CN112960741A - 一种电催化氧化-电渗析耦合处理系统及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种电催化氧化‑电渗析耦合处理系统，通过构建多组电催化电极和电渗析膜堆交替组合的复合电化学耦合技术体系，将电催化氧化和电渗析技术有机组合成一体，形成一体化单元，废水原水同时进入电极区和膜堆淡化室产生电催化氧化和电渗析迁移同步协同作用，形成淡水排出，含盐清水则进入膜堆浓缩室，电极区和膜堆淡化室内的无机盐离子在电渗析作用下进入到浓缩室形成浓水，膜堆浓缩室的浓水产生盐分累积循环后，浓水去蒸发脱盐处理，冷凝水用于补充到含盐清水中。本发明形成电催化氧化和电渗析相互协同作用，强化电催化氧化降解有机物效率，同时通过电催化氧化提高电渗析性能，高效同步去除工业废水中的高浓无机盐和难降解有机物。

Description

一种电催化氧化-电渗析耦合处理系统及应用
技术领域
本发明属于工业污水处理领域，具体涉及一种电催化氧化-电渗析耦合处理系统及应用。
背景技术
伴随着工业经济的持续高速发展，工业生产过程中产生了大量废水，这对环境安全造成了极大的压力。而废水中含有许多较难降解的毒性污染物，成分复杂，呈现复合污染特征，如酚类化合物，杂环类化合物，多氯联苯等有机化合物，以及盐分、重金属等无机化合物，会造成天然水体污染的加剧，制约社会经济和科技的发展。针对高含盐有机工业废水的预处理技术普遍是直接采用蒸发的方式将盐浓缩结晶出来，而在蒸发过程中这些高浓有机物和无机盐往往形成复合聚合物，导致蒸发结晶环节出现粘结、堵塞等问题。电催化氧化技术是利用电极表面产生强氧化性的羟基自由基[OH·]、H2O2等将有机污染物氧化降解，在处理有机工业废水方面具有一定优势。电渗析技术是基于离子交换膜对于阴阳离子的选择透过性，通过外加电场的作用，使水中的阴阳离子发生定向迁移，从而实现脱盐的过程，电渗析技术具有能量消耗低，对原水含盐量变化适应性强，易于实现机械化和自动化等优点。虽然电催化氧化降解有机物能力强，但是高浓度盐分等复合污染物会削减氧化剂效果，并易阻塞电极表面活性点，降低电催化氧化性能，氧化效能受到限制；电渗析脱盐能力强，但去除有机物能力有限，且大量有机物会造成电渗析膜污染，降低电渗析性能。目前，电催化氧化与电渗析联合技术主要是通过两段组合的方式，只是单一的串联组合，即电渗析和电催化氧化被设置为两个独立的单元，未能形成一体化单元，没有充分发挥其耦合协同效应。
发明内容
发明目的：为解决现有技术中存在的技术问题，本发明提出一种电催化氧化-电渗析耦合处理系统，通过将电催化氧化和电渗析技术有机组合成一体，形成电催化氧化和电渗析相互协同作用，并同步去除高浓无机盐和难降解有机物。
为实现上述技术目的，本发明提出了一种电催化氧化-电渗析耦合处理系统，所述电催化氧化-电渗析耦合处理系统包括至少三个电催化电极和至少两个电渗析膜堆，每个电渗析膜堆由若干对阳离子交换膜和阴离子交换膜相间排列构成，三个电催化电极中至少包括一个电催化阳极和一个电催化阴极，其中，电催化电极按照极性相间排列，电渗析膜堆设置于两个电催化电极之间，且电渗析膜堆的阴离子交换膜的一侧与电催化阴极相邻，阳离子交换膜的一侧与电催化阳极相邻，从而在电催化电极与电渗析膜堆之间形成电极区，在电渗析膜堆内部形成膜堆淡化室和膜堆浓缩室。
本发明旨在将电催化氧化和电渗析技术有机组合成一体，形成一体化单元，而该系统中电极的选择、电渗析膜堆的阳离子交换膜、阴离子交换膜类型的选择、膜堆之间隔板、电极板和膜堆之间的极框等参数，本领域技术人员均可以根据实际需求进行选择和调整。
优选地，所述电催化电极在原位产生强氧化性物质。
在本发明的一种实施方式中，所述电催化电极为钛基金属氧化物电极。
在本发明的一种实施方式中，电催化电极为电催化钛基钌铱电极板或钛基亚氧化钛电极板。
优选地，所述阳离子交换膜和阴离子交换膜均为异相膜、均相膜或半均相膜中的任意一种。优选抗污染型均相膜。
本发明进一步提出了上述电催化氧化-电渗析耦合处理系统在同步去除废水中的高浓无机盐和难降解有机物上的应用。
