CN111892131A - 利用电解联合生物炭-ldh复合材料处理废水的装置及方法 - Google Patents

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张培
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Abstract

本发明公开了一种利用电解联合生物炭‑LDH复合材料处理废水的装置及方法，属于有机废水处理方法领域，高盐废水因其具有高盐度以及高有机浓度，是工业废水处理领域中的研究热点。本发明将吸附法与电化学氧化法相结合，在吸附的同时利用外加电场的作用对水中污染物进行降解或降低毒性，将有机污染物降解为CO2、H2O或其他小分子物质，无外加试剂，降低了二次污染。本发明针对现有处理高盐有机废水方法不足，基于电化学法降解有机污染物原理，在电解装置中投加制备的生物炭及LDH的复合材料生物炭‑LDH，利用生物炭‑LDH颗粒对水中污染物的优良吸附能力以及生物炭具有的电子传导能力，在低成本简易操作下达到对高盐有机废水的理想处理效果。

Description

利用电解联合生物炭-LDH复合材料处理废水的装置及方法
技术领域
本发明专利涉及一种高含盐有机废水的处理方法，属于有机废水处理方法领域。
背景技术
近年来，各种有机化合物由于其高毒性、广泛使用率并长期存在于水体和土壤沉积物中，造成了许多严重的环境问题。高盐废水因其具有高盐度以及高有机浓度，是工业废水处理领域中的难点问题，在高盐的环境下去除水中有机物也是一个研究热点。吸附法是一种常用的去除水体中各类污染物的方法，使用吸附法去除高盐废水中的有机物时，受进水浓度波动的影响小，在高盐度情况下也可以有效去除有机污染物。吸附处理也有一定的不足之处，目前的吸附剂在水处理领域多为一次性使用，且没有真正实现污染物的降解。吸附饱和的吸附剂需进一步处理，否则易造成二次污染。因此需开发与吸附法相结合的联合技术，在吸附的同时对水中污染物起到降解或降低毒性的作用，这对于高盐废水中有机物的去除有着重要的现实意义。
目前处理高盐有机废水的方法有很多，主要有物理法、化学法、生物法等几大类。其中的电氧化处理技术具有绿色、高效、环保等优点，利用电子作为反应的介质，通过控制电极电位来实现物质的氧化降解。在直流稳压电源施加的外加电场作用下，可将有机污染物降解为CO2、H2O或其他小分子物质，无外加试剂，降低了二次污染。
生物炭(Biochar，简写为BC)是一种富含碳的物质，通过在限氧条件下热解生物质而产生，其内部孔隙发达、具有较大的比表面积，可以作为吸附材料。同时生物炭由于其表面含有丰富的含氧官能团以及炭内部的类石墨结构，使得其具有一定的导电性能，人们也开始将生物炭用作催化材料对污染物进行降解。
层状双金属氢氧化物(layered double hydroxides，简写为LDH)是一种阴离子型层状化合物，具有优异的吸附能力。近些年来，LDH和生物炭的复合材料(BC-LDH)也已被一些研究者用作吸附剂去除水中无机污染物如磷酸盐、硝酸盐以及Cu2+、Pb2+等重金属离子，在这些污染物的去除方面具有较好的效果。
但采用上述单一材料或者上述方法处理高含盐有机废水的效果仍然不够理想，如何更有效地对废水进行氧化降解处理，提高处理效率，降低成本，简化处理方法称为亟待解决的技术问题。
发明内容
为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种电解联合生物炭-LDH复合材料处理高含盐有机废水的装置及方法，在电解装置中投加制备的生物炭及LDH的复合材料生物炭-LDH，利用生物炭-LDH颗粒对水中污染物的优良吸附能力以及生物炭具有的电子传导能力，在低成本简易操作下达到对高盐有机废水的理想处理效果。
为达到上述发明创造目的，本发明采用如下技术方案：
