/461—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrolysis
    • C02F1/467—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrolysis by electrochemical disinfection; by electrooxydation or by electroreduction
    • C02F1/4672—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrolysis by electrochemical disinfection; by electrooxydation or by electroreduction by electrooxydation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/66—Treatment of water, waste water, or sewage by neutralisation; pH adjustment
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/72—Treatment of water, waste water, or sewage by oxidation
    • C02F1/725—Treatment of water, waste water, or sewage by oxidation by catalytic oxidation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/72—Treatment of water, waste water, or sewage by oxidation
    • C02F1/78—Treatment of water, waste water, or sewage by oxidation with ozone
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/46—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods
    • C02F1/461—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrolysis
    • C02F1/46104—Devices therefor; Their operating or servicing
    • C02F1/46109—Electrodes
    • C02F2001/46133—Electrodes characterised by the material
    • C02F2001/46138—Electrodes comprising a substrate and a coating
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/46—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods
    • C02F1/461—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrolysis
    • C02F1/46104—Devices therefor; Their operating or servicing
    • C02F1/46109—Electrodes
    • C02F2001/46133—Electrodes characterised by the material
    • C02F2001/46138—Electrodes comprising a substrate and a coating
    • C02F2001/46142—Catalytic coating
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F3/00—Biological treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F3/34—Biological treatment of water, waste water, or sewage characterised by the microorganisms used
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02W—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO WASTEWATER TREATMENT OR WASTE MANAGEMENT
    • Y02W10/00—Technologies for wastewater treatment
    • Y02W10/10—Biological treatment of water, waste water, or sewage

