CN113044916A - 一种蜂窝式共阴极光电耦合水处理反应器及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种蜂窝式共阴极光电耦合水处理反应器及方法，配水区B设置有进水口，原水从进水口进入配水区，通过设置在配水区B顶部、反应区C底部的多孔配水板进入反应区C的三维电化学反应区Ⅰ；水流自下而上上升到三维电化学反应区Ⅰ顶部后，通过设置在环形阳极上的过水孔，进入到圆筒型TiO2/Ti阳极的内腔，即光催化反应区Ⅱ；水流从上向下流过光催化反应区Ⅱ，通过底部的配水/集水分隔板进入到集水区，然后由出水口流出反应器。光催化反应区和三维电化学反应区巧妙耦合，结构紧凑，实现电化学氧化、光催化氧化的多重氧化作用的叠加，从而对水中难处理的有机物高效去除。
Description
技术领域
本发明涉及水处理技术领域，尤其涉及的是一种蜂窝式共阴极光电耦合水处理反应器及方法。
背景技术
电化学技术从上世纪40年代开始就已应用到了水处理之中，并且从2000年以后，电化学技术在水和废水处理中的应用研究呈现了快速发展的趋势，电化学方法能有效去除水中有机污染物及重金属离子等。
电化学反应器通常包括阳极和阴极，处理效果与电极材料、电流大小以及反应器结构具有显著关系，传统的二维电化学反应器一般反应面积有限、电流利用率较低，因此处理能力不高。
光催化反应器过去几十年中在水处理中的应用也得到了快速发展，尤其是以TiO2为催化材料的光催化氧化反应技术，逐渐成为一种极具代表性的新型水处理技术。光催化反应的基本原理是应用光能激发半导体后经连锁反应产生具有强氧化能力的羟基自由基(·OH)来有效降解水中的有机污染物，目前光催化氧化技术具有安全性好、绿色环保，且可以将大多数难降解有机物完全矿化为CO2、H2O的优点。
发明内容
本发明针对针对现有技术的不足提供一种蜂窝式共阴极光电耦合水处理反应器及方法。
本发明的技术方案如下：
一种蜂窝式共阴极光电耦合水处理反应器，包括一个圆柱形外壳体、位于圆柱形外壳体内部最下部的集水区A、集水区A上部的配水区B、配水区B上部的反应区C；配水区B设置有进水口1，原水从进水口1进入配水区，通过设置在配水区B顶部、反应区C底部的多孔配水板2进入反应区C的三维电化学反应区Ⅰ；水流自下而上上升到三维电化学反应区Ⅰ顶部后，通过设置在环形阳极上的过水孔6，进入到圆筒型TiO2/Ti阳极3的内腔，即光催化反应区Ⅱ；水流从上向下流过光催化反应区Ⅱ，通过底部的配水/集水分隔板10进入到集水区，然后由出水口11流出反应器。
所述的蜂窝式共阴极光电耦合水处理反应器，反应区C包括三维电化学反应区Ⅰ和光催化反应区Ⅱ；三维电化学反应区Ⅰ为光电耦合反应区，包括圆筒型Ti/TiO2阳极3、蜂窝型不锈钢网阴极4和活性炭填料5，在圆筒型Ti阳极管的内壁负载一层纳米TiO2形成圆筒型Ti/TiO2阳极3，蜂窝型不锈钢网阴极4为阵列排列的正六边不锈钢网桶，形成类似蜂窝的、彼此相互连接构成所有阳极的共用阴极，多个圆筒型Ti/TiO2阳极3套在蜂窝型不锈钢网阴极4的蜂窝内部，且两者同心，圆筒型Ti/TiO2阳极3和蜂窝型不锈钢网阴极4之间的空间填充活性炭填料5；多个圆筒型Ti/TiO2阳极3分别通过导线与电源正极相连；共享的蜂窝型不锈钢网阴极4与电源负极相连接。
所述的蜂窝式共阴极光电耦合水处理反应器，光催化反应区Ⅱ位于圆筒型Ti/TiO2阳极3的内部空间，在圆筒型Ti阳极管的内壁负载一层纳米TiO2形成圆筒型Ti/TiO2阳极3，在圆筒型Ti/TiO2阳极3的内部中心处安装紫外灯7。
