CN111792706A - 有阳离子交换膜的电化学氧化处理反应器及用于处理吡啶废水的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了有阳离子交换膜的电化学氧化处理反应器及用于处理吡啶废水的方法。包括反应器主体和设有水浴槽的磁力搅拌器，反应器主体由阳离子交换膜分割为阴极室和阳极室，阴极室和阳极室内部分别设有阴、阳极板，顶部分别设有取样口，阴极室和阳极室上部和下部分别设置出水口和进水口，出水口和进水口分别连接水管和水泵，阳极室内放置磁子。吡啶废水在阳极室发生氧化反应，反应后出水从出水口排出。本发明通过有阳离子交换膜电氧化的方法克服了无膜电氧化法对于吡啶废水处理效率低的缺点，高效、无污染。
Description
技术领域
本发明涉及废水处理装置及处理方法，特别涉及有阳离子交换膜的电化学氧化处理反应器及用于处理吡啶废水的方法。
背景技术
吡啶(C5H5N)是最基本和典型的含氮杂环化合物，常作为合成各类含氮杂环化合物的母体，广泛应用于医药、农药、化工等行业。吡啶因其致癌、致畸、致突变的特性对人体健康和自然环境有巨大危害，随着经济的迅速发展，化工等行业对吡啶需求越来越高，吡啶废水的排放量也不断增加。吡啶结构稳定、不易降解，常用的吸附、混凝技术难以经济高效的降解吡啶；而微生物对于吡啶降解缓慢，周期较长，吡啶的生物毒性也直接限制了生物法对含吡啶废水处理中的应用。
电催化氧化技术因其无药剂投加，无二次污染，设备占地面积小，易于自动化的优势，逐渐受到学者们的重视；随着电力工业的发展，电能成本降低，该技术的应用前景和市场价值也在不断提升。而常用的电催化氧化工艺，吡啶在阳极进行氧化的中间产物会回到阴极重新被还原，导致吡啶降解效率低，并且有可能生成毒性更高的产物，加重污染。
发明内容
发明目的：本发明目的是提供降解率高、时间短、无污染的有阳离子交换膜的电化学氧化处理反应器。
本发明另一目的是提供所述降解率高、时间短、无污染的有阳离子交换膜的电化学氧化处理反应器及用于处理吡啶废水的方法。
技术方案：本发明提供一种有阳离子交换膜的电化学氧化处理反应器，包括反应器主体和设有水浴槽的磁力搅拌器，反应器主体由阳离子交换膜分割为阴极室和阳极室，阴极室和阳极室内部分别设有阴、阳极板，顶部分别设有取样口，阴极室和阳极室上部和下部分别设置出水口和进水口，出水口和进水口分别连接水管和水泵，阳极室内放置磁子。
进一步地，所述阴极板为铂片电极。
进一步地，所述阴极板为铂片电极。
所述的有阳离子交换膜的电化学氧化处理反应器用于处理吡啶废水的方法，调节吡啶废水pH值为弱碱性，去除沉淀物；将废水泵入阳极室，阴极室内泵入硫酸钠水溶液，阴极室和阳极室中间用阳离子交换膜隔开；启动磁力搅拌器对阳极室进行磁力搅拌，开始电化学处理，吡啶废水在阳极室发生氧化反应，反应后从出水口排出。
进一步地，所述废水的pH值为7-8。
有益效果：使用本发明的装置对吡啶废水进行处理的方法，能够达到短时间内一次性去除以及具有良好的去除效果。相比于无膜的电化学氧化具有更好的降解效率，并且不会存在反应中间产物到阴极还原成毒性更强的污染物的风险。本发明方法是一种绿色的水处理方法，只需要外加电流，不需要投加其他化学试剂，且不会产生二次污染。
附图说明
图1为本发明所述的有阳离子交换膜电化学氧化处理吡啶废水的反应器；
图2为本发明所述的有阳离子交换膜电化学氧化和无膜电化学氧化处理吡啶效果对比；
图3为本发明所述的有阳离子交换膜电化学氧化法在不同电流密度下对吡啶降解效果对比；