具体地，将待处理废水原水同时进入电极区和膜堆淡化室，电催化氧化和电渗析迁移同步协同作用，形成淡水排出，含盐清水则进入膜堆浓缩室，电极区和膜堆淡化室内的无机盐离子在电渗析作用下进入到膜堆浓缩室形成浓水，膜堆浓缩室的浓水产生盐分累积循环后，浓水去蒸发脱盐处理，蒸发冷凝水用于补充到含盐清水中。含盐清水可以采用蒸发脱盐冷凝后的水和添加盐来配制。
含盐清水的初始盐浓度为0.8～8g/L，配制盐成分为硫酸钠、氯化钠、氯化镁或亚硫酸钠中的任意一种。
对于处理过程中，电流密度、电压、循环电解的时间、废水原水的流速、含盐清水的流速等条件可以由本领域技术人员根据实际情况进行选择和调整。
有益效果：本发明构建了电催化氧化-电渗析耦合一体化技术体系，形成一体化单元装置，无需在电极区加入酸、碱、硫酸钠、双氧水或离子交换剂等化学药剂；并将电催化氧化和电渗析技术优势互补，通过电渗析调控高浓度盐分和难降解有机物复合污染条件下的电催化氧化降解有机物，缓解高盐分污染物阻塞电极表面活性点，强化电催化氧化降解有机物效率，同时通过电催化氧化提高电渗析性能，强化脱盐效率，形成显著的耦合协同效应，有利于高效同步去除工业废水中的高浓无机盐和难降解有机物，增强电极和离子交换膜的抗污染能力；并且，本系统产生的浓水，其有机物浓度明显低于工业废水原水，无机盐浓度则高于废水原水，有利于高盐浓水后续的蒸发脱盐处理。
附图说明
图1为电催化氧化-电渗析耦合处理系统一体化单元示意图；
图2为实施例中电催化氧化-电渗析耦合处理系统对工业废水的化学需氧量(COD)浓度随电解反应时间降解图；
图3为实施例中电催化氧化-电渗析耦合处理系统对工业废水的总盐分(TotalSalt)浓度随电解反应时间降解图。
图4为电渗析处理系统单元示意图；
具体实施方式
本发明提出一种电催化氧化-电渗析耦合处理系统，通过将电催化氧化和电渗析技术有机组合成一体，形成电催化氧化和电渗析相互协同作用，并同步去除高浓无机盐和难降解有机物。
具体地，电催化氧化-电渗析耦合处理系统包括至少三个电催化电极和至少两个电渗析膜堆，每个电渗析膜堆由若干对阳离子交换膜和阴离子交换膜相间排列构成，三个电催化电极中至少包括一个电催化阳极和一个电催化阴极，其中，电催化电极按照极性相间排列，电渗析膜堆设置于两个电催化电极之间，且电渗析膜堆的阴离子交换膜的一侧与电催化阴极相邻，阳离子交换膜的一侧与电催化阳极相邻，从而在电催化电极与电渗析膜堆之间形成电极区，在电渗析膜堆内部形成膜堆淡化室和膜堆浓缩室。
在处理时，将待处理废水原水同时进入电极区和膜堆淡化室，电催化氧化和电渗析迁移同步协同作用，形成淡水排出，含盐清水则进入膜堆浓缩室，电极区和膜堆淡化室内的无机盐离子在电渗析作用下进入到膜堆浓缩室形成浓水，膜堆浓缩室的浓水产生盐分累积循环后，浓水去蒸发脱盐处理，冷凝水用于补充到含盐清水中。
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细说明。给出了详细的实施方式和具体的操作过程，实施例将有助于理解本发明，但是本发明的保护范围不限于下述的实施例。下述实施例中，电流密度、电压、循环电解的时间、废水原水的流速、含盐清水的流速等条件仅为一种实施方式，各项参数可以由本领域技术人员根据实际情况进行选择和调整。
实施例1
工业废水原水取自江苏某农药高浓度生产废水，含盐量约5.0％(总盐51.5g/L，COD 20100mg/L)，构建多组电催化电极和电渗析膜堆交替组合的复合电化学耦合技术体系，将电催化氧化和电渗析技术有机组合成一体，电催化钛基钌铱电极板数量为1块阳极和2块阴极，电渗析膜堆数量为2个，每个膜堆为20片抗污染型均相阳离子交换膜和20片抗污染型均相阴离子交换膜相间排列，见图1所示(其中电渗析膜堆为简化为由两片阳离子交换膜和阴离子交换膜构成)。废水原水(4L)以120L/h的循环流速同时进入电极区和电渗析膜堆的淡化室的一端，产生电催化氧化和电渗析迁移同步协同作用，形成的淡水自另一端排出，含盐清水(2L，初始的盐浓度为氯化钠4g/L)则以120L/h的循环流速进入膜堆浓缩室，电极区和膜堆淡化室内的无机盐离子在电渗析作用下进入到膜堆浓缩室形成浓水，膜堆浓缩室的浓水产生盐分累积循环后，浓水去蒸发脱盐处理，蒸发冷凝水用于补充到含盐清水中。