所述的蜂窝式共阴极光电耦合水处理反应器，多孔配水板2设置在配水区B的顶部，多孔配水板2上设置有与圆筒型Ti/TiO2阳极3形状大小相适应的多个管式阳极安装孔I，用于将圆筒型Ti/TiO2阳极3插入并实现固定和密封作用，与管式阳极安装孔I同心设置有多个呈蜂窝状排列的正六边形的蜂窝阴极定位槽22，管式阳极安装孔I和蜂窝阴极定位槽22之间的部分开设有三维电化学反应区Ⅰ配水孔23，水流可以通过该孔进入三维电化学反应区Ⅰ。
所述的蜂窝式共阴极光电耦合水处理反应器，在靠近反应器的圆柱形外壳体内壁的蜂窝型不锈钢网阴极4内部，不设置圆筒型Ti/TiO2阳极3，只填充性炭填料5，在多孔配水板2的相应位置只开设三维电化学反应区Ⅰ配水孔23，水流可以通过该孔进入三维电化学反应区Ⅰ。
所述的蜂窝式共阴极光电耦合水处理反应器，配水集水分隔板10设置在配水区B的底部，配水集水分隔板上开设有与管式阳极安装孔I形状结构相同的管式阳极安装孔II，圆筒型Ti/TiO2阳极3的下端插入并固定密封在管式阳极安装孔II中，经过光催化反应区Ⅱ处理后的水流通过圆筒型Ti/TiO2阳极3的底端进入到集水区，然后由出水口11流出反应器。
根据任一所述的水处理反应器的水处理方法，包括以下步骤：原水从进水口1进入配水区，通过设置在配水区B顶部、反应区C底部的多孔配水板2进入反应区C的三维电化学反应区Ⅰ；水流自下而上上升到三维电化学反应区Ⅰ顶部后，通过设置在环形阳极上的过水孔6，进入到圆筒型TiO2/Ti阳极3的内腔，即光催化反应区Ⅱ；水流从上向下流过光催化反应区Ⅱ，通过底部的配水/集水分隔板10进入到集水区，然后由出水口11流出反应器。
所述的水处理方法，在三维电化学反应区Ⅰ内，利用阳极和阴极反应以及活性炭的吸附作用，对水中的有机物和氨氮进行氧化分解，使水质得到净化。
所述的水处理方法，水流上升到三维电化学反应区Ⅰ顶部后，通过环形阳极的过水孔6，进入到圆筒型TiO2/Ti阳极3的内腔，即光催化反应区Ⅱ，在此区通过发射紫外光照射到圆筒型TiO2/Ti阳极3内壁的TiO2表面，产生光催化氧化反应，对电化学氧化后水中残留的有机物进行深度氧化去除，同时达到杀菌消毒的作用。
本发明将光催化反应和三维电化学反应巧妙的进行耦合，利用蜂窝形状进行结构布置，使阳极和阴极以及光催化反应区合理布局，在一个整体反应区内，实现了两个功能区的分配，同时蜂窝型的共享阴极设计不仅结构强度高，易于成型，并且与反应器的内壁组合无死区，与多阳极的间距分布均衡，使电化学反应区效率提高。
本发明反应区总的结构特点总结如下：
(1)光催化反应区和三维电化学反应区巧妙耦合，结构紧凑，实现电化学氧化、光催化氧化的多重氧化作用的叠加，从而对水中难处理的有机物高效去除。
(2)阴极采用不锈钢网组成的蜂窝型一体结构，强度高，空间分布均匀性好，并且阴极/阳极面积比更为合理，一体化共享阴极结构便于加工和安装。
(3)反应器可以根据不同水质，调节或更换紫外灯的功率和强度，也可以调节外加电压强度，从而改变光催化反应或电化学氧化效果，达到操作灵活以及节能的目的。
(4)由于紫外灯管具有一定寿命，因此将反应器顶部设置成维护区，可以方便进行紫外灯管更换，提高了反应器的操作性能。
(5)本发明将电化学反应区置于光催化反应区的前面，利用光催化反应的高效、清洁、反应完全的特点，可以提高难降解有机物的氧化效率，同时后置的光催化反应还可以实现杀菌消毒的效果。