图4为本发明所述的有阳离子交换膜电化学氧化法在不同初始吡啶浓度下1对吡啶降解效果对比；
图5为本发明实施例1中的Ti3+自掺杂TiO2纳米管阵列电极和对比例1-4中商业电极电催化氧化吡啶效果对比。
具体实施方式
实施例1
本发明所采用的有阳离子膜电化学氧化反应器如图1所示，所述反应器包括反应器主体1和设有水浴槽2的磁力搅拌器，反应器主体1由阳离子交换膜3分割为阴极室4和阳极室5，阴极室4和阳极室5内部分别设有阴、阳极板，顶部分别设有取样口6，阴极室4和阳极室5上部和下部分别设置出水口7和进水口8，出水口7和进水口8分别连接水管9和水泵10，阳极室5内放置磁子。废水从进水口8进入阳极室5发生氧化反应，从出水口7排出。设有水浴槽2的磁力搅拌器既可以控制反应温度，也可以通过磁力搅拌增强废水的反应速率。使用的阴极板为铂片电极，阳极板为Ti3+自掺杂TiO2纳米管阵列电极。调节吡啶废水pH为弱碱性(pH值为7-8)，将沉淀的物质去除；将吡啶废水通入反应器的阳极室5，阴极室4通入硫酸钠水溶液，在阳极进行磁力搅拌，开始电化学处理，吡啶废水在阳极室5发生氧化反应，电化学处理的电流密度为10mA/cm2，反应时间为2h，反应温度为20摄氏度。吡啶模拟废水中的硫酸钠的浓度为50mmol/L，吡啶的浓度为500mg/L；阴极室硫酸钠水溶液中硫酸钠的浓度为50mmol/L。结果发现，吡啶在100min时去除率可达到100％。
实施例2
改变反应电流密度为20mA·cm-2，其它条件同实施例1。结果发现，吡啶在60min时去除率可达到100％。
实施例3
改变反应电流密度为5mA·cm-2，其它条件同实施例1。结果发现，吡啶在120min时去除率为90.08％。
实施例4
Ti3+自掺杂TiO2纳米管阵列电极的制备方法与实施例1相同，改变吡啶初始浓度为100mg·L-1，其它条件同实施例1。结果发现，吡啶在30min时去除率可达到100％。
实施例5
Ti3+自掺杂TiO2纳米管阵列电极的制备方法与实施例1相同，改变吡啶初始浓度为900mg·L-1，其它条件同实施例1。结果发现，吡啶在120min时去除率可达到100％。
对比例1
改变阳离子交换膜隔开的双室电化学反应器为全混的电化学反应器，其它条件同实施例1。结果发现，吡啶在100min时去除率仅为50.2％，较有膜电氧化下降了49.8％。
对比例2
改变阳极为商业电极钌铱钛，其他条件同实施例1。结果发现，吡啶在120min时去除率仅为71.85％。
对比例3
改变阳极为商业电极铱钽钛，其他条件同实施例1。结果发现，吡啶在120min时去除率仅为77.75％。
对比例4
改变阳极为商业电极锡锑钛，其他条件同实施例1。结果发现，吡啶在120min时去除率仅为83.94％。
对比例5
改变阳极为商业电极BDD，其他条件同实施例1。结果发现，吡啶在100min时去除率可达到100％，但BDD电极成本远高于其他电极。
由图2可知，在全混的电化学反应器中，吡啶在100min时去除率仅为50.2％；而在本发明的有阳离子交换膜隔开的电化学处理反应器中，吡啶在100min时去除率可达到100％，吡啶去除率提高了49.8％。由图3可知，随着电流密度的增加，吡啶去除的速度加快，当电流密度为5mA·cm-2时，吡啶在120min时去除率可达到90.08％，当电流密度为10mA·cm-2时，吡啶在100min时可完全去除，当电流密度为20mA·cm-2时，吡啶在60min时可完全去除，但越高的电流密度意味着越大的能耗，综合去除效果和能耗考虑，优化电流密度10mA·cm-2。