13V条件下循环电解反应2小时后，电催化氧化-电渗析耦合处理系统对工业废水有机物COD的去除量为3750mg/L，见图2所示，其去除量高于下述对比例1电催化氧化(去除量702mg/L)和对比例2电渗析(去除量为1550mg/L)之和，同时，电催化氧化-电渗析耦合处理系统对工业废水的总盐分(Total Salt)去除率为90.3％，见图3所示，其去除率高于对比例1电催化氧化(去除率为3.3％)和对比例2电渗析(去除率为72.5％)之和，实现了显著的电催化氧化和电渗析耦合协同效应，高效同步去除工业废水中的高浓无机盐和难降解有机物。并且，反应2小时后产生的浓水COD仅为3970mg/L，盐分达到83.2g/L，有机物COD浓度明显低于工业废水原水，盐分浓度大大高于原水，有利于高盐浓水后续的蒸发脱盐处理。采用本电复合电化学耦合技术反复处理此废水十次(每次电解2小时)后，淡水对工业废水有机物COD的去除量和总盐分的去除率分别为3520mg/L和88.5％，相比对比例1和对比例2，其处理能力下降得很少，再次证明了电催化氧化和电渗析耦合体系，对电极的损伤和对膜的损伤都很低，增强了电极和离子交换膜的抗污染能力。
实施例2
工业废水原水取自江苏某农药高浓度生产废水，含盐量约5.0％(Total Salt51.5g/L，COD 20100mg/L)，构建多组电催化电极和电渗析膜堆交替组合的复合电化学耦合技术体系，将电催化氧化和电渗析技术有机组合成一体，电催化钛基钌铱电极板数量为2块阳极和2块阴极，电渗析膜堆数量为3个，每个膜堆为15片抗污染型均相阳离子交换膜和15片抗污染型均相阴离子交换膜相间排列。废水原水(5L)以150L/h的循环流速进入电极区和膜堆淡化室产生电催化氧化和电渗析迁移同步协同作用，形成淡水排出，含盐清水(2.5L，初始的盐浓度为氯化钠4g/L)则以150L/h的循环流速进入膜堆浓缩室，电极区和膜堆淡化室内的无机盐离子在电渗析作用下进入到浓缩室形成浓水，膜堆浓缩室的浓水产生盐分累积循环后，浓水去蒸发脱盐处理，蒸发冷凝水用于补充到含盐清水中。13V条件下循环电解反应2小时后，电催化氧化-电渗析耦合处理系统淡水对工业废水有机物COD的去除量为4630mg/L，同时，电催化氧化-电渗析耦合处理系统淡水对工业废水的总盐分(Total Salt)去除率为92.8％，实现了显著的电催化氧化和电渗析耦合协同效应，高效同步去除工业废水中的高浓无机盐和难降解有机物。并且，反应2小时后产生的浓水COD仅为4820mg/L，盐分达到85.2g/L，有机物COD浓度明显低于工业废水原水，盐分浓度大大高于原水，有利于高盐浓水后续的蒸发脱盐处理。
实施例3
工业废水原水取自江苏某农药高浓度生产废水，含盐量约5.0％(总盐51.5g/L，COD 20100mg/L)，构建多组电催化电极和电渗析膜堆交替组合的复合电化学耦合技术体系，将电催化氧化和电渗析技术有机组合成一体，电催化钛基亚氧化钛电极板数量为2块阳极和3块阴极，电渗析膜堆数量为4个，每个膜堆为10片抗污染型均相阳离子交换膜和10片抗污染型均相阴离子交换膜相间排列。废水原水(6L)以135L/h的循环流速进入电极区和膜堆淡化室产生电催化氧化和电渗析迁移同步协同作用，形成淡水排出，含盐清水(3L，配制的初始盐浓度为氯化钠4g/L)则以135L/h的循环流速进入膜堆浓缩室，电极区和膜堆淡化室内的无机盐离子在电渗析作用下进入到浓缩室形成浓水，膜堆浓缩室的浓水产生盐分累积循环。13V条件下循环电解反应2小时后，电催化氧化-电渗析耦合处理系统淡水对工业废水有机物COD的去除量为5280mg/L，同时，电催化氧化-电渗析耦合处理系统淡水对工业废水的总盐分(Total Salt)去除率为91.2％，实现了显著的电催化氧化和电渗析耦合协同效应，高效同步去除工业废水中的高浓无机盐和难降解有机物。并且，反应2小时后产生的浓水COD仅为5390mg/L，盐分达到84.8g/L，有机物COD浓度明显低于工业废水原水，盐分浓度大大高于原水，有利于高盐浓水后续的蒸发脱盐处理。
对比例1