附图说明
图1为反应器的主要组成部分；
图2为反应器结构结构示意图；
图3为图2的A-A视图；
图4为多孔配水板结构示意图；
图5为集水配水分隔板结构示意图；
A集水区，B配水区，C反应区，D电控维护区，E电控箱，1进水口，2多孔配水板，3圆筒型Ti/TiO2阳极，4蜂窝型不锈钢网阴极，5活性炭填料，6过水孔，7紫外灯，8紫外灯供电线，9电极供电线，10配水集水分隔板，11出水口，12电源分配板；
21管式阳极安装孔I，22蜂窝阴极定位槽，23三维电化学反应区Ⅰ配水孔，101管式阳极安装孔II，
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。
本发明蜂窝式共阴极光电耦合水处理反应器，如图1所示，包括一个圆柱形外壳体、位于圆柱形外壳体内部最下部的集水区A、集水区A上部的配水区B、配水区B上部的反应区C、反应区C上部的电控维护区D；还包括一个位于圆柱形外壳体外部的电控箱E。
配水区B设置有进水口1，原水从进水口1进入配水区，通过设置在配水区B顶部、反应区C底部的多孔配水板2进入反应区C的三维电化学反应区Ⅰ；水流自下而上上升到三维电化学反应区Ⅰ顶部后，通过设置在环形阳极上的过水孔6，进入到圆筒型TiO2/Ti阳极3的内腔，即光催化反应区Ⅱ。水流从上向下流过光催化反应区Ⅱ，通过底部的配水/集水分隔板10进入到集水区，然后由出水口11流出反应器。
如图4所示，反应区C包括三维电化学反应区Ⅰ和光催化反应区Ⅱ；三维电化学反应区Ⅰ为光电耦合反应区，包括圆筒型Ti/TiO2阳极3、蜂窝型不锈钢网阴极4和活性炭填料5(三维电极)，在圆筒型Ti阳极管的内壁负载一层纳米TiO2形成圆筒型Ti/TiO2阳极3，蜂窝型不锈钢网阴极4为阵列排列的正六边不锈钢网桶，形成类似蜂窝的结构，多个圆筒型Ti/TiO2阳极3套在蜂窝型不锈钢网阴极4的蜂窝内部，且两者同心，圆筒型Ti/TiO2阳极3和蜂窝型不锈钢网阴极4之间的空间填充活性炭填料5。多个圆筒型Ti/TiO2阳极3分别通过导线与电源正极相连；共享的蜂窝型不锈钢网阴极4与电源负极相连接；蜂窝型不锈钢网阴极4与电源之间设置有电压调节器，用于调节功能区电压。
光催化反应区Ⅱ位于圆筒型Ti/TiO2阳极3的内部空间，在圆筒型Ti阳极管的内壁负载一层纳米TiO2形成圆筒型Ti/TiO2阳极3，在圆筒型Ti/TiO2阳极3的内部中心处安装紫外灯7，由于在圆筒型Ti阳极管的内壁负载一层纳米TiO2形成圆筒型Ti/TiO2阳极3，为圆桶结构，内部为封闭空间，因此紫外灯的光能被纳米TiO2全部吸收，利用率达到100％。
参考图4，为多孔配水板2的结构示意图，多孔配水板2设置在配水区B的顶部，配水集水分隔板10设置在配水区B的底部，多孔配水板2上设置有与圆筒型Ti/TiO2阳极3形状大小相适应的多个管式阳极安装孔I，用于将圆筒型Ti/TiO2阳极3插入并实现固定和密封作用，与管式阳极安装孔I同心设置有多个呈蜂窝状排列的正六边形的蜂窝阴极定位槽22，管式阳极安装孔I和蜂窝阴极定位槽22之间的部分开设有三维电化学反应区Ⅰ配水孔23，水流可以通过该孔进入三维电化学反应区Ⅰ；图3-4中可以看出，在靠近反应器的圆柱形外壳体内壁的蜂窝型不锈钢网阴极4内部，不设置圆筒型Ti/TiO2阳极3，只填充性炭填料5，在多孔配水板2的相应位置只开设三维电化学反应区Ⅰ配水孔23，水流可以通过该孔进入三维电化学反应区Ⅰ。
