CN114162918A

CN114162918A - 一种去除全氟有机污染物的方法、电絮凝装置及应用

Info

Publication number: CN114162918A
Application number: CN202111302442.8A
Authority: CN
Inventors: 李猛; 莫测辉; 于朋飞; 严剑芳
Original assignee: Jinan University
Current assignee: Jinan University
Priority date: 2021-11-04
Filing date: 2021-11-04
Publication date: 2022-03-11

Abstract

本发明涉及一种去除全氟有机污染物的方法、电絮凝装置及应用。该去除全氟有机污染物的方法包括如下步骤：S1：向全氟有机污染物溶液中加入电解质和过硫酸盐得混合溶液作为电解液；S2：对电解液进行恒电压电絮凝处理，即可。本发明以间隔平行排列的多组电极进行恒电压电解，同时耦合使用过硫化盐作为活化介质，通过电絮凝可实现高效降解全氟有机污染物，具有絮凝体体积小、降解过程简单高效、耗能较少、降解稳定等优点。

Description

一种去除全氟有机污染物的方法、电絮凝装置及应用

技术领域

本发明属于废水处理技术领域，具体涉及一种去除全氟有机污染物的方法、电絮凝装置及应用。

背景技术

全氟有机污染物(全氟辛酸和全氟辛烷磺酸)具有高稳定性，目前被广泛应用在各样各业中，例如医疗设备、润滑油、食品包装、雨衣、消防泡沫等。但全氟有机污染物具有生物累积性、环境抗性、不同生物的潜在毒性、肝毒性和免疫毒性，对人类产生巨大的威胁，已被2009年的《斯德哥尔摩公约》列入持久性有机污染物名单并被呼吁在世界范围内限制使用。吸附、超声辐射、反渗透和光催化等是目前常用的全氟有机污染物处理技术，但这些方法具有能耗高、处理条件有限、成本高等缺陷，难以推广应用。

近年来，电凝工艺技术迅速发展，并广泛应用于含油、染料、表面活性剂等有机污染物的废水处理中。通过牺牲阳极的电化学氧化，原位形成的金属氢氧化物絮凝体可以强烈地吸附这些污染物，并将它们从受污染的水中去除。虽然电絮凝技术能够有效的将全氟有机污染从废水中去除，但电絮凝过程产生的絮凝体只能将有机污染物从水中转移，并不能有效的降解有机污染物，仍给环境带来巨大威胁。因此，研发有效稳定的降解全氟有机污染物的技术至关重要。

专利CN104261519A公开了一种去除废水中全氟有机污染物的方法，利用双氧水耦合电絮凝法实现了全氟有机物的有效降解，但其需要间隔投料双氧水，且电絮凝后还需添加明胶粉末以实现全氟污染物的彻底去除，操作繁琐。

因此，开发一种新的处理方法以实现全氟有机污染物的简单高效去除具有重要的研究意义和应用价值。

发明内容

本发明的目的在于克服现有全氟有机污染物的去除方法存在操作繁琐等缺陷或不足，提供一种去除全氟有机污染物的方法。本发明提供的去除全氟有机污染物的方法，以间隔平行设置的阳极和阴极作为电极，并配合利用特定的电解液可实现全氟有机污染物的高效降解，操作简单，具有絮凝体体积小、降解过程简单高效、耗能较少、降解稳定等优点。

本发明的另一目的在于，提供一种电絮凝装置。

本发明的另一目的在于，提供上述电絮凝装置在去除全氟有机污染物的应用。

为实现上述发明的目的，本发明采用如下技术方案：

一种去除全氟有机污染物的方法，包括如下步骤：

S1：向全氟有机污染物溶液中加入电解质和过硫酸盐得混合溶液作为电解液；所述电解液中电解质的浓度为0.07～0.1mol/L，过硫酸盐浓度为50～75mg/L；

S2：对电解液进行恒电压电絮凝处理，即可；所述恒电压电絮凝处理中选用的阳极和阴极为多组，阳极和阴极间隔平行排列，最外侧的阳极和最外侧的阴极分别与外部电源连接；中间侧的相邻的阴极和阳极按两两一组串联连接。