由图4可知，随着初始吡啶浓度的增加，吡啶去除速度减慢，这可能是因为随着初始吡啶浓度增加，单位时间内去除的吡啶占初始吡啶浓度的百分比下降，并且在高浓度的吡啶下，Ti3+自掺杂TiO2纳米管阵列电极上的吸附位点达到饱和甚至不足，导致吡啶降解受到影响。当吡啶浓度达到900mg·L-1时，依然可以在120min时去除率达到100％，将吡啶完全去除，这证明了此发明的方法降解吡啶可以适应实际工程中初始吡啶浓度的波动。由图5可知，以商业化的Ti/RuO2-IrO2电极、Ti/IrO2-Ta2O5电极、Ti/SnO2-Sb2O5电极作为阳极，在120min时对吡啶的去除率分别71.85％、77.75％、83.94％，而Ti3+自掺杂TiO2纳米管阵列电极对吡啶的电催化氧化降解效果明显优于商业化的Ti/RuO2-IrO2电极、Ti/IrO2-Ta2O5电极、Ti/SnO2-Sb2O5电极，在100min时对吡啶的去除率就可达到100％。商业化的BDD电极在40min前对吡啶的去除率一直低于Ti3+自掺杂TiO2纳米管阵列电极，在40～90min对吡啶的去除率高于Ti3+自掺杂TiO2纳米管阵列电极，在100min时吡啶去除率也达到100％。然而商业化BDD电极(25mm×50mm×1mm)的价格为5000～6000元，成本极高，而Ti3+自掺杂TiO2纳米管阵列电极(25mm×50mm×1mm)成本仅约为8元，因此Ti3+自掺杂TiO2纳米管阵列电极电催化氧化降解吡啶在兼顾降解效率的同时还能大大地降低成本。
综述所述，使用本发明的装置对吡啶废水进行处理的方法，能够达到短时间内一次性去除以及具有良好的去除效果。以Ti3+自掺杂TiO2纳米管阵列电极为阳极，在兼顾降解效率的同时还能大大地降低成本。相比于无膜的电化学氧化具有更好的降解效率，并且不会存在反应中间产物到阴极还原成毒性更强的污染物的风险。本发明方法绿色环保，成本较低，只需要外加电流，不需要投加其他化学试剂，不会产生二次污染。
Claims (5)
1.一种有阳离子交换膜的电化学氧化处理反应器，其特征在于：包括反应器主体(1)和设有水浴槽(2)的磁力搅拌器，反应器主体(1)由阳离子交换膜(3)分割为阴极室(4)和阳极室(5)，阴极室(4)和阳极室(5)内部分别设有阴、阳极板，顶部分别设有取样口(6)，阴极室(4)和阳极室(5)上部和下部分别设置出水口(7)和进水口(8)，出水口(7)和进水口(8)分别连接水管(9)和水泵(10)，阳极室(5)内放置磁子。
2.根据权利要求1所述的有阳离子交换膜的电化学氧化处理反应器，其特征在于：所述阴极板为铂片电极。
3.根据权利要求1所述的有阳离子交换膜的电化学氧化处理反应器，其特征在于：所述阳极板为Ti3+自掺杂TiO2纳米管阵列电极、钌铱钛电极、铱钽钛电极、锡锑钛电极和BDD电极中的一种。
4.权利要求1所述的有阳离子交换膜的电化学氧化处理反应器用于处理吡啶废水的方法，其特征在于：调节吡啶废水pH值为弱碱性，去除沉淀物；将废水泵入阳极室(5)，阴极室(4)内泵入硫酸钠水溶液，阴极室(4)和阳极室(5)中间用阳离子交换膜(3)隔开；启动磁力搅拌器对阳极室(5)进行磁力搅拌，开始电化学处理，吡啶废水在阳极室(5)发生氧化反应，反应后从出水口(7)排出。
5.根据权利要求4所述的有阳离子交换膜的电化学氧化处理反应器用于处理吡啶废水的方法，其特征在于：所述废水的pH值为7-8。
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