参考图5，为配水集水分隔板10的结构示意图，配水集水分隔板采用PVC材质制作，其上开设有与管式阳极安装孔I形状结构相同的管式阳极安装孔II，圆筒型Ti/TiO2阳极3的下端插入并固定密封在管式阳极安装孔II中，经过光催化反应区Ⅱ处理后的水流通过圆筒型Ti/TiO2阳极3的底端进入到集水区，然后由出水口11流出反应器。
本发明在传统的中心式三维电极反应器基础上，将圆筒型Ti/TiO2阳极3设计为环形结构，并且在环形阳极内壁负载纳米TiO2，形成半导体光催化阳极，同时将紫外灯置于环形阳极内部中心，这样紫外光可以100％照射到半导体表面，形成光催化反应功能区Ⅱ。同时环形阳极的外壁为金属钛板，使光催化产生的光生电子通过以钛板为阳极的外电路输送至不锈钢网阴极，形成光电耦合反应功能区。由于TiO2无毒、廉价、化学稳定性高、氧化能力强，因此本发明反应区不仅可以用于污水有机物的氧化，还可以用于给水处理的有机微污染净化。
光催化阳极反应：阳极内壁为TiO2，在一定波长的紫外光源照射下，半导体的价带电子会吸收能量而激发到导带，从而产生光生电子-空穴对。如下式：
TiO2——e-+h+
产生的空穴分布在阳极内壁，具有很强的氧化性，能将水中的有机污染物进行氧化，同时对水中的微生物进行杀灭，氧化反应如下：
h++R——CO2+H2O
h++H2O——·OH
·OH+R——CO2+H2O
本发明的阴极采用不锈钢网，反应器内不锈钢网阴极不仅仅与某单一的圆环形阳极组成光电反应单元，而是彼此相互连通形成一个整体的网状结构，构成所有阳极的共用阴极(简称共阴极)。这种共阴极结构具有电化学性能稳定，无死角，而且也使反应器整体的阳极/阴极面积比更为合理。同时蜂窝式轴流的布水形式也使这种反应器共用阴极的利用率达到最大。
阴极反应：光生电子在电场作用下，迁移到阴极，与阴极存在的O2反应产生双氧水，H2O2具有很强的氧化性能，不仅本身能对水中的有机物进行氧化反应，在颗粒电极活性炭的催化下还能产生·OH，提高反应器的氧化效果。电化学反应如下：
e-+O2+H+——H2O2
H2O2+R——CO2+H2O
活性炭颗粒电极作用：本发明所述活性炭填料为粒径2-4mm活性炭，一方面通过吸附过滤作用去除水中的杂质，另一方面通过电场的极化作用形成颗粒电极，并在颗粒电极表面通过催化作用使水中H2O2转化为·OH，提高氧化效果，同时辅助电化学去除氨氮及有机物。
电源：本发明的电源由设置在反应器外的电控箱E提供，电控箱进线为220V交流电压，出口分为两部分，一是供给紫外灯管的用电，电压为220V交流电压；二是将交流电转化成直流电源后，与反应器内的多组阳极和共享阴极相连接，形成光电耦合反应器。
本发明反应器可以去除污水中难降解有机物及氨氮以及给水处理中的微量有机污染物和氨氮，反应器的具体操作过程如下：
(1)反应器启动：将反应功能区Ⅰ和Ⅱ注满清水，接通电控箱⑤的电源，调整电化学反应区的直流电压，打开紫外灯的电源。
(2)反应器运行：原水从反应器底部进水口1进入配水区B，然后由下向上经过多孔配水板2(活性炭支撑板)，进入三维电化学反应功能区Ⅰ，反应区由多组圆筒型TiO2/Ti阳极3和共用的蜂窝型不锈钢网阴极4组成，阳极和阴极之间填充活性炭填料5，形成三维电极。在三维电化学反应区Ⅰ内，利用阳极和阴极反应以及活性炭的吸附作用，对水中的有机物和氨氮进行氧化分解，使水质得到净化。水流上升到三维电化学反应区Ⅰ顶部后，通过环形阳极的过水孔6，进入到圆筒型TiO2/Ti阳极3的内腔，即光催化反应区Ⅱ，在此区的中心设置紫外灯管7，通过发射紫外光照射到圆筒型TiO2/Ti阳极3内壁的TiO2表面，产生光催化氧化反应，对电化学氧化后水中残留的有机物进行深度氧化去除，同时达到杀菌消毒的作用。水流从上向下流过光催化反应区Ⅱ，通过底部的配水/集水分隔板10进入到集水区，然后由出水口11流出反应器。