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Hydrology & Water Resources (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Water Supply & Treatment (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Water Treatment By Electricity Or Magnetism (AREA)
  • Electrodes For Compound Or Non-Metal Manufacture (AREA)
  • Physical Water Treatments (AREA)

Abstract

本发明公开了一种紫外辅助超声耦合电催化氧化水处理系统，其特征在于：包括pH调节池、颗粒过滤模块、微生物除盐模块、电化学降解模块；所述电化学降解模块中包含超声发生器、紫外线灯，若干个处理单元；其中任意一个处理单元均包括阳极和阴极，所述阳极为硼掺杂金刚石电极。本发明提出紫外辅助超声耦合电催化氧化水高效节能处理系统，以阳极为硼掺杂金刚石电极的电化学降解模块为主体，内置超声发生器及紫外线灯，通过紫外线灯产生臭氧，实现了电化学降解技术、超声降解技术，臭氧降解技术与紫外光催化降解技术的耦合联动。与同类型的水处理技术相比，四种技术的耦合使其降解效率更高，同时能耗降低，可以广泛应用于各类水的处理。

Description

一种紫外辅助超声耦合电催化氧化水处理系统和处理水的 方法
技术领域
本发明涉及一种紫外辅助超声耦合电催化氧化水处理系统和处理水的方法，属于水处理技术领域。
背景技术
高浓度、难降解有机废水一直是水处理领域的难题。大部分的工业生产废水，尤其是化工、印染、食品、制药废水，基本上都具有高盐、高氨氮及高有机物浓度(COD达一万至十几万)等特征，有些甚至具有毒性。这类废水的传统的处理方法包括物化混凝沉淀+生化厌氧+好氧+深度处理、湿式催化氧化、紫外光催化臭氧氧化等处理技术，但其存在反应时间长、处理效率低、设备造价及运行成本普遍极高等缺点，因此需要高级氧化工艺技术及设备化的高级氧化污水处理设备。
电化学高级氧化技术(EAOPs)通过电极表面所发生的直接氧化以及水体内电催化作用下所产生的活性氧族(ROS)，活性氯(RCS)，以及活性硫酸基团(RSS)等活性氧化性物质与有机污染物发生的间接氧化过程，可以实现不同种类废水中不同分子结构有机物的高效降解，具有清洁无二次污染等优点。
然而现有的电化学高级氧化技术在应用于高浓度、难降解有机废水的处理时，仍然存在降解效率低的缺陷，从而限制了电化学氧化降解技术在水处理过程的实际应用。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种高效节能的对水体中有机污染物处理效果显著的紫外辅助超声耦合电催化氧化水处理系统和处理水的方法。
本发明的技术方案是：
本发明一种紫外辅助超声耦合电催化氧化水处理系统，包括pH调节池、颗粒过滤模块、微生物除盐模块、电化学降解模块；所述pH调节池输出端与颗粒过滤模块相连，颗粒过滤模块出口连接到微生物除盐模块，微生物除盐模块出口连接到电化学降解模块，
所述电化学降解模块中包含超声发生器、紫外线灯，若干个处理单元；其中任意一个处理单元均包括阳极和阴极，所述阳极为硼掺杂金刚石电极；所述硼掺杂金刚石电极包括电极基体以及设置于电极基体表面的电极工作层，所述电极工作层为硼掺杂金刚石层；所述硼掺杂金刚石层，包括不同含硼量的硼掺杂金刚石底层、硼掺杂金刚石中层、硼掺杂金刚石顶层。
本发明一种紫外辅助超声耦合电催化氧化水处理系统，所述硼掺杂金刚石底层中，按原子比计，B/C为33333～50000ppm；所述硼掺杂金刚石中层中，按原子比计，B/C为6666～16666ppm；所述硼掺杂金刚石顶层中，按原子比计，B/C为16666～33333ppm。
在本发明中，采用硼掺杂金刚石层作为电化学降解模块的阳极，其中，所述硼掺杂金刚石层，与电极基体接触的硼掺杂金刚石底层是作为导电层，该层中按原子比计，B/C为33333～50000ppm，在较高的掺硼量下，获得近似金属态的高导电特性，可保证硼掺杂金刚石(BDD)电极材料具有优异的导电性。而硼掺杂金刚石中层，是作为耐腐蚀层，该层中按原子比计，B/C为6666～16666ppm，在中层中，采用较低含量的硼掺杂，通过少量硼的掺杂，保留金刚石的高纯度，而由于金刚石纯度高，金刚石晶粒致密均匀，缺陷少，电化学降解过程腐蚀性物质无法通过耐腐蚀层腐蚀硅衬底，可大幅提高BDD的耐腐蚀，增加寿命。而硼掺杂金刚石顶层，是作为强电催化活性层，该层中，按原子比计，B/C为16666～33333ppm，增大硼的掺杂量，由于硼的掺杂量增大，使得硼掺杂金刚石强电催化活性层的缺陷增多对羟基自由基的利用率增加等原因，因此硼掺杂金刚石强电催化活性层具有电势窗口宽、析氧电位高、背景电流低的性质，通过对各层采用不同含量的硼掺杂，从而使得本发明所用BDD电极材料同时具有高导电性、高耐腐蚀性、高催化活性的特点，从而提升电化学降解模块的降解矿化效率。
本发明一种紫外辅助超声耦合电催化氧化水处理系统，所述硼掺杂金刚石顶层的厚度占硼掺杂金刚石层厚度的40-60％。