一种利用电解联合生物炭-LDH复合材料处理废水的装置，主要由直流稳压电源、阴极石墨板、阳极石墨板、电解槽、恒温磁力搅拌器组成；恒温磁力搅拌器的转子设置于电解槽的待处理的高含盐有机废水中，通过转速调整按钮，控制转子转速，对待处理的高含盐有机废水进搅拌；通过温度显示屏对电解槽中的液体温度进行监控和调节；阴极石墨板、阳极石墨板及生物炭-LDH颗粒置于电解槽中的待处理的高含盐有机废水中，阴极石墨板和阳极石墨板作为电极置于电解槽中；直流稳压电源通过导线与阴极石墨板和阳极石墨板相连；使电解槽中的待处理的高含盐有机废水中的胶体以及有机污染物被生物炭-LDH颗粒吸附，聚集在各电极表面或靠近电极水溶液区域中，在直流稳压电源的外加电场作用下，在阴极石墨板、阳极石墨板临近水溶液区域中产生强氧化性的氧化剂物质，对水中各类有机污染物进行氧化降解，氧化降解反应后将废水上清液排出即为处理之后的水。电解池中放有磁力转子，通过转子的不断搅拌使得生物炭-LDH颗粒以悬浮状态均匀分散于电解液中。石墨电极板具有较高的导电性，生物炭-LDH颗粒较大的比表面积为有机物提供了大量的活性吸附位点。同时生物炭具有一定的电子传导能力，可提高电子在电极与污染物之间的转移速率，从而促进有机污染物的降解。
作为本发明优选的技术方案，使所述阴极石墨板、阳极石墨板靠近电解槽侧壁，使生物炭-LDH颗粒所述液体区域置于外加电场环境下，加入恒温磁力搅拌器的转子在室温下搅拌进行电解反应，反应过程中生物炭-LDH颗粒以悬浮状态存在于溶液中，形成反应溶液。
作为本发明优选的技术方案，电解池的规格为5cm×5cm×5cm，石墨电极板的规格为5cm×7.5cm×0.25cm。
一种电解联合生物炭-LDH复合材料处理高含盐有机废水的方法，包括如下步骤：在电解池中加入待处理废水，同时加入Na2SO4作为电解质，再加入生物炭-LDH材料，然后调节直流电压，向待处理废水中加入磁力转子，在不低于室温下搅拌，进行电解反应，反应过程中生物炭-LDH以悬浮状态均匀分散于电解液中，测定反应后水中的COD浓度，电解反应后将废水上清液排出即为处理之后的水。
作为本发明优选的技术方案，采用直流稳压电源作为电解池的电源系统，为电化学氧化的反应过程提供外加电场，施加外加直流电压为5-15V。进一步优选施加外加直流电压为11-15V。
作为本发明优选的技术方案，待处理高盐废水在电解槽内的反应时间为1-6h。
作为本发明优选的技术方案，所采用的生物炭-LDH材料的制备原料为玉米秸秆、六水合硝酸镁和九水合硝酸铝盐溶液，通过煅烧温度不低于500℃制备生物炭-LDH材料。
作为本发明优选的技术方案，以处理1.0L待处理废水计算，所述电解质Na2SO4投加量不低于2g，生物炭-LDH投加量不低于0.2g。
作为本发明优选的技术方案，待处理的废水中的有机物初始浓度不低于20mg/L，待处理废水中的生物炭-LDH投加量不低于1g/L，设置电压为11V。
作为本发明优选的技术方案，电解联合生物炭-LDH复合材料处理高含盐有机废水的方法，包括以下步骤：高盐废水中有机物初始浓度为20mg/L，pH为中性；在电解池中加入200mL待处理废水，同时加入Na2SO4作为电解质，再加入制备的生物炭-LDH材料，然后调节直流电压为11V，加入磁力转子在室温下搅拌进行电解反应，反应过程中生物炭-LDH以悬浮状态存在于溶液中。测定反应后水中的COD浓度，反应后将废水上清液排出即为处理之后的水。
优选本发明方法中处理高盐废水的最佳工艺参数为：有机物初始浓度为20mg/L、生物炭-LDH投加量为1g/L、电压为11V、电解质为Na2SO4。
作为本发明优选的技术方案，生物炭-LDH复合材料的制备方法如下：
配制六水合硝酸镁和九水合硝酸铝盐溶液50mL，其中镁铝两种金属盐的比例为3:1，同时配制1mol/LNaOH溶液备用；采用限氧热解法制备生物炭：用分析天平称取4～5g原始生物质粉末于石英舟中，压实，然后将石英舟放置在管式炉石英管中；通入氮气同时打开尾气处理装置，设置升温程序，将温度调至500℃，按照管式炉升温程序慢速烧制；煅烧2h后，待管式炉温度降低至60到100℃之间将生物炭取出，用研钵研磨，过100目筛后放于密封袋中保存待用；称取2g生物炭放于500mL三口烧瓶中，水浴温度60℃搅拌15min，再分别同时放入两种盐溶液搅拌2min，将pH调至10左右，稳定后继续搅2h；将温度调至65℃，陈化24h，然后冷却至室温；将悬浊液抽滤并用去离子水洗涤多次，随即将产物放入烘箱中干燥；待材料完全烘干后用研钵研碎，过100目筛，用自封袋密封保存。
本发明原理：
