CN113772789A - 一种有机废水电化学处理及其二氧化碳还原的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种有机废水电化学处理及其二氧化碳还原的方法及装置，属于废水处理技术领域。其处理过程为：高浓度有机废水在电化学反应器的阳极室内发生电氧化反应，废水中的有机污染物被阳极氧化为二氧化碳；阳极室产生的二氧化碳进入阴极室，被阴极还原为具有高附加值的产物。本发明通过耦联阳极电氧化和阴极电还原反应，在高浓度有机废水处理的同时，减少了二氧化碳的排放，并获得了具有高附加值的产品，实现了废水的处理及资源化。

Description

一种有机废水电化学处理及其二氧化碳还原的方法及装置
技术领域
本发明属于废水处理技术领域，具体涉及一种有机废水电化学处理及其二氧化碳还原的方法及装置。
背景技术
随着工业的不断发展，各类工业活动产生的废水种类越来越多，高浓度有机废水就是一种典型的难降解废水。该类废水由于有机物浓度高、可生化性差，已成为水污染控制领域的一大难题。目前，常用的高浓度有机废水处理方法有焚烧、吸附、芬顿、光催化等。然而，无论采用哪种处理方法，在处理过程中，势必会产生大量二氧化碳，二氧化碳的排放则会加剧温室效应。因此，高浓度有机废水处理过程中，面临着有机物难降解和二氧化碳减排两大难题。
电化学法是一种通过电极表面电子迁移和活性物质的催化反应，可同时实现阳极氧化和阴极还原反应。通常，电化学法在处理高浓度有机废水时，只利用了阳极的氧化作用，即将有机污染物氧化为二氧化碳，从而实现废水的处理，而阴极作为对电极，只起导电回路作用，其还原作用并未被有效利用，故也导致了电化学体系的电流效率偏低。因此，在处理高浓度有机废水过程中，可利用阳极的氧化作用将有机物氧化为二氧化碳，利用阴极的还原作用将产生的二氧化碳还原为具有高附加值的产物，既能实现有机污染物的高效去除，又能减少二氧化碳的排放，这是一条生态环境可持续发展的新途径。然而，由于高浓度有机废水的难降解性，往往需要输入较高的电流密度才能有效降解污染物。此时，较高的电流密度易使阳极发生析氧副反应而产生氧气，氧气伴随着二氧化碳传递至阴极可发生氧还原反应，该反应不仅会与二氧化碳还原反应产生竞争，还会生成双氧水，双氧水具有强氧化性，会将阴极还原产生的具有高附加值的产物再次氧化去除。这一过程，既没有利用好氧气，又减少了高附加值产物的产生与积累，降低了资源化的程度和电化学体系的电流效率。因此，加快阳极氧化污染物，同时保证氧气的收集与阴极高附加值还原产物的稳定生成，实现高度资源化，提高电流效率，这对废水电化学处理的推广具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是针对高浓度有机废水处理过程中的不足，提出一种高浓度有机废水电化学处理及其二氧化碳还原的方法及装置。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：一种有机废水电化学处理及其二氧化碳还原的装置，包括隔膜反应器、直流电源控制器、气体分离系统和布气系统；所述隔膜反应器由阳极室、阴极室和离子交换膜组成；所述阳极室和阴极室通过离子交换膜相连；所述阳极室包括阳极室壳体、第一密封盖、阳极和搅拌器，所述阳极室壳体和第一密封盖密闭连接，所述阳极和搅拌器置于阳极室内；所述第一密封盖上固定有泄压阀；所述阴极室包括阴极室壳体、阴极和第二密封盖，所述阴极室壳体和第二密封盖密闭连接，所述阴极置于阴极室内；所述第二密封盖上开有排气口；所述气体分离系统包括二氧化碳吸附室、氧气储存室、二氧化碳解析室和二氧化碳储存室；所述二氧化碳吸附室通过止逆阀与氧气储存室连接；所述二氧化碳吸附室与二氧化碳解析室和二氧化碳储存室依次连接；所述布气系统包括导管、质量流量计和曝气头；所述导管的一端放置于阳极室，所述导管的另一端连接曝气头并放置于阴极室底部；所述阳极与直流电源控制器的正极连接；所述阴极与直流电源控制器的阴极连接。
进一步地，所述阳极室内以高浓度有机废水作为电解液；所述高浓度有机废水的水质为：COD为1000mg/L～50000mg/L，pH为6～9；所述阴极室内以饱和CO2的0.1mol/L KHCO3溶液为电解液。
进一步地，所述搅拌器优选聚丙烯或环氧树脂等绝缘材料。
进一步地，所述阳极优选金属氧化物电极，所述阳极优选二氧化铅、二氧化钌、二氧化锡或二氧化铱电极。
