CN114074971B - 一种用于高含氯污水中有机污染物降解的电芬顿复合氧化装置与方法 - Google Patents

一种用于高含氯污水中有机污染物降解的电芬顿复合氧化装置与方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于高含氯污水中有机污染物降解的电芬顿复合氧化装置与方法。该装置为无隔膜板框式电解槽，所述无隔膜板框式电解槽包括壳体、阳极、阴极、进水口、出水口和曝气管，所述阳极为高析氯活性电极，所述阴极为气体扩散电极。该方法包括如下步骤：将所述高含氯污水通入所述无隔膜板框式电解槽中，启动恒流稳压电源，利用所述曝气管向所述装置通入氧气和/或空气，对所述高含氯污水进行降解处理。本发明无需外加铁盐催化剂、不产生含铁污泥，且无需将污水调至酸性。在相同的处理水质、运行条件下，能节省加药量70‑100％，减少剩余污泥量50％以上。

Description

一种用于高含氯污水中有机污染物降解的电芬顿复合氧化装 置与方法
技术领域
本发明属于污水处理领域领域，更具体地，涉及一种用于高含氯污水中有机污染物降解的电芬顿复合氧化装置与方法。
背景技术
电芬顿技术，由于利用氧气在阴极的原位还原生成H2O2(式-1)，因此能够避免H2O2长途运输及储存难题。此外原位生成的H2O2在投加铁盐的作用下发生芬顿反应，产生高活性氧自由基，具有强氧化性。电芬顿的电流具备可控性，能解决常规芬顿反应面临的H2O2投加过量且反应过程难控制的缺点。因此，电芬顿技术作为新兴的电化学技术，受到研究者的广泛关注，常被用于有机污染物的降解。然而值得注意的是，电芬顿反应物(H2O2、Fe2+)在酸性环境(pH＝2-4)中才能充分发挥作用，需要先加入酸将废水的pH值降低，处理完成后，再加入碱将废水的pH调至中性后排放。这种方法处理废水不仅需要消耗大量的酸、碱，而且在pH回调过程中Fe2+沉淀下来，产生大量的含铁污泥。
O2+2e–+2H+→H2O2，E0’＝0.283V，pH＝7 式-1
目前，针对电芬顿反应产生大量的含铁污泥的问题，有方法提出利用两级隔膜电解槽加芬顿反应槽、混凝沉淀槽、铁泥溶解槽的串联，实现铁泥的再溶解-电化学还原再生。该方法过程复杂难以控制，且需要采用昂贵的离子膜分隔阴阳室，阴极析出的氢气也存在安全隐患。
还有方法提出将铁负载在活性炭纤维电极表面，实现铁元素的还原再生。该方法面临着铁盐易流失、电极可循环性差且制备复杂的问题。
综上，为了对工业废水进行低成本、工艺简单且高效的处理，有必要对传统的电芬顿技术进行改进。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的缺点，提供一种用于高含氯污水中有机污染物降解的电芬顿复合氧化装置与方法。本发明无需铁盐投加、无需改性电极，且能实现拓宽电芬顿pH范围。
为了实现上述目的，本发明的一方面提供了一种用于高含氯污水中有机污染物降解的电芬顿复合氧化的装置，该装置为无隔膜板框式电解槽，所述无隔膜板框式电解槽包括壳体、阳极、阴极、进水口、出水口和曝气管，所述阳极为高析氯活性电极，所述阴极为气体扩散电极。
本发明的另一方面提供了一种用于高含氯污水中有机污染物降解的电芬顿复合氧化的方法，该方法利用所述的用于高含氯污水中有机污染物降解的电芬顿复合氧化的装置，包括如下步骤：将所述高含氯污水通入所述无隔膜板框式电解槽中，启动恒流稳压电源，利用所述曝气管向所述装置通入氧气和/或空气，对所述高含氯污水进行降解处理。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)本发明无需外加铁盐催化剂、不产生含铁污泥，且无需将污水调至酸性。在相同的处理水质、运行条件下，能节省加药量70-100％，减少剩余污泥量50％以上。
(2)本发明降低了所述高含氯污水中的COD，增加可生化性。
本发明的其它特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
通过结合附图对本发明示例性实施方式进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。
图1示出了本发明的一种用于高含氯污水中有机污染物降解的电芬顿复合氧化的方法的原理图。
图2示出了本发明的一种用于高含氯污水中有机污染物降解的电芬顿复合氧化的装置的示意图。
其中，1-阴极；2-阳极；3-进水口；4-出水口；5-壳体；6-曝气管。
具体实施方式
下面将更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然以下描述了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
本发明的一方面提供了一种用于高含氯污水中有机污染物降解的电芬顿复合氧化的装置，该装置为无隔膜板框式电解槽，所述无隔膜板框式电解槽包括壳体、阳极、阴极、进水口、出水口和曝气管，所述阳极为高析氯活性电极，所述阴极为气体扩散电极。