反应器运行过程中的电源由配电箱E供给，配电箱的出线分为紫外灯供电线8，用于给紫外灯提供220V电源，另外一路为电极供电线9，用于电化学反应的直流电压。反应器顶部为配电维护区D，内设电源分配板12，用于分别给每个紫外灯进行供电，同时在此区域对紫外灯进行维修和更换。
(3)反应器维护：反应器运行一年后，需要定期更换活性炭填料5和紫外灯管7，同时对不锈钢网阴极4和Ti/TiO2阳极3进行维护清洗。
下面针对工业有机废水和给水微污染净化两种应用，对本发明加以说明：
案例一：含酚工业废水的处理
采用本发明对模拟的含酚工业废水进行处理，水中主要污染物质为苯酚，氨氮和COD，原水水质如下表所示。
表1原水水质
反应器控制参数为：反应器的水力停留时间为12h，电流强度为40mA，紫外波长254nm。
处理效果为：出水苯酚浓度低于2.0mg/L，去除率大于99％。COD去除率大于95％。氨氮为去除率为88.6％。
案例二：给水微污染净化
以某微污染地下水为目标，源水主要污染物为CODMn，UV254，细菌总数和色度。主要水质指标如表所示：
表2微污染原水水质
控制参数：
水力停留时间4h，电流强度30mA，进水pH为7.2-7.6，紫外波长254nm。
处理效果：反应器出水中CODMn的浓度低于0.5mg/L，氨氮浓度小于0.5mg/L，细菌总数为0CFU/mL。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (9)
1.一种蜂窝式共阴极光电耦合水处理反应器，其特征在于，包括一个圆柱形外壳体、位于圆柱形外壳体内部最下部的集水区A、集水区A上部的配水区B、配水区B上部的反应区C；配水区B设置有进水口(1)，原水从进水口(1)进入配水区，通过设置在配水区B顶部、反应区C底部的多孔配水板(2)进入反应区C的三维电化学反应区Ⅰ；水流自下而上上升到三维电化学反应区Ⅰ顶部后，通过设置在环形阳极上的过水孔(6)，进入到圆筒型TiO2/Ti阳极(3)的内腔，即光催化反应区Ⅱ；水流从上向下流过光催化反应区Ⅱ，通过底部的配水/集水分隔板(10)进入到集水区，然后由出水口(11)流出反应器。
2.根据权利要求1所述的蜂窝式共阴极光电耦合水处理反应器，其特征在于，反应区C包括三维电化学反应区Ⅰ和光催化反应区Ⅱ；三维电化学反应区Ⅰ为光电耦合反应区，包括圆筒型Ti/TiO2阳极(3)、蜂窝型不锈钢网阴极(4)和活性炭填料(5)，在圆筒型Ti阳极管的内壁负载一层纳米TiO2形成圆筒型Ti/TiO2阳极(3)，蜂窝型不锈钢网阴极(4)为阵列排列的正六边不锈钢网桶，形成类似蜂窝的、彼此相互连接构成所有阳极的共用阴极，多个圆筒型Ti/TiO2阳极(3)套在蜂窝型不锈钢网阴极(4)的蜂窝内部，且两者同心，圆筒型Ti/TiO2阳极(3)和蜂窝型不锈钢网阴极(4)之间的空间填充活性炭填料(5)；多个圆筒型Ti/TiO2阳极(3)分别通过导线与电源正极相连；共享的蜂窝型不锈钢网阴极(4)与电源负极相连接。