本发明以间隔平行排列的多组电极进行恒电压电解，通过设计阴阳极的连接关系可使电极与电解液充分接触，且每个电极板有类似的电流分布，可以促进电化学反应和加速有机物的降解；同时耦合使用过硫化盐作为活化介质，通过电絮凝可实现高效降解全氟有机污染物，具有絮凝体体积小、降解过程简单高效、耗能较少、降解稳定等优点。

优选地，所述电解液中全氟有机污染物溶液的浓度为5～10mg/L。

优选地，所述全氟有机污染物为全氟辛酸或全氟辛烷磺酸中的一种或两种。

优选地，所述电解质为氯化钠、氯化钾或硫酸钠中的一种或几种。

优选地，所述过硫酸盐为过一硫酸盐或过二硫酸盐中的一种或几种，例如过一硫酸钠、过二硫酸钠等。

优选地，所述阳极和阴极为2～5组。

优选地，所述恒电压电絮凝处理时的电流密度为55～75V。

本发明还请求提供一种电絮凝装置，包括电解槽、多组阳极和多组阴极；阳极和阴极间隔平行排列于电解槽中，，最外侧的阳极和最外侧的阴极分别与外部电源连接；中间侧的相邻的阴极和阳极按两两一组串联连接；电解液置于电解槽中，所述电解液为全氟有机污染物、氯化钠和过硫酸盐的混合溶液。

利用该装置可实现前述的恒电流电絮凝处理。

优选地，所述电解槽的顶部设于开口。

阳极、阴极的材质、间距和尺寸可根据实际需要进行选取。

优选地，所述阳极为铁板电极或铝板电极。

优选地，所述阴极为铁板电极或铝板电极。

优选地，所述相邻的阳极和阴极间的间距为1.5～2cm。在该条件下，并配合间隔设计，可进一步提升电絮凝效果。

优选地，所述阳极的尺寸为(2.0～3.0)cm×(2.0～3.0)cm。

优选地，所述阴极的尺寸为(2.0～3.0)cm×(2.0～3.0)cm。

优选地，所述电源为直流电源。

优选地，所述直流电源电压为55～75V。

优选地，所述电流密度为6～18mA/cm²。

现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明提供的去除全氟有机污染物的方法，以间隔平行设置的阳极和阴极作为电极，并配合利用特定的电解液可实现全氟有机污染物的高效降解，操作简单，具有絮凝体体积小、降解过程简单高效、耗能较少、降解稳定等优点。

附图说明

图1为实施例1提供的电絮凝装置结构示意图；

图2为实施例1～3中反应-1、反应-2、反应-3的PFOS降解曲线图；

图3为实施例1～3中反应-1、反应-2、反应-3的耗能图；

图4为实施例1～3中反应-1、反应-2、反应-3的TOC去除率图；

图5为实施例3中反应-3的循环性能图。

图6为实施例4中存在不同电解质时PFOS降解曲线图；

图7为实施例4中存在不同电解质时的耗能图；

图8为实施例4中存在不同电解质时的TOC去除率图；

图9为对比例1～2中只有一组电极、仅电解不耦合情况的PFOS降解曲线图；

图10为对比例1～2中只有一组电极、仅电解不耦合情况的耗能图；

图11为对比例1～2中只有一组电极、仅电解不耦合情况的TOC去除率图；

其中，1为电解槽，2为阳极，3为阴极，4为直流电源，5为导线。

具体实施方式

为了更具体的理解本发明的工作原理，具体目的，技术方案和优点。通过以下结合说明书附图和具体实施例，对本发明进行进一步说明。需要理解的是，以下所描述的具体方法案例仅用以解释本发明，并不用于仅仅限定于本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

需要说明的是，当原件被称为“设置于”、“设有”、“安设于”另一元件，它既可以直接在另一元件上，也可以存在居中的元件。当一个元件认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或可能同时存在居中元件。再此发明的基础上可以有更多的组合，只要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包含范围之内。