工业废水原水取自江苏某农药高浓度生产废水，含盐量约5.0％(Total Salt51.5g/L，COD 20100mg/L)，构建电催化氧化技术体系，电催化钛基钌铱电极板数量为1块阳极和2块阴极，废水原水(4L)以120L/h的循环流速进入电极区处理。13V条件下循环电解反应2小时后，电催化氧化系统对工业废水有机物COD的去除量为702mg/L，对工业废水的总盐分(Total Salt)去除率仅为3.3％。采用本电催化氧化体系反复处理此废水十次(每次电解2小时)后，对工业废水有机物COD的去除量仅为320mg/L，对工业废水的总盐分(TotalSalt)去除率仅为1.7％，电极性能大大降低。
对比例2
工业废水原水取自江苏某农药高浓度生产废水，含盐量约5.0％(Total Salt51.5g/L，COD 20100mg/L)，构建电渗析技术体系，钛基钌铱电极板数量为1块阳极和1块阴极，电渗析膜堆数量为1个，为40片抗污染型均相阳离子交换膜和40片抗污染型均相阴离子交换膜相间排列。废水原水(4L)以120L/h的循环流速进入膜堆淡化室产生电渗析迁移作用，形成淡水排出，一部废水原水(2L)则以120L/的循环流速进入膜堆浓缩室，极水(含硫酸钠8g/L)则进入电极区单独闭路循环，膜堆浓缩室的浓水产生盐分累积循环。13V条件下循环电解反应2小时后，电渗析系统淡水对工业废水有机物COD的去除量为1550mg/L，对工业废水的总盐分(Total Salt)去除率仅为72.5％。反应2小时后产生的浓水COD为22800mg/L，盐分为115.6g/L。采用本电渗析技术体系反复处理此废水十次(每次电解2小时)后，淡水对工业废水有机物COD的去除量仅为620mg/L，对工业废水的总盐分(Total Salt)去除率仅为39.6％，膜性能大大降低。
本发明提供了一种电催化氧化-电渗析耦合处理系统的思路及方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (8)

1.一种电催化氧化-电渗析耦合处理系统，其特征在于，所述电催化氧化-电渗析耦合处理系统包括至少三个电催化电极和至少两个电渗析膜堆，每个电渗析膜堆由若干对阳离子交换膜和阴离子交换膜相间排列构成，三个电催化电极中至少包括一个电催化阳极和一个电催化阴极，其中，电催化电极按照极性相间排列，每个电渗析膜堆设置于两个电催化电极之间，且电渗析膜堆的阴离子交换膜的一侧与电催化阴极相邻，阳离子交换膜的一侧与电催化阳极相邻，在电催化电极与电渗析膜堆之间构成电极区，在电渗析膜堆内部自靠近电催化电极侧依次构成相间的膜堆浓缩室和膜堆淡化室。
2.根据权利要求1所述的电催化氧化-电渗析耦合处理系统，其特征在于，所述电催化电极在原位产生强氧化性物质。
3.根据权利要求2所述的电催化氧化-电渗析耦合处理系统，其特征在于，所述电催化电极为钛基金属氧化物电极。
4.根据权利要求3所述的电催化氧化-电渗析耦合处理系统，其特征在于，所述电催化电极为电催化钛基钌铱电极板或钛基亚氧化钛电极板。
5.根据权利要求1所述的电催化氧化-电渗析耦合处理系统，其特征在于，所述阳离子交换膜和阴离子交换膜均为异相膜、均相膜或半均相膜中的任意一种。
6.权利要求1所述的电催化氧化-电渗析耦合处理系统在同步去除废水中的高浓无机盐和难降解有机物上的应用。
7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，将待处理废水原水同时通入电极区和膜堆淡化室的一端，经电催化氧化和电渗析迁移同步协同作用，形成的淡水自电极区和膜堆淡化室的另一端排出，另外将含盐清水通入膜堆浓缩室，电极区和膜堆淡化室内的无机盐离子在电渗析作用下进入到膜堆浓缩室形成浓水，浓水产生盐分累积循环后，浓水去蒸发脱盐处理，蒸发冷凝水用于补充到含盐清水中。
8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，含盐清水的初始盐浓度为0.8~8 g/L，配制盐成分为硫酸钠、氯化钠、氯化镁或亚硫酸钠中的任意一种。
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