本发明一种紫外辅助超声耦合电催化氧化水处理系统，所述硼掺杂金刚石层表面分布有微孔和/或尖锥。本发明中的硼掺杂金刚石层表面分布有微孔和/或尖锥，具有高比表面积的特点。
本发明一种紫外辅助超声耦合电催化氧化水处理系统，所述电极基体为经刻蚀处理的衬底，或经刻蚀处理的衬底再于衬底表面设置过渡层。
作为优选，所述衬底为金属相与陶瓷相组成的复合材料，金属相在复合材料中呈连续分布；其中金属相选自镍、铌、钽、铜、钛、钴、钨、钼、铬、铁中的一种或其合金中的一种，陶瓷相选自A12O3、ZrO2、SiC、Si3N4、BN、B4C、AlN、WC、Cr7C3、TiC、TiB2、TiN、Ti2GeC、Ti2AlC、Ti2AlN、Ti3SiC2、Ti3GeC2、Ti3AlC2、Ti4AlC3、BaPO3中的一种。
作为优选，所述衬底形状包括圆柱状、圆筒状和平板状；所述衬底结构包括三维连续网络结构、二维连续网状结构和二维封闭平板结构。
发明人发现，采用金属和陶瓷组成的复合材料作为衬底，在复合材料中，金属相形成三维网络结构连续分布于复合材料中，可使复合材料衬底具有高导电性，并可耐电化学腐蚀，衬底中陶瓷相可有效降低衬底的热膨胀系数，减少沉积过程中由于热膨胀不均而引发的薄膜开裂现象，得到的BDD薄膜内部残余应力相对较小。
作为进一步的优选，所述衬底材料选自Al2O3-Fe复合材料；TiC-Cr复合材料；Al2O3-Ni复合材料中的一种。
另外，发明人发现，在以下两种情况下，引入过渡层，可以进一步提高BDD材料的性能，一是衬底材料中的金属相与金刚石的差异过大时，通过引入热膨胀系数适当的过渡层，可有效降低硼掺杂金刚石薄膜层/衬底界面热应力。加强材料服役性能与寿命。二是衬底材料中的金属相不适宜金刚石形核时，通入引入过渡层，可有效提升化学气相沉积效率，薄膜连续性及薄膜与衬底结合性。
作为优选，所述过渡层材料选自铬、钛、钽、铌、钼中的至少一种，所述过渡层的厚度为10-30μm。
在本发明中，只要能满足过渡层的厚度，结合性好的要求，对过渡层的制备方法不受限制，如可以采用现有技术中的电镀、化学镀、蒸镀、磁控溅射、化学气相沉积、物理气相沉积中的一种。
作为进一步的优选，当衬底材料为Al2O3-Fe复合材料或Al2O3-Ni复合材料中，过渡层材料为钛。
本发明一种紫外辅助超声耦合电催化氧化水处理系统，所述硼掺杂金刚石电极的制备方法为：
步骤一、衬底刻蚀处理
将清洁处理后的衬底，浸泡于酸溶液或碱溶液中，刻蚀处理、再洗涤、烘干后获得经刻蚀处理的衬底；
步骤二、电极基体表面种植籽晶处理
将步骤一中经刻蚀处理的衬底作为电极基体；或在经刻蚀处理的衬底表面设置过渡层后作为电极基体，然后将电极基体置于含纳米晶和/或微米晶金刚石混合颗粒的悬浊液中；超声处理，烘干；获得表面吸附纳米晶和/或微米晶金刚石的电极基体；
步骤三、沉积硼掺杂金刚石层
将步骤二中所得电极基体置于化学沉积炉中，于电极基体表面依次进行硼掺杂金刚石底层、硼掺杂金刚石中层、硼掺杂金刚石顶层的沉积，获得硼掺杂金刚石层，控制硼掺杂金刚石底层沉积过程中，含碳气体占炉内全部气体质量流量百分比为0.5％～10％；含硼气体占炉内全部气体质量流量百分比为0.05％～0.08％；控制硼掺杂金刚石中层沉积过程中，含碳气体占炉内全部气体质量流量百分比为0.5％～10％；含硼气体占炉内全部气体质量流量百分比为0.01％～0.02％；控制硼掺杂金刚石顶层中，含碳气体占炉内全部气体质量流量百分比为0.5％～10％；含硼气体占炉内全部气体质量流量百分比为0.02％～0.05％；
步骤四、高温处理
将己沉积硼掺杂金刚石层的电极基体进行热处理，所述热处理温度为400～1200℃，处理时间为5～180min；炉内压强为10Pa-105Pa。
所述步骤一中，所述清洁处理后的衬底是指将衬底先置于丙酮中超声处理5～20min。
所述步骤一中，所述酸溶液选自盐酸溶液，所述盐酸溶液中，溶解HCl的质量分数为10％～50％，步骤一中，所述碱溶液选自NaOH溶液，所述NaOH的质量分数为10％～50％。
所述步骤一中，所述刻蚀处理的时间为10-30min。
在刻蚀过程中，需要有效控制刻蚀溶液的浓度与时间，在上述选择的酸碱溶液的浓度范围内，刻蚀处理的时间为10-30min，即可避免衬底结构被破坏，又可以大幅提高比表面积。
在实际操作过程中，刻蚀处理后，采用无水乙醇洗涤衬底材料。
所述步骤二中，所述含纳米晶和/或微米晶金刚石混合颗粒的悬浊液中，金刚石混合颗粒质量分数为0.01％～0.05％。
所述步骤二中，所述超声处理时间为5～30min。超声完成后，将电极基体取出，使用去离子水和/或无水乙醇冲洗干净后，再烘干。
所述步骤三中，炉内气体包含含硼气体、含碳气体、氢气。
在本发明中，氢气即可作为化学沉积过程中的稀释气体，又作为刻蚀气体，在实际操作过程中，待沉积完成后，先关闭含硼气体和含硼气体，继续通入一段时间的氢气，用来刻蚀硼掺杂金刚石表面的石墨相。
在实际操作过程中，需要在平面型的衬底双侧进行沉积或在三维结构的衬底的多面进行沉积时，先完成某一面中的硼掺杂金刚石层沉积后，取出冷却、洗涤、烘干后再进行其他层的沉积。
在本发明中，对于硼源可选用固体、气体、液体硼源中的一种，当选用固体、液体硼源时先进行气化处理。
所述含硼气体为B2H6，所述含碳气体为CH4。