进一步地，所述阴极优选二氧化碳还原催化剂涂层电极，所述阴极(5)优选铜基、金基或银基电极。
进一步地，所述阳极与阴极的间距为2～6cm。
进一步地，所述二氧化碳吸附室内放置氢氧化钠或氢氧化钙等碱性溶液或固体作为二氧化碳吸附剂。
进一步地，所述二氧化碳解析室内放置盐酸或硫酸等酸性溶液作为二氧化碳解析剂。
本发明公开了一种有机废水电化学处理及其二氧化碳还原的方法，具体为：高浓度有机废水在电化学处理反应装置的阳极室内发生电氧化反应，废水中的有机污染物被阳极氧化为二氧化碳，同时发生析氧反应产生氧气；阳极室产生的二氧化碳和氧气经气体分离系统分别进行分离与收集，收集得到的氧气进入氧气储存室，收集得到的二氧化碳经布气系统进入阴极室，被阴极电还原为有机物；所述的电氧化和电还原反应的电流密度为2.5～50mA/cm2。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：首先，本发明通过阳极氧化反应，有效处理了高浓度有机废水，降低了废水中的有机物浓度；同时利用阴极还原反应，将氧化有机物产生的二氧化碳进行还原，减少了二氧化碳的排放，并产生了具有高附加值的产物，实现了资源化。进一步地，将阳极室产生的氧气和二氧化碳进行分离与收集，实现了氧气资源化。进一步地，避免了氧气随二氧化碳一起进入阴极室，在阴极发生还原反应，与二氧化碳还原产生竞争并产生双氧水，降低高附加值产物的产生量，从而提高了资源化的程度和电化学体系的电流效率。
附图说明
图1为本发明实施例1的结构示意图；
图中：1-阳极室壳体；2-阴极室壳体；3-离子交换膜；4-阳极；5-阴极；6-导管；7-质量流量计；8-曝气头；9-搅拌器；10-泄压阀；11-排气口；12-第一密封盖；13-第二密封盖；14-气体分离系统；15-二氧化碳吸附室；16-氧气储存室；17-二氧化碳解析室；18-二氧化碳储存室。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
如图1所示，本发明公开了一种有机废水电化学处理及其二氧化碳还原的装置，其特征在于，包括隔膜反应器、直流电源控制器、气体分离系统和布气系统；所述隔膜反应器由阳极室、阴极室和离子交换膜2组成；所述阳极室和阴极室通过离子交换膜3相连；所述阳极室包括阳极室壳体1、阳极4、第一密封盖12和搅拌器9，所述阳极室壳体1和第一密封盖12密闭连接，所述阳极4和搅拌器9置于阳极室内；所述第一密封盖12上固定有泄压阀10；所述阴极室包括阴极室壳体2、阴极5和第二密封盖13；所述第二密封盖13上开有排气口11；所述气体分离系统14包括二氧化碳吸附室15、氧气储存室16、二氧化碳解析室17和二氧化碳储存室18；所述二氧化碳吸附室15通过止逆阀与氧气储存室16连接；所述二氧化碳吸附室15与二氧化碳解析室17和二氧化碳储存室18依次连接；所述布气系统包括导管6、质量流量计7和曝气头8；所述导管6的一端放置于阳极室1，所述导管6的另一端连接曝气头8并放置于阴极室2底部；所述质量流量计7放置于二氧化碳储存室18出口处，用于监测与调控二氧化碳的流量；所述阳极4与直流电源控制器的正极连接；所述阴极5与直流电源控制器的阴极连接。
所述搅拌器9优选聚丙烯或环氧树脂等绝缘材料。所述阳极4优选金属氧化物电极，所述阳极4优选二氧化铅、二氧化钌、二氧化锡或二氧化铱电极。所述阴极5优选二氧化碳还原催化剂涂层电极，所述阴极5优选铜基、金基或银基电极。所述阳极4与阴极5的间距为2～6cm。
所述二氧化碳吸附室15内放置氢氧化钠或氢氧化钙等碱性溶液或固体作为二氧化碳吸附剂。所述二氧化碳解析室17内放置盐酸或硫酸等酸性溶液作为二氧化碳解析剂。
本发明的一种高浓度有机废水电化学处理及其二氧化碳还原的方法，高浓度有机废水在电化学反应装置的阳极室1内发生电氧化反应，废水中的有机污染物被阳极4氧化为二氧化碳，同时发生析氧反应产生氧气；对阳极室产生的氧气和二氧化碳进入气体分离系统14分别进行分离与收集，二氧化碳被吸附在二氧化碳吸附室15内，分离得到氧气通过止逆阀进入氧气储存室16，在二氧化碳吸附室15收集得到二氧化碳，将二氧化碳吸附室15内完成吸附的吸附剂取出加入到二氧化碳解析室17中，在二氧化碳解析室17中解析吸附的二氧化碳，将解析输出的二氧化碳通过二氧化碳解析室17的气孔通道输入到二氧化碳储存室18中，收集得到的二氧化碳经曝气头8进入阴极室2，被阴极5还原为具有高附加值的产物。