一种高含盐有机废水的处理方法，在电氧化处理废水过程中投加生物炭-LDH复合材料，以其参与的电氧化反应为背景，利用生物炭-LDH复合材料对废水中污染物的吸附能力及电子传导能力，在低成本简易操作下实现对废水的理想处理效果。对废水处理效果的主要影响因素有有机污染物初始浓度、直流电压的大小、生物炭-LDH材料投加量、电解质等。其中，随着直流电压的增大，电解反应进行地越快，综合考虑能耗等问题，选取直流电压。选取价廉易得的Na2SO4作为电解质，为进一步节约成本，其进行投加量控制。本发明利用生物炭-LDH颗粒对水中污染物的优良吸附能力以及生物炭具有的电子传导能力，以期在低成本简易操作下达到对高盐有机废水的理想处理效果。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
1.本发明石墨电极板具有较高的导电性，生物炭-LDH颗粒较大的比表面积为有机物提供了大量的活性吸附位点；同时生物炭具有一定的电子传导能力，可提高电子在电极与污染物之间的转移速率，从而促进有机污染物的降解；采用电解法对废水进行氧化降解处理，其中加入的生物炭-LDH起吸附污染物和传递电子的作用；生物炭-LDH由于其优良的吸附性能，先将溶液中的污染物质吸附聚集起来一部分，并利用生物炭的电子介导作用，加速电子在电极与水中污染物之间的转移，实现污染物的快速降解；
2.本发明能使废水达到排放标准，并且具有处理效果好、运行简单以及成本低的特点，适合推广应用。
附图说明
图1是本发明利用电解联合生物炭-LDH复合材料处理废水的装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的说明。
实施例一：
以下结合具体的实施例子对上述方案做进一步说明，本发明的优选实施例详述如下：
在本实施例中，参见图1，一种利用电解联合生物炭-LDH复合材料处理废水的装置，主要由直流稳压电源1、阴极石墨板2、阳极石墨板3、电解槽4、恒温磁力搅拌器5组成；恒温磁力搅拌器5的转子7设置于电解槽4的待处理的高含盐有机废水中，通过转速调整按钮8，控制转子7转速，对待处理的高含盐有机废水进搅拌；通过温度显示屏9对电解槽4中的液体温度进行监控和调节；阴极石墨板2、阳极石墨板3及生物炭-LDH颗粒6置于电解槽4中的待处理的高含盐有机废水中，阴极石墨板2和阳极石墨板3作为电极置于电解槽4中；直流稳压电源1通过导线与阴极石墨板2和阳极石墨板3相连；使电解槽4中的待处理的高含盐有机废水中的胶体以及有机污染物被生物炭-LDH颗粒6吸附，聚集在各电极表面或靠近电极水溶液区域中，在直流稳压电源1的外加电场作用下，在阴极石墨板2、阳极石墨板3临近水溶液区域中产生强氧化性的氧化剂物质，对水中各类有机污染物进行氧化降解，氧化降解反应后将废水上清液排出即为处理之后的水。本实施例如图1所示，搭建电解装置。
实施例二：
本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，参见图1，使所述阴极石墨板2、阳极石墨板3靠近电解槽4侧壁，使生物炭-LDH颗粒所述液体区域置于外加电场环境下，加入恒温磁力搅拌器5的转子7在室温下搅拌进行电解反应，反应过程中生物炭-LDH颗粒6以悬浮状态存在于溶液中，形成反应溶液。
实施例三：
本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，参见图1，一种电解联合生物炭-LDH复合材料处理高含盐有机废水的方法，包括如下步骤：在电解池中加入待处理废水，同时加入Na2SO4作为电解质，再加入生物炭-LDH材料，然后调节直流电压，向待处理废水中加入磁力转子，在不低于室温下搅拌，进行电解反应，反应过程中生物炭-LDH以悬浮状态均匀分散于电解液中，测定反应后水中的COD浓度，电解反应后将废水上清液排出即为处理之后的水。
实施例四：
本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，参见图1，进行正交实验，探究处理高含盐有机废水的最佳工艺条件。配制有机物初始浓度分别为20、80、140、200mg/L的高含盐有机废水，生物炭-LDH材料投加量分别为0.5、1.0、1.5、2.0g/L，电压分别设置为2、5、8、11V，加入的电解质分别为Na2SO4、NaCl、CaCl2、CaSO4，pH为中性，加入转子并在室温下搅拌进行电解反应，反应时间为360min，测定反应后水中的COD浓度。结果如下表1所示：
表1.正交实验参数和实验结果
Figure BDA0002583472030000051
Figure BDA0002583472030000061