所述步骤二中；硼掺杂金刚石底层沉积的温度为600～1000℃，气压为103～104Pa，时间为4～8h；硼掺杂金刚石中层沉积的温度为600～1000℃，气压为103～104Pa，时间为4～8h；硼掺杂金刚石顶层沉积的温度为600～1000℃，气压为103～104Pa；时间为8～16h。
所述步骤四中，热处理温度为600～800℃，处理时间为30～60min。
本发明一种紫外辅助超声耦合电催化氧化水处理系统，所述阴极和阳极由相互平行但互不接触的一组或多组平板电极配合组成，或者由中心同轴但互不接触的圆柱状电极与圆筒状电极配合组成，或者由两组不同直径的同轴圆筒状电极阵列配合组成，或者由蜂窝煤结构和圆柱状阵列配合组成。
在本发明中，蜂窝煤结构和圆柱状阵列配合是指阳极材料为蜂窝煤结构的多孔结构，即圆柱体中阵列排布若干直孔，而阴极为棒状材料，可插入阳极材料孔道内部，实现电解池作用。
本发明一种紫外辅助超声耦合电催化氧化水处理系统，所述阴极的材料选自不锈钢、铝、碳纤维碳毡板中的一种。
本发明一种紫外辅助超声耦合电催化氧化水处理系统，所述阳极和阴极通过导线与可线性调控直流稳压电源连接。
本发明一种紫外辅助超声耦合电催化氧化水处理系统，所述水处理系统还包含气体收集模块。气体收集模块用于收集尾气。
本发明一种紫外辅助超声耦合电催化氧化水处理系统，所述颗粒过滤模块中的滤料为无烟煤与石英砂的混合物。该滤料具有化学性能稳定，不含有毒物质，在酸性、中性、碱性水中均不溶解，有良好的吸附能力，孔隙率大(>50％)，有较高的纳污能力，所需反冲洗强度较低，可节省反冲洗用水及电能。
本发明一种紫外辅助超声耦合电催化氧化系统处理处理水的方法，待处理水先进入pH调节池，在pH调节池中将待处理水pH调节至6～8，然后进入颗粒过滤模块进行过滤，过滤后的水进入微生物除盐模块经过微生物分解，经微生物降解后的水进入电化学降解模块进行电化学氧化处理获得成品水外排，其中电化学氧化处理时，由紫外灯产生臭氧，由超声发生器提供超声。
在电化学氧化处理过程中，通过超声发生器的空化效应以及紫外线灯产生的臭氧氧化，使超声、紫外、臭氧以及电化学四种降解方式协同作用，达到低能耗下的高矿化率。
原理与优势
本发明提供了一种紫外辅助超声耦合电催化氧化水处理系统和处理水的方法，所述电化学降解模块中阳极为BDD电极材料，且使用的BDD电极材料中的工作层为具有不同掺硼量的底层、中层，顶层，其中底层采用高导电层增加电极材料的电导率、中间层为耐腐蚀层增强电极材料寿命，顶层为强电催化活性层提高电极矿化效率，由此使用电极为高导电长寿命优性能的电化学氧化阳极材料。
在本发明的电化学降解模块中，设置有紫外线灯、超声发生器，在电化学降解过程中，由紫外线灯发射紫外线产生臭氧,不必另装臭氧发生器,充分发挥紫外线与臭氧协同处理各类污水、废水、自来水的能力,水处理效率高能耗低，具有很强的适用性，另外通过超声发生器产生超声空化效应，使紫外线灯产生的臭氧充分溶解在水体中，同时超声振动使水体内部处于不断流动中，提高了电化学降解模块中电极表面和/或附近区域污染物与活性物质作用几率，导致降解效率的大幅提升。
综上所述，本发明提出紫外辅助超声耦合电催化氧化高效节能水处理系统，以阳极材料为硼掺杂的硼掺杂金刚石电极材料的电化学降解模块为主体，内置超声发生器及紫外线灯，实现了电化学降解技术、超声降解技术，臭氧降解技术与紫外光催化降解技术的耦合联动。与同类型的水处理技术相比，四种技术的耦合使其降解效率更高，同时能耗降低，可以广泛应用于各类水的处理。
附图说明
图1为一种紫外辅助超声耦合电催化氧化水处理系统装置示意图，其中1—进水口，2—pH调节池，3—颗粒过滤模块，4—微生物除盐模块，5—电化学降解模块，6—超声发生器，7—紫外线灯，8—气体收集模块，9—可线性调控直流稳压电源，10—出水口，11—管道
图2为实施例2中水样变化随降解时间图，其中从左至右取样瓶中依次为0h、1h、3h、6h、10h、15h取的水样。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，一种紫外辅助超声耦合电催化氧化水处理系统，包括pH调节池2、颗粒过滤模块3、pH调节池2的输出端与颗粒过滤模块相连，颗粒过滤模块3出口连接到微生物除盐模块4，微生物除盐模块4出口连接到电化学降解模块5，
其中，pH调节池2用于对水的pH值进行调节，根据水质，投入碱液或酸液将水的pH值调节为6-8；
其中，颗粒过滤模块3用于对经过调节pH值后的水进行过滤；调节pH值的水，通过自动泵输送至颗粒过滤模块3，通过颗粒过滤模块3中的滤料过滤分离，所得滤液(经过滤后的水)进入微生物除盐模块3；其中颗粒过滤模块中的滤料为无烟煤与石英砂的混合物。
其中，微生物除盐模块3，利用其中含有的微生物对经过滤后的水中的有机物进行氧化、分解、吸附从而达到去除水体中部分有机物的目的。
其中，电化学降解模块由相互平行但互不接触的一组平板电极(阴极与阳极)组成，阳极和阴极通过导线与可线性调控直流稳压电源连接，其中阴极所采用的电极材质为不锈钢。
阳极采用硼掺杂金刚石电极，其制备方法为：
(1)平板Al2O3-Fe衬底的预处理：依次采用丙酮、无水乙醇超声清洗10min除去表面油污和杂质，浸入质量分数为50％的稀盐酸中刻蚀10min，得到衬底表面为阶梯状，再用无水乙醇超声清洗15min除去表面残余酸；
(2)由于该衬底表面与硼掺杂金刚石层存在热膨胀适配问题，为了便于硼掺杂金刚石的沉积，采用磁控溅射方法在预处理后的衬底表面溅射一层过渡层金属钛Ti层，调节溅射功率80w，沉积时间30min，得到Ti层厚度约为10μm；
