CN112340905B - 一种多波长紫外-电化学分段处理废水的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多波长紫外‑电化学分段处理废水的方法和装置，所述装置包括电解槽、冷却管、复极式电极、紫外灯、超声波发生器，所述的复极式电极固设于电解槽的中部，所述的冷却管设置于复极式电极的外部，所述的超声波发生器设置于复极式电极的下部，其装置将含氯废水中的氯离子在所述阳极电极表面失去电子产生自由氯，LED紫外灯发出的UV光照射使自由氯进一步生成包括羟基自由基和活性氯的强氧化性物质，将废水中的难降解有机污染物氧化降解；本发明所述述多波长紫外‑电化学分段处理废水的方法能够用于处理各种难降解的工业化学品废水、农药残留和医药废水等，本发明还优化UV效果，提高羟基自由基生成水平，整体提升UV/电化学能效。
Description
技术领域
本发明涉及一种多波长紫外-电化学分段处理废水的方法和装置，属于水处理技术领域。
背景技术
高级技术(Advanced Oxidation Processes，简称AOPs)是20世纪80年代开始形成的处理有毒污染物技术，它的特点是通过反应产生羟基自由基(·OH)，该自由基具有极强的氧化性、通过自由基反应能够将有机污染物有效地分解，甚至彻底地转化为无害无机物，如二氧化碳和水等；同普通的化学氧化法相比，高级氧化法的反应速度很快，一般反应速率常数为108-1010mol-1Ls-1，能在很短时间内达到处理要求；UV/H2O2、UV/O3及O3/H2O2工艺均为产生羟基自由基的高级氧化技术。
相比UV/H2O2，UV/氯是一种新兴的高级氧化技术，在难降解有机污染物去除方面已展现出良好的去除效果。与UV/H2O2相比，UV/氯更经济，且HClO比H2O2对UV的量子吸收更高。UV/氯工艺的主要反应机理如方程(1)～(7)所示。UV/氯过程中不仅可以产生非选择性的HO*，还可以产生选择性的Cl*、Cl2 *—和ClO*。HO*是一种强氧化剂，氧化还原电势E0＝2.8V，但它在实际水处理中易被自然有机物、HCO3 -/CO3 -等基质捕获。除了HO*，Cl*、Cl2 *—和ClO*也是高效的氧化剂，其氧化还原电势分别为2.4、2.0和1.5～1.8V。因此，对于实际水体中的污染物去除，UV/氯是一种有效的技术。
HO*+HOCl→ClO*+H2O (3)
HO*+OCl—→ClO*+OH— (4)
Cl*+HOCl→ClO*+H++Cl— (5)
Cl*+OCl—→ClO*+Cl— (6)
尽管UV/氯被认为是一项新的可行的高级氧化技术，但其应用也受到一些限制。如在分散式水处理系统中，NaClO和HClO具有腐蚀性且HClO极不稳定，氯的存储和运输限制了UV/氯用于污染物去除的应用与推广。
发明内容
本发明旨在提供一种多波长紫外-电化学分段处理废水的方法和装置，充分利用了水中通常存在氯离子的特征(或加入氯离子)，通过电极产生电场，在析氯阳极电极表面将含氯水中的氯离子生成包括HClO、ClO-和Cl2的自由氯，并进一步在UV光的作用下使自由氯反应产生HO·和活性氯，从而高效地去除水体中的有机污染物。
本发明通过以下技术方案实现：
一种多波长紫外-电化学分段处理废水的装置，其特征在于，所述装置包括电解槽1、冷却管2、复极式电极3、紫外灯4、超声波发生器5，所述的复极式电极3固设于电解槽1的中部，所述的冷却管2设置于复极式电极3的外部，所述的超声波发生器5设置于复极式电极3的下部，所述的电解槽1上设置有相应的进水口和出水口，所述的冷却管2分别设置有相应的冷却水进水口和冷却水出水口。
所述的冷却管2螺旋式环绕排布于所述的复极式电极2的外部，所述的冷却管2的材质为碳化硅材质。
所述的复极式电极3为沿纵向串联设置的多组阴极和阳极，并且沿横向并联设置的多组阴极和阳极。
所述的阳极材质为钌、铱系钛基析氯电极，且其涂层中加入锡、铝金属氧化物。
所述的阴极为钛电极、石墨电极或不锈钢电极中的一种。
所述的紫外灯4为多组LED紫外灯，其穿插排布于复极式电极3内，沿水平方向的相邻三个LED紫外灯的中心波长依次为267nm、275nm和286nm。
所述电解槽1中通过添加氯盐调节其氯离子浓度，所述氯盐选用氯化钠、氯化镁、氯化钾中的任一种或多种混合物。
所述的电解槽1中设置有pH检测仪、温度检测仪。