实施例五：
本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，参见图1，通过对正交实验结果进行分析，结果如表2所示。得到的最佳因素组合为：有机物初始浓度为20mg/L、生物炭-LDH投加量为1g/L、电压为11V、电解质为Na2SO4。实验所得的最佳处理工艺条件为：取200mL有机物初始浓度为20mg/L的高含盐有机废水，pH为中性，在电解池中加入2gNa2SO4作为电解质，同时加入0.2g生物炭-LDH，然后调节直流电压为11V，加入磁力转子并在室温下搅拌进行电解反应，反应时间为360min。每隔一定时间测定废水中的COD浓度，反应后将废水上清液排出即为处理好的排水。
表2.正交实验结果分析
Figure BDA0002583472030000062
表3.方差分析表
Figure BDA0002583472030000063
由变2和表3可知，电解时各个因素对高含盐有机废水处理效果的影响按从大到小排序为：电压>生物炭-LDH投加量>电解质>有机物初始浓度。根据F值与F临界值的对比可知，四种因素对COD去除率的影响都不算显著。相对而言，电压大小在其中的作用较大，其次是生物炭-LDH的投加量，电解质种类和有机物浓度在其中的作用较小。
实施例六：
本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，参见图1，一种电解联合生物炭-LDH复合材料处理高含盐有机废水的方法，在最佳因素组合条件下，即有机物初始浓度为20mg/L、生物炭-LDH投加量为1g/L、电压为11V、电解质为Na2SO4，同时设置三个对照组，分别是：
只投加生物炭-LDH的组、只投加Na2SO4的组、既不加生物炭-LDH也不加Na2SO4的CK组，对高含盐有机废水进行处理，每隔一定时间测定废水中的COD浓度，反应后将废水上清液排出即为处理好的排水。使用本实施例处理方法，在最佳因素组合条件下进行实验，同时添加生物炭-LDH和Na2SO4时，反应45min后原废水的COD去除率达95％以上；只添加生物炭-LDH时，反应60min后COD去除率为94％；只添加Na2SO4时，反应60min后COD去除率为74％；既不添加生物炭-LDH也不添加Na2SO4，即CK组，反应60min后COD去除率只有53％。其中，同时投加生物炭-LDH和Na2SO4的组处理效果最好，其次是只添加生物炭-LDH的组，按处理效果优劣排序为：投加生物炭-LDH和Na2SO4>投加生物炭-LDH>投加Na2SO4>CK，生物炭-LDH和Na2SO4都不投加。通过与对照组的比较，证明了生物炭-LDH复合材料在电化学法处理高盐有机废水中有一定的促进作用。
实施例七：
本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，生物炭-LDH复合材料的制备方法如下：
配制六水合硝酸镁和九水合硝酸铝盐溶液50mL，其中镁铝两种金属盐的比例为3:1，同时配制1mol/LNaOH溶液备用。采用限氧热解法制备生物炭：用分析天平称取4～5g原始生物质粉末于石英舟中，压实，预先采用玉米秸秆原始生物质粉末；然后将石英舟放置在管式炉石英管中。通入氮气同时打开尾气处理装置，设置升温程序，将温度调至500℃，按照管式炉升温程序慢速烧制。煅烧2h后，待管式炉温度降低至60到100℃之间将生物炭取出，用研钵研磨，过100目筛后放于密封袋中保存待用。称取2g生物炭放于500mL三口烧瓶中，水浴温度60℃搅拌15min，再分别同时放入两种盐溶液搅拌2min，将pH调至10左右，稳定后继续搅2h。将温度调至65℃，陈化24h，然后冷却至室温。将悬浊液抽滤并用去离子水洗涤多次，随即将产物放入烘箱中干燥。待材料完全烘干后用研钵研碎，过100目筛，用自封袋密封保存。本实施例采用玉米秸秆原始生物质粉末，能实现废弃物资源化，进一步降低的电解联合生物炭-LDH复合材料处理高含盐有机废水的方法成本，实现了综合效益。
在本实施例中，高含盐有机废水的处理方法，在电氧化处理废水过程中投加生物炭-LDH复合材料，以其参与的电氧化反应为背景，利用生物炭-LDH复合材料对废水中污染物的吸附能力及电子传导能力，在低成本简易操作下实现对废水的理想处理效果。对废水处理效果的主要影响因素有有机污染物初始浓度、直流电压的大小、生物炭-LDH材料投加量、电解质等。其中，随着直流电压的增大，电解反应进行地越快，综合考虑能耗等问题，选取直流电压为11V。选取价廉易得的Na2SO4作为电解质，为进一步节约成本，其投加量控制为2g。
