CN113562816A - 三维电极反应装置和脱除废水中cod的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及废水处理技术领域，具体而言，涉及三维电极反应装置和脱除废水中COD的方法。三维电极反应装置包括槽体、多个粒子电极和多个光催化填料；每个所述粒子电极和每个所述光催化填料均设置于所述槽体内，且每个所述粒子电极和每个所述光催化填料间隔设置，使得多个所述粒子电极之间未接触。采用光催化填料替代粒子电极之间的绝缘粒子，不仅仅可以改善绝缘粒子导致的电化学反应器的利用率低的问题，同时，光催化填料还可以进行光催化反应，继而使得光催化技术和电化学技术进行耦合，利用光电协同效应，使工业废水中的污染物在反应器中发生氧化还原反应而被降解，达到“1+1>2”的目标，实现高效脱除工业废水中COD。

Description

三维电极反应装置和脱除废水中COD的方法

技术领域

本发明涉及废水处理技术领域，具体而言，涉及三维电极反应装置和脱除废水中COD的方法。

背景技术

随着工业的不断发展，工业生产所带来的各类资源与环境问题也日益严峻，而工业废水处理已成为当前水污染控制的重点与难点。水质监测分析中，化学需氧量(COD)是评价水体污染程度的一个重要指标，它反映的是水中受还原性物质污染的程度。COD含量越高，表明水体中还原性物质(如有机物)含量越高，而水体中含有的还原性物质一方面可以降低水体中溶解氧的含量，导致水生生物由于缺氧而死亡，从而使得水质腐败变臭。另一方面，苯和苯酚等有机物还具有较强的毒性，会对水生生物和人体造成直接伤害。因此，我国将COD作为评价水体污染程度的一项重要指标。

在全球水资源匮乏的情况下，废水处理成了亟待攻克的重要难题，开发废水处理技术迫在眉睫。电化学废水处理是近年发展起来的废水处理工艺，电化学方法处理废水一般无需添加药剂，具有设备简单、占地面积小、污泥量少、后处理简单等优点。电化学法降解COD分为直接氧化和间接氧化。直接氧化是污染物在电极上直接发生电化学反应，间接氧化是电极表面产生的强氧化性活性物质(如·OH)使污染物发生氧化还原反应。但是，电化学法因为存在着能耗大、电流效率低、成本高的缺陷，所以一直没有得到很好的发展。

三维电极法针对传统电化学法的缺点进行了改进，与传统二维电极相比，三维电极反应速率更快，处理效果更好，具有更高的单位时空处理率和电流效率。因为粒子电极的加入，增加了反应的面体比，减小了污染物的传质距离，极大地提升了反应速率。然而，粒子电极之间的相互接触容易形成短路电流，使电流效率减小。通常，会在三维电极反应器中加入绝缘粒子，如聚四氟乙烯颗粒、玻璃珠等，以减小反应器中的短路电流。但是，绝缘粒子表面不发生电化学反应，降低了电化学反应器的利用率。

鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的在于提供三维电极反应装置和脱除废水中COD的方法。该脱除废水中COD的方法改善了传统COD的脱除效率低的问题，该装置提升了反应器的利用效率，有效脱除废水中的COD。

本发明是这样实现的：

第一方面，本发明提供一种三维电极反应装置，所述三维电极反应装置用于脱除废水中COD，所述三维电极反应装置包括槽体、多个粒子电极和多个光催化填料；每个所述粒子电极和每个所述光催化填料均设置于所述槽体内，且每个所述粒子电极和每个所述光催化填料间隔设置，使得多个所述粒子电极之间未接触。