一种多波长紫外-电化学分段处理废水的方法，其特征在于，将待处理废水经电解槽1上设置的进水口流入电解槽中，调节待处理废水中氯离子的浓度，根据待处理水中的pH值，开启相应波长的LED紫外灯，接通电极电源，使得复极式电极3中形成电场，使含氯废水发生电化学反应，含氯废水中的氯离子在所述阳极电极表面失去电子产生自由氯；LED紫外灯发出的UV光照射使自由氯进一步生成包括羟基自由基和活性氯的强氧化性物质，将废水中的难降解有机污染物氧化降解，同时开启电解槽1底部的超声波发生器5，对电解槽1内的废水形成扰动，并防止复极式电极3表面结垢。
所述的复极式电极3的电离密度范围为200<I≤400mA/cm2，废水在电解槽1中的停留时间为5-150min。
与现有技术相比，本发明具备如下有益效果：
(1)本发明利用电解原位产生包括HClO、ClO-和Cl2的自由氯，并进一步在UV光的作用下使自由氯反应产生HO·和活性氯，与现有技术中的复合高级氧化技术，如UV/H2O2、UV/O3及O3/H2O2相比，UV/氯更经济，且HClO比H2O2对UV的量子吸收更高，氧化效率更高。
(2)与现有技术中的UV/电化学系统相比，本发明采用串、并联复合电极，对比现有单极式串联(或并联)电极，复极式电极结构在UV/高级氧化体系的运用，提高了电流效率，降低了电耗，提升了氯离子利用率，优化了电流、电压数值，以避免大电流运行模式，减小电极发热量，减少副产物生成。
(3)与现有技术中的电极相比，本申请阳极为钌、铱系钛基析氯电极，涂层加入Sn、Al等金属氧化物，显著提升电极效率、寿命，增强涂层与基体结合度，是一种抗污染能力更强，选择性更好，电解效率更高的多元涂层电极。
(4)本发明利用碳化硅降温管优异的导热性能，配合冷却液(水)对电解过程进行降温，以避免HClO、ClO-在高温环境下的分解与副反应。从而减少副产物的生成，提高电化学反应的效率。而且，为了进一步提升降温、控温效果，降温管采用螺旋式环绕排布，充分提高降温面积，显著提升降温速率。
(5)本发明中使用多波长UV分段梯度式排布。电解过程中，pH会随着次氯酸根的产生逐渐升高，电解槽内pH呈现梯度式变化，因此随之逐渐改变紫外波长，针对不同pH电解液，分段排布不同波长紫外灯，可显著提高羟基自由基生成水平，从而进一步提升有机物去除效果。
(6)本发明通过底部设置的独特的低频超声防垢系统，在不破坏电极涂层的同时，粉碎、剥离结垢物，解决了现有电化学反应中常见的结垢问题；同时，超声波的特性，可对反应中电解液产生扰动效果，增强反应速率，促进反应正向进行。
附图说明
图1为本发明所涉及的一种多波长-紫外电化学分段处理废水的装置的示意图。
图2为本发明所涉及的一种多波长-紫外电化学分段处理废水的装置的俯视图。
图中：1－电解槽；2－冷却管；3－复极式电极；4－紫外灯；5－降解池。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式及工作过程作进一步的说明。
本申请文件中的上、下、左和右等方位用语是基于附图所示的位置关系而建立的。附图不同，则相应的位置关系也有可能随之发生变化，故不能以此理解为对保护范围的限定。
如图1、2所示，一种多波长紫外-电化学分段处理废水的装置，其特征在于，所述装置包括电解槽1、冷却管2、复极式电极3、紫外灯4、超声波发生器5，所述的复极式电极3固设于电解槽1的中部，所述的冷却管2设置于复极式电极3的外部，所述的超声波发生器5设置于复极式电极3的下部，所述的电解槽1上设置有相应的进水口和出水口，所述的冷却管2分别设置有相应的冷却水进水口和冷却水出水口。
所述的冷却管2螺旋式环绕排布于所述的复极式电极2的外部，所述的冷却管2的材质为碳化硅材质。
所述的复极式电极3为沿纵向串联设置的多组阴极和阳极，并且沿横向并联设置的多组阴极和阳极。
所述的阳极材质为钌、铱系钛基析氯电极，且其涂层中加入锡、铝金属氧化物。
所述的阴极为钛电极、石墨电极或不锈钢电极中的一种。
所述的紫外灯4为多组LED紫外灯，其穿插排布于复极式电极3内，沿水平方向的相邻三个LED紫外灯的中心波长依次为267nm、275nm和286nm。
所述电解槽1中通过添加氯盐调节其氯离子浓度，所述氯盐选用氯化钠、氯化镁、氯化钾中的任一种或多种混合物。
所述的电解槽1中设置有pH检测仪、温度检测仪。
一种多波长紫外-电化学分段处理废水的方法，其特征在于，将待处理废水经电解槽1上设置的进水口流入电解槽中，调节待处理废水中氯离子的浓度，根据待处理水中的pH值，开启相应波长的LED紫外灯，接通电极电源，使得复极式电极3中形成电场，使含氯废水发生电化学反应，含氯废水中的氯离子在所述阳极电极表面失去电子产生自由氯；LED紫外灯发出的UV光照射使自由氯进一步生成包括羟基自由基和活性氯的强氧化性物质，将废水中的难降解有机污染物氧化降解，同时开启电解槽1底部的超声波发生器5，对电解槽1内的废水形成扰动，并防止复极式电极3表面结垢。