综上实施例可知，本发明将吸附法与电化学氧化法相结合，在吸附的同时利用外加电场的作用对水中污染物进行降解或降低毒性，可将有机污染物降解为CO2、H2O或其他小分子物质，无外加试剂，降低了二次污染。本发明的目的是针对现有处理高盐有机废水方法的不足之处，基于电化学法降解有机污染物原理，在电解装置中投加制备的生物炭及LDH的复合材料生物炭-LDH，利用生物炭-LDH颗粒对水中污染物的优良吸附能力以及生物炭具有的电子传导能力，以期在低成本简易操作下达到对高盐有机废水的理想处理效果。
上面对本发明实施例结合附图进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种利用电解联合生物炭-LDH复合材料处理废水的装置，其特征在于：主要由直流稳压电源(1)、阴极石墨板(2)、阳极石墨板(3)、电解槽(4)、恒温磁力搅拌器(5)组成；恒温磁力搅拌器(5)的转子(7)设置于电解槽(4)的待处理的高含盐有机废水中，通过转速调整按钮(8)，控制转子(7)转速，对待处理的高含盐有机废水进搅拌；通过温度显示屏(9)对电解槽(4)中的液体温度进行监控和调节；阴极石墨板(2)、阳极石墨板(3)及生物炭-LDH颗粒(6)置于电解槽(4)中的待处理的高含盐有机废水中，阴极石墨板(2)和阳极石墨板(3)作为电极置于电解槽(4)中；直流稳压电源(1)通过导线与阴极石墨板(2)和阳极石墨板(3)相连；使电解槽(4)中的待处理的高含盐有机废水中的胶体以及有机污染物被生物炭-LDH颗粒(6)吸附，聚集在各电极表面或靠近电极水溶液区域中，在直流稳压电源(1)的外加电场作用下，在阴极石墨板(2)、阳极石墨板(3)临近水溶液区域中产生强氧化性的氧化剂物质，对水中各类有机污染物进行氧化降解，氧化降解反应后将废水上清液排出即为处理之后的水。
2.根据权利要求1所述利用电解联合生物炭-LDH复合材料处理废水的装置，其特征在于：使所述阴极石墨板(2)、阳极石墨板(3)靠近电解槽(4)侧壁，使生物炭-LDH颗粒所述液体区域置于外加电场环境下，加入恒温磁力搅拌器(5)的转子(7)在室温下搅拌进行电解反应，反应过程中生物炭-LDH颗粒(6)以悬浮状态存在于溶液中，形成反应溶液。
3.一种电解联合生物炭-LDH复合材料处理高含盐有机废水的方法，其特征在于，包括如下步骤：在电解池中加入待处理废水，同时加入Na2SO4作为电解质，再加入生物炭-LDH材料，然后调节直流电压，向待处理废水中加入磁力转子，在不低于室温下搅拌，进行电解反应，反应过程中生物炭-LDH以悬浮状态均匀分散于电解液中，测定反应后水中的COD浓度，电解反应后将废水上清液排出即为处理之后的水。
4.根据权利要求3所述电解联合生物炭-LDH复合材料处理高含盐有机废水的方法，其特征在于，采用直流稳压电源作为电解池的电源系统，为电化学氧化的反应过程提供外加电场，施加外加直流电压为5-15V。
5.根据权利要求4所述电解联合生物炭-LDH复合材料处理高含盐有机废水的方法，其特征在于，施加外加直流电压为11-15V。
6.根据权利要求3所述电解联合生物炭-LDH复合材料处理高含盐有机废水的方法，其特征在于，待处理高盐废水在电解槽内的反应时间为1-6h。
7.根据权利要求3所述电解联合生物炭-LDH复合材料处理高含盐有机废水的方法，其特征在于，所采用的生物炭-LDH材料的制备原料为玉米秸秆、六水合硝酸镁和九水合硝酸铝盐溶液，通过煅烧温度不低于500℃制备生物炭-LDH材料。
8.根据权利要求3所述电解联合生物炭-LDH复合材料处理高含盐有机废水的方法，其特征在于，以处理1.0L待处理废水计算，所述电解质Na2SO4投加量不低于2g，生物炭-LDH投加量不低于0.2g。
9.根据权利要求8所述电解联合生物炭-LDH复合材料处理高含盐有机废水的方法，其特征在于，待处理的废水中的有机物初始浓度不低于20mg/L，待处理废水中的生物炭-LDH投加量不低于1g/L，设置电压为11V。
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