(3)将处理好的Al2O3-Fe/Ti衬底置于纳米晶和微米晶金刚石混合颗粒的悬浊液中，于超声波中震荡30min，分散均匀，得到表面吸附有微米晶和纳米晶金刚石颗粒；
(4)采用热丝CVD法沉积硼掺杂金刚石膜，保持热丝与基体表面距离为8mm，升温过程中调节氢气气体流量保持97sccm，往炉内通入甲烷和硼烷，开始沉积，具体沉积参数为：第一阶段，沉积压强为3kPa，沉积温度为850℃，气体流速比H2:B2H6:CH4＝97sccm:1.0sccm:3.0sccm，沉积时间4h，第二阶段气体流速比H2:B2H6:CH4＝97sccm:0.4sccm:3.0sccm，沉积压强为3kPa，沉积温度为850℃，沉积时间4h，第三阶段，沉积压强为3kPa，沉积温度为850℃，气体流速比H2:B2H6:CH4＝97sccm:0.6sccm:3.0sccm，沉积时间为8h。沉积完毕后停止通入硼烷和甲烷，在850℃下氢气刻蚀30min除去表面形成的石墨相，而后随炉冷却获得高性能硼掺杂金刚石薄膜材料；
将得到的高性能硼掺杂金刚石薄膜材料放入管式炉中，两端不封闭，在空气中进行热处理，设置温度为700℃，保持30min，高温氧化后得到其表面出现部分尖锥状，得到制备好的硼掺杂金刚石电极。
该阳极硼掺杂金刚石电极表面有高温氧化微孔，进一步增大了比表面积，使得氧化活性位点增多，同时该梯度掺硼结构底层中，按原子比计，B/C为50000ppm；所述硼掺杂金刚石中层中，按原子比计，B/C为10000ppm；所述硼掺杂金刚石顶层中，按原子比计，B/C为30000ppm。
采用上述系统对垃圾渗滤液进行处理，待处理水先进入pH调节池，在pH调节池中将待处理水pH调节至6～8，然后进入颗粒过滤模块进行过滤，过滤后的水进入微生物除盐模块经过微生物分解，经微生物降解后的水进入电化学降解模块进行电化学氧化处理，其中电化学氧化处理时，由紫外灯产生臭氧，由超声发生器提供超声，同时电化学氧化过程中，施加平均电流为1.5A，随着电化学降解时间增加，水颜色由深变浅，最后接近澄清。经过28h降解，COD移除率就已达到95.43％，46h电解处理后，COD从17303mg/L降为255.50mg/L，移除率达98.52％。
实施例2
其他条件与实施例1相同，只是采用的阳极为相互平行但互不接触的两组平板电极，分别置于阴极的左右两端，与阴极间距约为1cm。用上述系统对同一垃圾渗滤液进行降解，同样施加平均电流为1.5A，随着降解时间增加，水颜色由深变浅，最后接近澄清，具体水样随降解时间图如图2。经过18h的降解，水体基本透明澄清，此时其COD移除率达到98.66％。
实施例3
其他条件与实施例1不同，只是采用硼掺杂金刚石电极材料的衬底为多孔TiC-Cr材料，同样用上述系统降解某厂化工废水，施加平均电流1.5A，水体颜色逐渐变浅，经过22h的降解水体逐渐澄清，检测后发现其COD去除率达97.2％。
对比例1
其他条件与实施例1相同，只是电极材料采用Ti/IrO2，而非硼掺杂金刚石，进行降解时发现其性能不如硼掺杂金刚石电极，同样对实施例1中的垃圾渗滤液，达到COD去除率95％需要更长的时间，而且降解约55小时后，COD去除率为97.34％。
对比例2
其他条件与实施例1相同，仅是在进行所采用的硼掺杂金刚石(BDD)电极在薄膜沉积时，不采用梯度掺杂，沉积的气体流速比为H2:B2H6:CH4＝97sccm:0.6sccm:3.0sccm，沉积时间为12h，同样对实施例1中的垃圾渗滤液进行降解，达到COD去除率95％需要更长的时间，而且降解约35小时后，COD去除率为95.6％。

Claims (10)

1.一种紫外辅助超声耦合电催化氧化水处理系统，其特征在于：包括pH调节池、颗粒过滤模块、微生物除盐模块、电化学降解模块；所述pH调节池输出端与颗粒过滤模块相连，颗粒过滤模块出口连接到微生物除盐模块，微生物除盐模块出口连接到电化学降解模块，
所述电化学降解模块中包含超声发生器、紫外线灯，若干个处理单元；其中任意一个处理单元均包括阳极和阴极，所述阳极为硼掺杂金刚石电极；所述硼掺杂金刚石电极包括电极基体以及设置于电极基体表面的电极工作层，所述电极工作层为硼掺杂金刚石层；所述硼掺杂金刚石层，包括不同含硼量的硼掺杂金刚石底层、硼掺杂金刚石中层、硼掺杂金刚石顶层。
2.根据权利要求1所述的一种紫外辅助超声耦合电催化氧化水处理系统，其特征在于：所述硼掺杂金刚石底层中，按原子比计，B/C为33333～50000ppm；所述硼掺杂金刚石中层中，按原子比计，B/C为6666～16666ppm；所述硼掺杂金刚石顶层中，按原子比计，B/C为16666～33333ppm。
3.根据权利要求1所述的一种紫外辅助超声耦合电催化氧化水处理系统，其特征在于：所述硼掺杂金刚石顶层的厚度占硼掺杂金刚石层厚度的40-60％。
4.根据权利要求1所述的一种紫外辅助超声耦合电催化氧化水处理系统，其特征在于：所述硼掺杂金刚石层表面分布有微孔和/或尖锥。
5.根据权利要求1所述的一种紫外辅助超声耦合电催化氧化水处理系统，其特征在于：所述电极基体为经刻蚀处理的衬底，或经刻蚀处理的衬底再于衬底表面设置过渡层；