在可选的实施方式中，所述三维电极反应装置还包括阴极板和阳极板，所述阴极板和所述阳极板分别设置于所述槽体内，并位于所述槽体相对的两侧。

在可选的实施方式中，所述三维电极反应装置还包括电源，所述电源设置于所述槽体外，所述阴极板和所述阳极板分别于所述电源连接。

在可选的实施方式中，所述三维电极反应装置还包括光源，所述光源设置于所述槽体的顶端。

在可选的实施方式中，所述三维电极反应装置还包括气体分布板，所述气体分布板设置于所述槽体内部的底部，并与所述槽体连接。

在可选的实施方式中，所述槽体上设置曝气口，所述曝气口位于所述槽体的底部与所述气体分布板之间；

所述槽体上还设置出液口，所述出液口位于所述槽体的底部与所述气体分布板之间，并与所述曝气口相对设置；

所述槽体上还设置有进液口，所述进液口位于所述槽体相对靠近顶端的侧壁上，并与所述出液口相对设置。

第二方面，本发明提供一种脱除废水中COD的方法，包括利用上述三维电极反应装置处理废水。

在可选的实施方式中，所述粒子电极为柱状活性炭，所述光催化填料包括载体和负载于所述载体的光催化剂；

优选地，所述光催化剂选用二氧化钛，所述载体为分子筛；

更优选地，所述光催化剂选用锐钛矿晶型的纳米二氧化钛，所述载体选用5A分子筛；

优选地，所述光催化填料选用纳米二氧化钛负载的5A分子筛；

优选地，所述柱状活性炭与所述纳米二氧化钛负载的5A分子筛按照质量比1-2：1的比例混合。

本发明具有以下有益效果：本发明实施例采用光催化填料替代粒子电极之间的绝缘粒子，不仅仅可以改善绝缘粒子导致的电化学反应器的利用率低的问题，同时，光催化填料还可以进行光催化反应，继而使得光催化技术和电化学技术进行耦合，利用光电协同效应，使工业废水中的污染物在反应器中发生氧化还原反应而被降解，达到“1+1>2”的目标，实现高效脱除工业废水中COD。且该反应器利用率高、处理时间短、净化效果显著。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例提供的三维电极反应装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的光催化填料的结构示意图。

图示：1-阴极板；2-进液口；3-粒子电极；4-光催化填料；5-出液口；6-光源；7-阳极板；8-槽体；9-气体分布板；10-曝气口；11-电源；12-光催化剂；13-载体。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

本发明实施例提供一种脱除废水中COD的方法，包括：在利用粒子电极处理废水时，以光催化填料替代粒子电极之间的绝缘粒子，而后处理废水。具体地，将多个粒子电极和多个光催化填料混合均匀，且每个所述粒子电极每个所述光催化填料间隔设置，使得多个所述粒子电极之间未接触，不仅仅能够改善粒子电极之间设置绝缘粒子导致的电化学反应器利用效率低，还将电化学和光催化结合，使得废水能够同时发生直接氧化和间接氧化反应，从而使水中的COD含量降低。

粒子电极为具有导电性的粒子，例如，可以为活性炭材料，例如为柱状活性炭。该光催化填料包括绝缘性良好的载体和具有光催化作用的半导体光催化剂。具体地，光催化剂选用二氧化钛，具体为锐钛矿晶型的纳米二氧化钛，载体为分子筛，具体为5A分子筛。具体地，光催化填料选用纳米二氧化钛负载的5A分子筛。

进一步地，柱状活性炭与所述纳米二氧化钛负载的5A分子筛按照质量比1-2：1的比例混合。采用上述配比能够有效使得粒子电极和光催化填料混合均匀，使得粒子电极能够有效隔离，又能保证电化学效率。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

实施例1

参见图1，本实施例提供一种三维电极反应装置，其包括槽体8，槽体8用于放置各种进行电化学反应和光催化反应的部件，并为电化学反应和光催化反应提供反应场所。本发明实施例中槽体8为长方体结构，当然可以理解的是，也可以采用现有技术中的其他几何结构。

槽体8放置于地面或者平台上，以槽体8接触地面或者靠近地面的一侧为底部，与底部相对的则为顶部，顶部可以为封闭结构，也可以为开口结构。

槽体8上设置进液口2和出液口5，进液口2和出液口5均位于槽体8的侧壁上，且二者相对，进液口2相对靠近槽体8的顶端，出液口5相对靠近槽体8的底部。出液口5处安装有过滤网，过滤网的孔径小于粒子电极3与光催化填料4的尺寸，达到防止粒子电极3与光催化填料4流出的目的。

槽体8上还设置有曝气口10，曝气口10位于槽体8的侧壁上，曝气口10相对靠近槽体8的底部，并与出液口5相对。

三维电极反应装置还包括气体分布板9，所述气体分布板9设置于所述槽体8内部的底部，并与所述槽体8连接，气体分布板9设置于曝气口10上方，且气体分布板9上设置有多个通孔，继而气体从曝气口10进入槽体8，气体分布板9使气体被均匀地分散在槽体8中，以增加废水中溶解氧含量、强化传质过程，从而提升COD的脱除效率。