3.根据权利要求2所述的蜂窝式共阴极光电耦合水处理反应器，其特征在于，光催化反应区Ⅱ位于圆筒型Ti/TiO2阳极(3)的内部空间，在圆筒型Ti阳极管的内壁负载一层纳米TiO2形成圆筒型Ti/TiO2阳极(3)，在圆筒型Ti/TiO2阳极(3)的内部中心处安装紫外灯(7)。
4.根据权利要求1所述的蜂窝式共阴极光电耦合水处理反应器，其特征在于，多孔配水板(2)设置在配水区B的顶部，多孔配水板(2)上设置有与圆筒型Ti/TiO2阳极(3)形状大小相适应的多个管式阳极安装孔I，用于将圆筒型Ti/TiO2阳极(3)插入并实现固定和密封作用，与管式阳极安装孔I同心设置有多个呈蜂窝状排列的正六边形的蜂窝阴极定位槽(22)，管式阳极安装孔I和蜂窝阴极定位槽(22)之间的部分开设有三维电化学反应区Ⅰ配水孔(23)，水流可以通过该孔进入三维电化学反应区Ⅰ。
5.根据权利要求1所述的蜂窝式共阴极光电耦合水处理反应器，其特征在于，在靠近反应器的圆柱形外壳体内壁的蜂窝型不锈钢网阴极(4)内部，不设置圆筒型Ti/TiO2阳极(3)，只填充性炭填料(5)，在多孔配水板(2)的相应位置只开设三维电化学反应区Ⅰ配水孔(23)，水流可以通过该孔进入三维电化学反应区Ⅰ。
6.根据权利要求1所述的蜂窝式共阴极光电耦合水处理反应器，其特征在于，配水集水分隔板(10)设置在配水区B的底部，配水集水分隔板上开设有与管式阳极安装孔I形状结构相同的管式阳极安装孔II，圆筒型Ti/TiO2阳极(3)的下端插入并固定密封在管式阳极安装孔II中，经过光催化反应区Ⅱ处理后的水流通过圆筒型Ti/TiO2阳极(3)的底端进入到集水区，然后由出水口(11)流出反应器。
7.根据权利要求1-5任一所述的水处理反应器的水处理方法，其特征在于，包括以下步骤：原水从进水口(1)进入配水区，通过设置在配水区B顶部、反应区C底部的多孔配水板(2)进入反应区C的三维电化学反应区Ⅰ；水流自下而上上升到三维电化学反应区Ⅰ顶部后，通过设置在环形阳极上的过水孔(6)，进入到圆筒型TiO2/Ti阳极(3)的内腔，即光催化反应区Ⅱ；水流从上向下流过光催化反应区Ⅱ，通过底部的配水/集水分隔板(10)进入到集水区，然后由出水口(11)流出反应器。
8.根据权利要求6所述的水处理方法，其特征在于，在三维电化学反应区Ⅰ内，利用阳极和阴极反应以及活性炭的吸附作用，对水中的有机物和氨氮进行氧化分解，使水质得到净化。
9.根据权利要求7所述的水处理方法，其特征在于，水流上升到三维电化学反应区Ⅰ顶部后，通过环形阳极的过水孔(6)，进入到圆筒型TiO2/Ti阳极(3)的内腔，即光催化反应区Ⅱ，在此区通过发射紫外光照射到圆筒型TiO2/Ti阳极(3)内壁的TiO2表面，产生光催化氧化反应，对电化学氧化后水中残留的有机物进行深度氧化去除，同时达到杀菌消毒的作用。
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| CN102424452A (zh) * | 2011-08-22 | 2012-04-25 | 上海电力学院 | 一种三相三维电极光电催化反应器及其应用 |
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| CN108557959A (zh) * | 2018-01-19 | 2018-09-21 | 杭州肯沙德投资咨询有限公司 | 一种三维电极电化学反应器 |
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