所述衬底为金属相与陶瓷相组成的复合材料，金属相在复合材料中呈连续分布；其中金属相选自镍、铌、钽、铜、钛、钴、钨、钼、铬、铁中的一种或其合金中的一种，陶瓷相选自A12O3、ZrO2、SiC、Si3N4、BN、B4C、AlN、WC、Cr7C3、Ti2GeC、TiC、TiB2、TiN、Ti2AlC、Ti2AlN、Ti3SiC2、Ti3GeC2、Ti3AlC2、Ti4AlC3、BaPO3中的一种；
所述衬底形状包括圆柱状、圆筒状和平板状；
所述衬底结构包括三维连续网络结构、二维连续网状结构和二维封闭平板结构。
所述过渡层材料选自铬、钛、钽、铌、钼中的至少一种，所述过渡层的厚度为10-30μm。
6.根据权利要求1所述的一种紫外辅助超声耦合电催化氧化水处理系统，其特征在于：所述硼掺杂金刚石电极的制备方法为：
步骤一、衬底刻蚀处理
将清洁处理后的衬底，浸泡于酸溶液或碱溶液中，刻蚀处理、再洗涤、烘干后获得经刻蚀处理的衬底；
步骤二、电极基体表面种植籽晶处理
将步骤一中经刻蚀处理的衬底作为电极基体；或在经刻蚀处理的衬底表面设置过渡层后作为电极基体，然后将电极基体置于含纳米晶和/或微米晶金刚石混合颗粒的悬浊液中；超声处理，烘干；获得表面吸附纳米晶和/或微米晶金刚石的电极基体；
步骤三、沉积硼掺杂金刚石层
将步骤二中所得电极基体置于化学沉积炉中，于电极基体表面依次进行硼掺杂金刚石底层、硼掺杂金刚石中层、硼掺杂金刚石顶层的沉积，获得硼掺杂金刚石层，控制硼掺杂金刚石底层沉积过程中，含碳气体占炉内全部气体质量流量百分比为0.5％～10％；含硼气体占炉内全部气体质量流量百分比为0.05％～0.08％；控制硼掺杂金刚石中层沉积过程中，含碳气体占炉内全部气体质量流量百分比为0.5％～10％；含硼气体占炉内全部气体质量流量百分比为0.01％～0.02％；控制硼掺杂金刚石顶层中，含碳气体占炉内全部气体质量流量百分比为0.5％～10％；含硼气体占炉内全部气体质量流量百分比为0.02％～0.05％；
步骤四、高温处理
将己沉积硼掺杂金刚石层的电极基体进行热处理，所述热处理温度为400～1200℃，处理时间为5～180min；炉内压强为10Pa-105Pa，热处理环境为含刻蚀性气氛环境。
7.根据权利要求6所述的一种紫外辅助超声耦合电催化氧化水处理系统，其特征在于：所述步骤一中，所述酸溶液选自盐酸溶液，所述盐酸溶液中，溶解HCl的质量分数为10％～50％，所述碱溶液选自NaOH溶液，所述NaOH的质量分数为10％～50％；所述步骤一中，所述刻蚀处理的时间为10-30min；
所述步骤二中，所述含纳米晶和/或微米晶金刚石混合颗粒的悬浊液中，金刚石混合颗粒质量分数为0.01％～0.05％；所述步骤二中，所述超声处理时间为5～30min；
所述步骤三中，炉内气体包含含硼气体、含碳气体、氢气；
所述步骤三中；硼掺杂金刚石底层沉积的温度为600～1000℃，气压为103～104Pa，时间为4～8h；硼掺杂金刚石中层沉积的温度为600～1000℃，气压为103～104Pa，时间为4～8h；硼掺杂金刚石顶层沉积的温度为600～1000℃，气压为103～104Pa；时间为8～16h；
所述步骤四中，热处理温度为600～800℃，处理时间为30～60min。
8.根据权利要求1所述的一种紫外辅助超声耦合电催化氧化水处理系统，其特征在于：所述阴极和阳极由相互平行但互不接触的一组或多组平板电极配合组成，或者由中心同轴但互不接触的圆柱状电极与圆筒状电极配合组成，或者由两组不同直径的同轴圆筒状电极阵列配合组成，或者由蜂窝煤结构和圆柱状阵列配合组成；所述阴极的材料选自不锈钢、铝、碳纤维碳毡板中的一种；所述阳极和阴极通过导线与可线性调控直流稳压电源连接。
9.根据权利要求1所述的种紫外辅助超声耦合电催化氧化水处理系统，其特征在于：所述颗粒过滤模块中的滤料为无烟煤与石英砂的混合物。
10.根据权利要求1-9任意一项所述的种紫外辅助超声耦合电催化氧化水处理系统处理水的方法，其特征在于：待处理水先进入pH调节池，在pH调节池中将待处理水pH调节至6～8，然后进入颗粒过滤模块进行过滤，过滤后的水进入微生物除盐模块经过微生物分解，经微生物降解后的水进入电化学降解模块进行电化学氧化处理获得成品水外排，其中电化学氧化处理时，由紫外灯产生臭氧，由超声发生器提供超声。
CN202010390664.9A 2020-05-11 2020-05-11 一种紫外辅助超声耦合电催化氧化水处理系统和处理水的方法 Active CN111635067B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010390664.9A CN111635067B (zh) 2020-05-11 2020-05-11 一种紫外辅助超声耦合电催化氧化水处理系统和处理水的方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010390664.9A CN111635067B (zh) 2020-05-11 2020-05-11 一种紫外辅助超声耦合电催化氧化水处理系统和处理水的方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111635067A true CN111635067A (zh) 2020-09-08
CN111635067B CN111635067B (zh) 2022-09-27

Family

ID=72328367