参见图2，三维电极反应装置还包括多个粒子电极3和多个光催化填料4；每个所述粒子电极3和每个所述光催化填料4均设置于所述槽体8内，且每个所述粒子电极3和每个所述光催化填料4间隔设置，使得多个所述粒子电极3之间未接触。添加光催化填料4不仅可以减小反应器中的短路电流，使电化学处理效率提升，而且在光能与电场的共同作用下，光催化填料4中的光催化剂12也可以有效地降解废水中有机物。具体地，废水从所述三维电极反应装置的进液口2流入槽体8中，槽体8内同时进行电化学反应与光催化反应，废水中的有机物在槽体8内发生直接氧化和间接氧化反应，从而使水中的COD含量降低，处理后的废水从出液口5流出。

其中，粒子电极3选用直径为5mm、长度为10mm的柱状活性炭。光催化填料4选用纳米二氧化钛负载的分子筛。光催化剂12选用30nm的锐钛矿晶型的纳米二氧化钛。载体13选用直径为3mm的条形5A分子筛。柱状活性炭与纳米二氧化钛负载的分子筛按质量比2:1均匀混合。柱状活性炭与纳米二氧化钛负载的分子筛在槽体8中的填充体积为槽体8的体积的50％。

三维电极反应装置还包括阴极板1和阳极板7，所述阴极板1和所述阳极板7分别设置于所述槽体8内，并位于所述槽体8相对的两侧。具体地，阴极板1为不锈钢板，阳极板7为石墨板。

三维电极反应装置还包括电源11，所述电源11设置于所述槽体8外，所述阴极板和所述阳极板7分别于所述电源11连接。三维电极反应装置还包括光源6，所述光源6设置于所述槽体8的顶端。电源11和光源6分别提供电能和光能，继而使得三维电极反应装置同时进行电化学反应与光催化反应。

本实施例提供的三维电极反应装置脱除工业废水中COD的过程为：

废水由进液口2进入槽体8，接通直流电源11，调节电压。在阴极板与阳极板7之间的电场作用下，被光催化填料4互相隔开的粒子电极3感应带电而使粒子电极3两侧分别呈正、负两极，使每个粒子电极3成为独立的电极，形成微小的电解槽，有机物可在粒子电极3表面发生直接氧化和间接氧化反应而被降解，废水中的COD含量降低。同时，一部分有机物在光催化剂12的作用下参与光催化反应被降解。光催化剂12吸收光源6所提供的光能产生光生电子-空穴对，在阴极板与阳极板7之间的电场作用下，光生电子-空穴对被有效分离，光催化降解有机污染物的效率得到提升。通过曝气口10，利用气体分布板9，向电槽体8中均匀曝气，以增加废水中溶解氧含量、强化传质过程，从而提升COD的脱除效率。经过处理后的废水从出液口5流出。

实施例2

本发明实施例提供一种脱除废水中COD的方法，利用实施例1的三维电极反应装置。

具体地，废水取自某炼厂产生的工业废水，其主要特性为：COD含量为3402mg/L。

将废水从进液口注入槽体，在槽体的两侧分别放置和直流电源的正极与负极相连接的阳极板与阴极板。

阳极板选用石墨板，阴极板选用不锈钢板，阳极板与阴极板的间距为8cm，直流电源的电压为20V。开启光源，光源选用高压汞灯。

粒子电极3选用直径为5mm、长度为10mm的柱状活性炭。光催化填料选用纳米二氧化钛负载的分子筛，光催化剂选用30nm的锐钛矿晶型的纳米二氧化钛，载体选用直径为3mm的条形5A分子筛。

将柱状活性炭与纳米二氧化钛负载的分子筛按质量比1:1均匀混合后，填充于电解槽内，填充体积为电解槽体积的50％。

打开曝气口通入空气，空气从曝气口进入，经过气体分布板，空气被均匀分散在槽体中。

控制废水处理时间为20min。

废水经处理后从出液口排出，对处理后的废水进行COD分析，废水的COD脱除率为92.7％。

对比例1

本发明对比例提供一种脱除废水中COD的方法，与实施例2中的步骤相同，不同之处仅在于：粒子电极3填充量不变，但不使用光催化填料4。并且，在处理前，向废水中加入粉末状的30nm的锐钛矿晶型的纳米二氧化钛，用量为粒子电极柱状活性炭质量的1％。