所述的复极式电极3的电离密度范围为200<I≤400mA/cm2，废水在电解槽1中的停留时间为5-150min。
实施例1
将待处理水样中初始氯离子浓度调节为150mg/L。将待处理水样加入到本发明的电解槽中，将电极对应地与直流电源接通，同时开启LED紫外灯，开启电解槽1底部的超声波发生器5，对电解槽1内的废水形成扰动，并防止复极式电极3表面结垢，电流密度为300mA/cm2，
处理时间约8min，水中难降解有机物的去除率可达90％以上。
实施例2
将待处理水样中初始氯离子浓度调节为120mg/L。将待处理水样加入到本发明的电解槽中，将电极对应地与直流电源接通，同时开启LED紫外灯，开启电解槽1底部的超声波发生器5，对电解槽1内的废水形成扰动，并防止复极式电极3表面结垢，电流密度为320mA/cm2，
处理时间约10min，水中难降解有机物的去除率可达90％以上。
实施例3
将待处理水样中初始氯离子浓度调节为120mg/L。将待处理水样加入到本发明的电解槽中，将电极对应地与直流电源接通，同时开启LED紫外灯，开启电解槽1底部的超声波发生器5，对电解槽1内的废水形成扰动，并防止复极式电极3表面结垢，电流密度为330mA/cm2，
处理时间约15min，水中难降解有机物的去除率可达90％以上。
本发明所述述多波长紫外-电化学分段处理废水的方法能够用于处理各种难降解的工业化学品废水、农药残留和医药废水等。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种多波长紫外-电化学分段处理废水的装置，其特征在于，所述装置包括电解槽(1)、冷却管(2)、复极式电极(3)、紫外灯(4)、超声波发生器(5)，所述的复极式电极(3)固设于电解槽(1)的中部，所述的冷却管(2)设置于复极式电极(3)的外部，所述的超声波发生器(5)设置于复极式电极(3)的下部，所述的电解槽(1)上设置有相应的进水口和出水口，所述的冷却管(2)分别设置有相应的冷却水进水口和冷却水出水口；所述的冷却管(2)螺旋式环绕排布于所述的复极式电极(2)的外部，所述的冷却管(2)的材质为碳化硅材质；所述的复极式电极(3)为沿纵向串联设置的多组阴极和阳极，并且沿横向并联设置的多组阴极和阳极；所述的阳极材质为钌、铱系钛基析氯电极，且其涂层中加入锡、铝金属氧化物；所述的阴极为钛电极、石墨电极或不锈钢电极中的一种；所述的紫外灯(4)为多组LED紫外灯，其穿插排布于复极式电极(3)内，沿水平方向的相邻三个LED紫外灯的中心波长依次为267nm、275nm和286nm；使用多波长UV分段梯度式排布，电解过程中，pH会随着次氯酸根的产生逐渐升高，电解槽内pH呈现梯度式变化，因此随之逐渐改变紫外波长，针对不同pH电解液，分段排布不同波长紫外灯，可显著提高羟基自由基生成水平，从而进一步提升有机物去除效果。
2.根据权利要求1所述的多波长紫外-电化学分段处理废水的装置，其特征在于，所述电解槽(1)中通过添加氯盐调节其氯离子浓度，所述氯盐选用氯化钠、氯化镁、氯化钾中的任一种或多种混合物。
3.根据权利要求1所述的多波长紫外-电化学分段处理废水的装置，其特征在于，所述的电解槽(1)中设置有pH检测仪、温度检测仪。
4.根据权利要求1所述的多波长紫外-电化学分段处理废水的装置的废水处理方法，其特征在于，将待处理废水经电解槽(1)上设置的进水口流入电解槽中，调节待处理废水中氯离子的浓度，根据待处理水中的pH值，开启相应波长的LED紫外灯，接通电极电源，使得复极式电极(3)中形成电场，使含氯废水发生电化学反应，含氯废水中的氯离子在所述阳极电极表面失去电子产生自由氯；LED紫外灯发出的UV光照射使自由氯进一步生成包括羟基自由基和活性氯的强氧化性物质，将废水中的难降解有机污染物氧化降解，同时开启电解槽(1)底部的超声波发生器(5)，对电解槽(1)内的废水形成扰动，并防止复极式电极(3)表面结垢。
5.根据权利要求4所述的多波长紫外-电化学分段处理废水的装置的废水处理方法，其特征在于，所述的复极式电极(3)的电离密度范围为200<I≤400mA/cm2，废水在电解槽(1)中的停留时间为5-150min。
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