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010390664.9A Active CN111635067B (zh) 2020-05-11 2020-05-11 一种紫外辅助超声耦合电催化氧化水处理系统和处理水的方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111635067B (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111646634A (zh) * 2020-05-11 2020-09-11 南京岱蒙特科技有限公司 一种超声耦合光电芬顿活化过硫酸盐水处理系统和处理水的方法
CN113480061A (zh) * 2021-06-16 2021-10-08 中国刑事警察学院 一种毒品或含毒品液体无害化处理装置及处理方法

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6267866B1 (en) * 1999-10-14 2001-07-31 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Fabrication of a high surface area boron-doped diamond coated metal mesh for electrochemical applications
WO2004071967A1 (en) * 2003-02-12 2004-08-26 The C & M Group, Llc Mediated electrochemical oxidation of animal waste materials
KR20060046358A (ko) * 2004-06-01 2006-05-17 인하대학교 산학협력단 붕소 도핑 다이아몬드 전극을 이용한 전기화학적 폐수처리방법
CN102157353A (zh) * 2010-12-03 2011-08-17 北京科技大学 一种高导热集成电路用金刚石基片的制备方法
GB201310964D0 (en) * 2013-06-19 2013-07-31 Haddad Ramsey Y Electrolytic advance oxidation processes to treat wastewater, brackish and saline water without hydrogen evolution
CN106435518A (zh) * 2016-10-21 2017-02-22 中南大学 一种高比表面积硼掺杂金刚石电极及其制备方法和应用
CN110316910A (zh) * 2019-07-23 2019-10-11 浙江一清环保工程有限公司 一种高盐高cod废水的综合处理方法
US20200048776A1 (en) * 2016-10-21 2020-02-13 Central South University Boron doped diamond electrode and preparation method and applications thereof

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6267866B1 (en) * 1999-10-14 2001-07-31 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Fabrication of a high surface area boron-doped diamond coated metal mesh for electrochemical applications
WO2004071967A1 (en) * 2003-02-12 2004-08-26 The C & M Group, Llc Mediated electrochemical oxidation of animal waste materials
KR20060046358A (ko) * 2004-06-01 2006-05-17 인하대학교 산학협력단 붕소 도핑 다이아몬드 전극을 이용한 전기화학적 폐수처리방법
CN102157353A (zh) * 2010-12-03 2011-08-17 北京科技大学 一种高导热集成电路用金刚石基片的制备方法
GB201310964D0 (en) * 2013-06-19 2013-07-31 Haddad Ramsey Y Electrolytic advance oxidation processes to treat wastewater, brackish and saline water without hydrogen evolution
CN106435518A (zh) * 2016-10-21 2017-02-22 中南大学 一种高比表面积硼掺杂金刚石电极及其制备方法和应用
US20200048776A1 (en) * 2016-10-21 2020-02-13 Central South University Boron doped diamond electrode and preparation method and applications thereof