废水经处理后从出液口排出，对处理后的废水进行COD分析，废水的COD脱除率为80.6％。

对比例2

本发明对比例提供一种脱除废水中COD的方法，与实施例2中的步骤相同，不同之处仅在于：光催化填料仅由载体组成，不负载光催化剂，即光催化填料为直径为3mm的条形5A分子筛，相当于传统的绝缘粒子。

废水经处理后从出液口排出，对处理后的废水进行COD分析，废水的COD脱除率为84.1％。

对比例3

本发明对比例提供一种脱除废水中COD的方法，与实施例2中的步骤相同，不同之处仅在于：既不填充粒子电极，也不填充光催化填料。

废水经处理后从出液口排出，对处理后的废水进行COD分析，废水的COD脱除率为6.83％。

对比例4

本发明对比例提供一种脱除废水中COD的方法，与实施例2中的步骤相同，不同之处仅在于：控制废水处理时间为60min。

废水经处理后从出液口5排出，对处理后的废水进行COD分析，废水的COD脱除率为97.6％。

从上对比例和实施例可知，本发明采用三维电极反应装置处理含COD的工业废水，利用三维电极反应器面体比大、传质效果好等特点，实现了废水中COD的高效脱除。通过负载型光催化填料代替传统的绝缘粒子，在减小短路电流、提升电流效率的同时，又通过光催化反应加速有机污染物的降解，提升了废水中COD的脱除效率。本发明将光催化技术与电化学技术进行耦合，利用光电协同效应，实现高效脱除工业废水中COD。

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 (10)

1.一种三维电极反应装置，其特征在于，所述三维电极反应装置用于脱除废水中COD，所述三维电极反应装置包括槽体、多个粒子电极和多个光催化填料；每个所述粒子电极和每个所述光催化填料均设置于所述槽体内，且每个所述粒子电极和每个所述光催化填料间隔设置，使得多个所述粒子电极之间未接触。

2.根据权利要求1所述的三维电极反应装置，其特征在于，所述三维电极反应装置还包括阴极板和阳极板，所述阴极板和所述阳极板分别设置于所述槽体内，并位于所述槽体相对的两侧。

3.根据权利要求2所述的三维电极反应装置，其特征在于，所述三维电极反应装置还包括电源，所述电源设置于所述槽体外，所述阴极板和所述阳极板分别于所述电源连接。

4.根据权利要求1所述的三维电极反应装置，其特征在于，所述三维电极反应装置还包括光源，所述光源设置于所述槽体的顶端。

5.根据权利要求1所述的三维电极反应装置，其特征在于，所述三维电极反应装置还包括气体分布板，所述气体分布板设置于所述槽体内部的底部，并与所述槽体连接。

6.根据权利要求5所述的三维电极反应装置，其特征在于，所述槽体上设置曝气口，所述曝气口位于所述槽体的底部与所述气体分布板之间，

所述槽体上还设置出液口，所述出液口位于所述槽体的底部与所述气体分布板之间，并与所述曝气口相对设置；

所述槽体上还设置有进液口，所述进液口位于所述槽体相对靠近顶端的侧壁上，并与所述出液口相对设置。

7.一种脱除废水中COD的方法，其特征在于，包括：利用权利要求1所述的三维电极反应装置处理废水。

8.根据权利要求7所述的脱除废水中COD的方法，其特征在于，粒子电极为柱状活性炭，光催化填料包括载体和负载于所述载体的光催化剂；

优选地，所述光催化剂选用二氧化钛，所述载体为分子筛；

更优选地，所述光催化剂选用锐钛矿晶型的纳米二氧化钛，所述载体选用5A分子筛。

9.根据权利要求8所述的脱除废水中COD的方法，其特征在于，所述光催化填料选用纳米二氧化钛负载的5A分子筛。

10.根据权利要求9所述的脱除废水中COD的方法，其特征在于，所述柱状活性炭与所述纳米二氧化钛负载的5A分子筛按照质量比1-2：1的比例混合。

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