实施例1

本实施例提供一种电絮凝装置，包括顶部开口的电解槽1(电解槽大小为 200×80×80mm)、两组阳极2和两组阴极3，阳极2和阴极3设于电解槽中，且间隔平行排列，相邻阳极2和阴极3之间的间隔为1.7cm，阳极2和阴极3均为铁板电极，大小为2.5*2.5cm。最外侧阳极2与最外侧的阴极3分别与电源4(具体为直流电源)连接，中间侧的阴极3和阳极2串联连接。

如图1，为电絮凝装置的结构示意图，图中阳极2和阴极3可为多组，在实施例1中阳极2和阴极3均为2组。

利用该电絮凝装置去除全氟有机污染物溶液，具体步骤如下(记为反应1)：

(1)将预先配置好的5mg/L(500mL)的全氟辛烷磺酸溶液，包含0.08mol/L 的氯化钠溶液和50mg/L的过一硫酸钠溶液注入反应槽中。将阳极、阴极通过导线分别与直流电源正极和负极连接。

(2)将直流电源电压设置为55V，电流密度设置为6mA/cm²，电解时间设定为60min。

该工况下PFOS的降解曲线如图2所示，其在60min的电解情况下的PFOS 降解效率为97.6％。其耗能曲线如图3所示，其在60min的耗能为为2.112kWh/kg。其TOC的去除曲线如图4所示，其在60min的TOC去除率为92.1％。

实施例2

本实施例提供一种电絮凝装置，其结构与实施例1一致，差异在于，电解槽中有5组阳极2和5组阴极3，相邻阳极2和阴极3之间的间隔为1.5cm，阳极和阴极电极板大小为3.0*3.0cm；最外侧阳极2与最外侧的阴极3分别与电源4 (具体为直流电源)连接，中间侧的4组阳极2和阴极3按顺序将相邻的阳极2 和阴极3两两串联连接。利用该电絮凝装置去除全氟有机污染物溶液，具体步骤如下(记为反应2)：

(1)将预先配置好的10mg/L(500mL)的全氟辛烷磺酸溶液，包含0.07 mol/L的氯化钠溶液和75mg/L的过二硫酸钠溶液注入反应槽中。将阳极和阴极电极通过导线分别与直流电源正极和负极连接。

(2)将直流电源电压设置为75V，电流密度设置为8mA/cm²，电解时间设定为60min。

该工况下PFOS的降解曲线如图2所示，其在60min的电解情况下的PFOS 降解效率为98.5％。其耗能曲线如图3所示，其在60min的耗能为为2.083kWh/kg。其TOC的去除曲线如图4所示，其在60min的TOC去除率为94.3％。

实施例3

本实施例提供一种电絮凝装置，其结构与实施例1一致，差异在于，电解槽中有3组阳极2和3组阴极3，相邻阳极2和阴极3之间的间隔为2.0cm，阳极和阴极电极板大小为2.0*2.0cm最外侧阳极2与最外侧的阴极3分别与电源4(具体为直流电源)连接，中间侧的2组阳极2和2组阴极3按顺序将相邻的阳极2 和阴极3两两串联连接。

利用该电絮凝装置去除全氟有机污染物溶液，具体步骤如下(记为反应3)：

(1)将预先配置好的8mg/L(500mL)的全氟辛烷磺酸溶液，包含0.10mol/L 的氯化钠溶液和65mg/L的过一硫酸钠溶液注入反应槽中。将阳极和阴极电极通过导线分别与直流电源正极和负极连接。

(2)将直流电源电压设置为65V，电流密度设置为18mA/cm²，电解时间设定为60min。

该工况下PFOS的降解曲线如图2所示，其在60min的电解情况下的PFOS 降解效率为99.9％。其耗能曲线如图3所示，其在60min的耗能为为2.060kWh/kg。其TOC的去除曲线如图4所示，其在60min的TOC去除率为95.9％。

如图5所示，为实施例3所在工况下反应-3中PFOS五次循环操作(每次循环操作的实验条件与实施例3的实验条件相同)后其降解效率依然很高，对PFOS 的降解率为99.5％，证实该工况下电絮凝装置对PFOS的高效降解稳定性。