根据本发明，优选地，所述阳极和所述阴极均为多个，并且交替设置于无隔膜板框式电解槽内。
作为优选方案，所述阳极和所述阴极可以均为一个或多个；当所述阳极与所述阴极均为多个时，所述阳极与所述阴极交替设置于无隔膜板框式电解槽内。
根据本发明，优选地，所述曝气管设置于所述无隔膜板框式电解槽内的底部；所述进水口设置于所述壳体下部，所述出水口设置于所述壳体上部。
根据本发明，优选地，所述高析氯活性电极为钌铱钛电极或钌铱锡钛电极。
根据本发明，优选地，所述气体扩散电极包括：催化层、集流体及扩散层；所述催化层所用材料选自石墨、炭黑和碳纳米管中的至少一种；所述集流体为不锈钢网和/或钛网；所述扩散层所用材料为聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯和聚二甲基硅氧烷中的至少一种。
根据本发明，优选地，所述扩散层还可以掺杂有石墨、炭黑和碳纳米管中的至少一种。
本发明中，所述催化层所用材料为易发生二电子还原反应生成H2O2的碳材料。
本发明的另一方面提供了一种用于高含氯污水中有机污染物降解的电芬顿复合氧化的方法，该方法利用所述的用于高含氯污水中有机污染物降解的电芬顿复合氧化的装置，包括如下步骤：将所述高含氯污水通入所述无隔膜板框式电解槽中，启动恒流稳压电源，利用所述曝气管向所述装置通入氧气和/或空气，对所述高含氯污水进行降解处理。
根据本发明，优选地，在进行所述降解处理时，所述降解处理的电流密度为5-40mA/cm2，所述无隔膜板框式电解槽内的所述高含氯污水的流量为5-15L/h，所述曝气管向所述无隔膜板框式电解槽通入氧气和/或空气的气体量与所述无隔膜板框式电解槽内的高含氯污水的水量的气水比为1:5-1:20。
根据本发明，优选地，所述降解处理的反应条件为近中性条件或碱性条件，优选pH为6-11。
根据本发明，优选地，所述高含氯废水中的氯离子浓度>5g/L。
本发明中，Cl-在阳极表面被氧化生成Cl2(式-2)，Cl2与水反应生成ClO-(式-3)。空气在大气压的作用下透过气体扩散层，在催化层表面发生氧气还原反应，生成H2O2进入水相中(式-4)。在pH为近中性(pH为6-8)或碱性条件下(pH为9-11)，水相中HClO与H2O2反应能产生强氧化性物质-单线态氧自由基1O2(式-5)，单线态氧是一种强氧化剂，标准还原电位E0＝1.52V，能起到降解有机污染物的作用。
2Cl-－2e-→Cl2 式-2
Cl2+H2O→ClO-+H++Cl- 式-3
O2+2H++2e-→H2O2 式-4
ClO-+H2O2→1O2+H2O+Cl- 式-5
下面结合图1和图2，对本发明的一种用于高含氯污水中有机污染物降解的电芬顿复合氧化装置与方法作以详细说明。
以下各实施例所用的无隔膜板框式电解槽的体积为10L，阴阳极长度为40cm,宽度25cm,面积均为1000cm2，电极间距为4cm。
所述阳极购自蓝星(北京)化工机械有限公司。
所述气体扩散电极的制备方法为将碳材料与扩散层所用材料的混合膏体涂布在集流体上，并压制而成的，详见论文：王志韩,宋浩然,李朝林,闫林霞,李玲.PTFE/C三相电极氧阴极还原法生产过氧化氢[J].环境工程学报,2015,9(02):787-794.上述论文中的制备所述气体扩散电极的方法适用于本发明催化层、集流体、扩散层选用的所有材料。
实施例1
如图2所示，本实施例提供一种用于高含氯污水中有机污染物降解的电芬顿复合氧化装置，该装置为无隔膜板框式电解槽，所述无隔膜板框式电解槽包括壳体5、阳极2、阴极1、进水口3、出水口4和曝气管6，所述阳极2为钌铱钛电极，所述阴极1为气体扩散电极，所述气体扩散电极包括：催化层、集流体及扩散层；所述催化层所用材料为碳纳米管；所述集流体为钛网；所述扩散层所用材料为聚四氟乙烯。所述阳极2和所述阴极1均为4个，并且交替设置于无隔膜板框式电解槽内。所述曝气管6设置于所述无隔膜板框式电解槽内的底部；所述进水口3设置于所述壳体5下部，所述出水口4设置于所述壳体5上部。
实施例2
本实施例提供了一种用于高含氯污水中有机污染物降解的电芬顿复合氧化的方法，该方法采用实施例1所述的用于高含氯污水中有机污染物降解的电芬顿复合氧化的装置，本实施例中所用的高含氯污水为染料废水，本实施例包括如下步骤：
将所述染料废水通入所述无隔膜板框式电解槽中，所述染料废水的流量为10L/h，启动恒流稳压电源，设定电流密度为10mA/cm2，利用所述曝气管6向所述装置通入空气，对所述染料废水进行降解处理。所述曝气管6向所述无隔膜板框式电解槽通入空气的气体量与所述无隔膜板框式电解槽内的染料废水的水量的气水比为1:10。所述降解处理的反应条件为碱性条件，pH为9。所述染料废水中的氯离子浓度为9g/L，初始COD为200mg/L，所述降解处理完成后，出水的色度去除率为99％，COD去除率为51％。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。

Claims (3)

1.一种用于高含氯污水中有机污染物降解的电芬顿复合氧化的方法，其特征在于，所用装置为无隔膜板框式电解槽，所述无隔膜板框式电解槽包括壳体、阳极、阴极、进水口、出水口和曝气管，所述阳极为高析氯活性电极，所述高析氯活性电极为钌铱钛电极或钌铱锡钛电极；所述阴极为气体扩散电极；所述气体扩散电极包括：催化层、集流体及扩散层；所述催化层所用材料选自石墨、炭黑和碳纳米管中的至少一种；所述集流体为不锈钢网和/或钛网；所述扩散层所用材料为聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯和聚二甲基硅氧烷中的至少一种；
所述方法包括如下步骤：将所述高含氯污水通入所述无隔膜板框式电解槽中，启动恒流稳压电源，利用所述曝气管向所述装置通入氧气和/或空气，Cl-在阳极表面被氧化生成Cl2，Cl2与水反应生成ClO-，空气在大气压的作用下透过气体扩散层，在催化层表面发生氧气还原反应，生成H2O2进入水相中，水相中HClO与H2O2反应，得到单线态氧自由基，对所述高含氯污水进行降解处理；
所述降解处理的电流密度为5-40mA/cm2；
所述降解处理的反应条件为pH为9-11；
所述高含氯废水中的氯离子浓度>5g/L；
所述阳极和所述阴极均为多个，并且交替设置于无隔膜板框式电解槽内；
所述曝气管设置于所述无隔膜板框式电解槽内的底部；所述进水口设置于所述壳体下部，所述出水口设置于所述壳体上部。
2.根据权利要求1所述的用于高含氯污水中有机污染物降解的电芬顿复合氧化的方法，其中，所述扩散层还掺杂有石墨、炭黑和碳纳米管中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的用于高含氯污水中有机污染物降解的电芬顿复合氧化的方法，其中，在进行所述降解处理时，所述无隔膜板框式电解槽内的所述高含氯污水的流量为5-15L/h，所述曝气管向所述无隔膜板框式电解槽通入氧气和/或空气的气体量与所述无隔膜板框式电解槽内的高含氯污水的水量的气水比为1:5-1:20。
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