利用该方法处理模拟制药废水，废水COD浓度为1000mg/L，pH为6，设置电流密度为2.5mA/cm2，电解处理5小时后，阳极室内废水COD下降至150mg/L左右，阴极室内检测出CO、甲醇、甲醛和甲酸等高附加值产物。
实施例2
采用该方法处理某工业园区实际废水，高浓度有机废水在电化学反应装置的阳极室内发生电氧化反应，废水中的有机污染物被阳极4氧化为二氧化碳；废水COD浓度约为50000mg/L，pH约为8.9，设置电流密度为50mA/cm2，电解处理12小时后，阳极室内废水COD下降至17500mg/L左右，阳极室产生的二氧化碳经布气系统进入阴极室，被阴极5还原为具有高附加值的产物，阴极室内检测出CO、甲烷、甲醇、甲醛、甲酸、乙醇和乙酸等高附加值产物。

Claims (9)

1.一种有机废水电化学处理及其二氧化碳还原的装置，其特征在于，包括隔膜反应器、直流电源控制器、气体分离系统和布气系统；所述隔膜反应器由阳极室、阴极室和离子交换膜(3)组成；所述阳极室和阴极室通过离子交换膜(3)相连；所述阳极室包括阳极室壳体(1)、第一密封盖(12)、阳极(4)和搅拌器(9)，所述阳极室壳体(1)和第一密封盖(12)密闭连接，所述阳极(4)和搅拌器(9)置于阳极室内；所述第一密封盖(12)上固定有泄压阀(10)；所述阴极室包括阴极室壳体(2)、阴极(5)和第二密封盖(13)，所述阴极室壳体(2)和第二密封盖(13)密闭连接，所述阴极(5)置于阴极室内；所述第二密封盖(13)上开有排气口(11)；所述气体分离系统(14)包括二氧化碳吸附室(15)、氧气储存室(16)、二氧化碳解析室(17)和二氧化碳储存室(18)；所述二氧化碳吸附室(15)通过止逆阀与氧气储存室(16)连接；所述二氧化碳吸附室(15)与二氧化碳解析室(17)和二氧化碳储存室(18)依次连接；所述布气系统包括导管(6)、质量流量计(7)和曝气头(8)；所述导管(6)的一端放置于阳极室(1)，所述导管(6)的另一端连接曝气头(8)并放置于阴极室(2)底部；所述阳极(4)与直流电源控制器的正极连接；所述阴极(5)与直流电源控制器的阴极连接。
2.根据权利要求1所述的有机废水电化学处理及其二氧化碳还原的装置，其特征在于，所述阳极室内以高浓度有机废水作为电解液；所述高浓度有机废水的水质为：COD为1000mg/L～50000mg/L，pH为6～9；所述阴极室内以饱和CO2的0.1mol/L KHCO3溶液为电解液。
3.根据权利要求1所述的有机废水电化学处理及其二氧化碳还原的装置，其特征在于，所述搅拌器(9)优选聚丙烯或环氧树脂等绝缘材料。
4.根据权利要求1所述的有机废水电化学处理及其二氧化碳还原的装置，其特征在于，所述阳极(4)优选金属氧化物电极，所述阳极(4)优选二氧化铅、二氧化钌、二氧化锡或二氧化铱电极。
5.根据权利要求1所述的有机废水电化学处理及其二氧化碳还原的装置，其特征在于，所述阴极(5)优选二氧化碳还原催化剂涂层电极，所述阴极(5)优选铜基、金基或银基电极。
6.根据权利要求1所述的有机废水电化学处理及其二氧化碳还原的装置，其特征在于，所述阳极(4)与阴极(5)的间距为2～6cm。
7.根据权利要求1所述的有机废水电化学处理及其二氧化碳还原的装置，其特征在于，所述二氧化碳吸附室(15)内放置氢氧化钠或氢氧化钙等碱性溶液或固体作为二氧化碳吸附剂。
8.根据权利要求1所述的有机废水电化学处理及其二氧化碳还原的装置，其特征在于，所述二氧化碳解析室(17)内放置盐酸或硫酸等酸性溶液作为二氧化碳解析剂。
9.一种有机废水电化学处理及其二氧化碳还原的方法，其特征在于，所述有机废水电化学处理及其二氧化碳还原的方法应用如权利要求1～8任一项所述的有机废水电化学处理及其二氧化碳还原的装置，所述有机废水电化学处理及其二氧化碳还原的方法具体为：高浓度有机废水在电化学处理反应装置的阳极室内发生电氧化反应，废水中的有机污染物被阳极(4)氧化为二氧化碳，同时发生析氧反应产生氧气；阳极室产生的二氧化碳和氧气经气体分离系统分别进行分离与收集，收集得到的氧气进入氧气储存室(16)，收集得到的二氧化碳经布气系统进入阴极室，被阴极(5)电还原为有机物；所述的电氧化和电还原反应的电流密度为2.5～50mA/cm2。
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