实施例4

本实施例提供一种电絮凝装置，其结构与实施例3一致。利用该电絮凝装置去除全氟有机污染物溶液时的实施步骤与实施例3一致。差异在于电解质溶液分别替换成0.10mol/L的氯化钠、氯化钾、硫酸钠、硫酸钾溶液。

该工况下PFOS的降解曲线如图6所示，其在60min的电解情况下的PFOS 降解效率分别为99.92％、99.90％、99.96％、99.88％。其耗能曲线如图7所示，其在60min的耗能分别为2.060、2.062、2.058、2.063kWh/kg。其TOC的去除曲线如图8所示，其在60min的TOC去除率分别为95.9％、95.3％、96.2％、94.8％。

对比例1

本实施例提供一种电絮凝装置，其结构与实施例3一致。利用该电絮凝装置去除全氟有机污染物溶液时的实施步骤与实施例3一致。差异在于该对比例中只有一组电极(即1组阳极和一组阴极)。

该工况下PFOS的降解曲线如图9所示，其在60min的电解情况下的PFOS 降解效率为31.5％。其耗能曲线如图10所示，其在60min的耗能为为15.613 kWh/kg。其TOC的去除曲线如图11所示，其在60min的TOC去除率为25.8％。

对比例2

本实施例提供一种电絮凝装置，其结构与实施例3一致。利用该电絮凝装置去除全氟有机污染物溶液时的实施步骤与实施例3一致。差异在于该对比例的全氟辛烷磺酸溶液中不添加过一硫酸钠，只进行电解没有耦合。

该工况下PFOS的降解曲线如图9所示，其在60min的电解情况下的PFOS 降解效率为19.9％。其耗能曲线如图10所示，其在60min的耗能为为23.352 kWh/kg。其TOC的去除曲线如图11所示，其在60min的TOC去除率为14.5％。

由上述可知，本发明提供的电絮凝装置稳定性高，将其使用去除全氟有机污染物时，去除效率高，耗能较少，反应稳定性强。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种去除全氟有机污染物的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S2：对电解液进行恒电压电絮凝处理，即可；所述恒电流电絮凝处理中选用的阳极和阴极为多组，阳极和阴极间隔平行排列，最外侧的阳极和最外侧的阴极分别与外部电源连接；中间侧的相邻的阴极和阳极按两两一组串联连接。

2.根据权利要求1所述去除全氟有机污染物的方法，其特征在于，所述电解液中全氟有机污染物溶液的浓度为5～10mg/L。

3.根据权利要求1所述去除全氟有机污染物的方法，其特征在于，所述全氟有机污染物为全氟辛酸或全氟辛烷磺酸中的一种或两种。

4.根据权利要求1所述去除全氟有机污染物的方法，其特征在于，所述阳极和阴极为两组。

5.根据权利要求1所述去除全氟有机污染物的方法，其特征在于，所述恒电流电絮凝处理时的电压为55～75V。

6.一种电絮凝装置，其特征在于，包括电解槽(1)、多组阳极(2)和多组阴极(3)；阳极(2)和阴极(3)间隔平行排列于电解槽中，最外侧的阳极和最外侧的阴极分别与外部电源(4)连接；中间侧的相邻的阴极(3)和阳极(2)按两两一组串联连接；电解液置于电解槽(1)中，所述电解液为全氟有机污染物、氯化钠和过硫酸盐的混合溶液。

7.根据权利要求1所述电絮凝装置，其特征在于，所述阳极(2)为铁板电极或铝板电极；所述阴极(3)为铁板电极或铝板电极。

8.根据权利要求1所述电絮凝装置，其特征在于，所述相邻的阳极(2)和阴极(3)间的间距为1.5～2cm；所述阳极(2)和阴极(3)的尺寸为(2.0～3.0)cm×(2.0～3.0)cm。

9.根据权利要求1所述电絮凝装置，其特征在于，所述电源(4)为直流电源。

10.权利要求6～9任一所述电絮凝装置在去除全氟有机污染物的应用。