CN110316910A (zh) * 2019-07-23 2019-10-11 浙江一清环保工程有限公司 一种高盐高cod废水的综合处理方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
XIAO JIE LI， ET AL.: "Preparation of a porous boron-doped diamond/Ta electrode for the electrocatalytic degradation of organic pollutants", 《CARBON》 *
刘婷等: "高温刻蚀硼掺杂金刚石电极材料的形貌与电化学性能", 《粉末冶金材料科学与工程》 *
张招贤等编著: "《涂层钛电极》", 31 May 2014, 冶金工业出版社 *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111646634A (zh) * 2020-05-11 2020-09-11 南京岱蒙特科技有限公司 一种超声耦合光电芬顿活化过硫酸盐水处理系统和处理水的方法
CN111646634B (zh) * 2020-05-11 2022-08-26 南京岱蒙特科技有限公司 一种超声耦合光电芬顿活化过硫酸盐水处理系统和处理水的方法
CN113480061A (zh) * 2021-06-16 2021-10-08 中国刑事警察学院 一种毒品或含毒品液体无害化处理装置及处理方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN111635067B (zh) 2022-09-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111646632B (zh) 一种绿色节能光电催化水处理系统及其处理水的方法
CN111646634B (zh) 一种超声耦合光电芬顿活化过硫酸盐水处理系统和处理水的方法
CN108183251B (zh) 一种处理低c/n废水的微生物燃料电池bcs1-mfc系统及其处理废水的方法
CN111635067B (zh) 一种紫外辅助超声耦合电催化氧化水处理系统和处理水的方法
CN111646611B (zh) 一种超声臭氧耦合光电催化水处理系统和处理水的方法
US20230192514A1 (en) High-specific surface area and super-hydrophilic gradient boron-doped diamond electrode, method for preparing same and application thereof
CN108275777A (zh) 一种阴极催化膜耦合无膜微生物燃料电池用于焦化废水处理系统
CN1903752A (zh) 亚硝化电化学反亚硝化全自养脱氨氮的方法和反应器
CN108178423B (zh) 一种圆筒型螺旋电极生物膜有机污废水反应装置
CN111646633B (zh) 一种高效节能三维电极有机水处理系统及其处理水的方法
CN111675417B (zh) 一种磁性吸附辅助光电催化氧化水处理系统和处理水的方法
CN106630116B (zh) 一种强化微生物电化学脱氮的方法与大阴极室连续流生物电化学反应装置
CN111519163B (zh) 一种高导电长寿命高比表面积的硼掺杂金刚石电极及其制备方法和应用
CN205773495U (zh) 一种光电催化净化水处理装置
Liu et al. Enhancing the performance of a microbial electrochemical system with carbon-based dynamic membrane as both anode electrode and filtration media
Abd-almohi et al. Study of Microbial Desalination Cell Performance; Power Generation and Desalination Efficiency using Pure Oxygen in a Cathode Chamber
CN109879373B (zh) 一种电催化氧化处理污水的方法及装置
CN117585802A (zh) 一种发酵类抗生素制药废水处理、氨氮回收和产氢方法
CN110550702B (zh) 一种膜反应器
CN111675396B (zh) 一种能源清洁的电-膜耦合水处理系统和处理水的方法
CN203781882U (zh) 一种用于垃圾渗滤液氧化絮凝复合床装置
CN111825271B (zh) 一种太阳能电-生物节能水处理系统和处理水的方法
CN114455672B (zh) 一种去除化粪池废水中有机物和病原微生物的处理方法
CN113003877B (zh) 一种难降解有机废水的处理装置及方法
CN111675421B (zh) 一种高效节能控温水处理系统及其处理水的方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant