CN114314737A - 光电协同强化同步脱盐降解有机物的污水处理方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光电协同强化同步脱盐降解有机物的污水处理方法和装置，包括一种光电协同强化同步脱盐降解有机物的污水处理装置，包括污水处理池及两个相对且间隔设置的复合电极，所述两个复合电极分别连接外加电源的正极和负极，所述污水处理池被所述两个复合电极分割成光电协同催化除污脱盐室和清水室，所述光电协同催化除污脱盐室位于所述两个复合电极之间，所述清水室位于所述两个复合电极外侧，每个复合电极包括光电催化多孔致密层和电催化支撑层，所述两个复合电极相对并以一定角度呈开扇状设置，所述光催化所需要的光源在两个呈开扇状设置的复合电极的开口端设置。本发明还公开了一种光电协同强化同步脱盐降解有机物的污水处理方法。

Description

光电协同强化同步脱盐降解有机物的污水处理方法和装置
技术领域
本发明属于污水处理与水资源回用领域，具体涉及一种光电协同强化同步脱盐降解有机物的污水处理方法和装置。
背景技术
目前，国内外均面临着严重的水环境问题，主要体现在水污染严重和水资源短缺两个方面，已成为制约经济和社会可持续发展的主要因素之一。为缓解水环境危机，需要从供水来源开发和水污染控制两个角度入手。污水再生利用在降低污水排放量的同时，提供了一种新的水资源来源，具有成本低、潜力大、适用性广和环境友好等特点，是解决当前水环境问题的切实有效的措施之一。
膜分离技术，包括微滤、超滤、纳滤及渗透等，通过过滤截留，选择性地将水资源从复杂水体中稳定、高效地分离出来，是近年来最受关注的污水回用技术之一。其中，超(微)滤技术可以在适宜条件下实现对污水中的微生物、细菌、污染物微粒、胶体以及部分溶解性有机物的高效去除，被广泛应用于市政和工业废水的深度处理，以及海水淡化等多个领域，是应用最为广泛的膜分离技术之一。目前，污水回用水的主要应用领域包括地表灌溉、工业回用和地下水回灌等，回用水中过高的盐分会导致土壤盐渍化、生产设备结垢等一系列问题。近年来，污水回用过程中的盐分去除需求愈加紧迫。传统的脱盐工艺，如反渗透和热蒸馏等，具有能耗高、工艺复杂和操作难度高等缺点，难以迎合可持续发展的需求。
高级氧化技术(包括光催化、电催化等)可有效矿化有机物，且具有效率高、氧化能力强等优点。但是，传统催化技术面临催化剂难回收、利用率低等应用难题。近年来，催化膜因具有在高效截留污染物的同时实现污染物矿化的优点而备受关注。
电吸附脱盐工艺基于电化学双电层理论，在外加电场下可实现对水中离子和有机物的去除，是一种全新的、具有可持续发展特征的水处理工艺，应用发展前景广阔。然而，采用电吸附脱盐工艺直接进行污水回用处理，装置中的电极极易受到污水中的有机污染物的污染，而使得运行效率降低。
有鉴于此，确有必要提供一种面向污水处理与回用的同步脱盐降解有机物的污水处理方法和装置，旨在解决现有水回用工艺流程复杂、运行能耗高、不可持续发展的问题。
发明内容
本发明公开了一种光电协同强化同步脱盐降解有机物的污水处理方法和装置，具体包括：
一种光电协同强化同步脱盐降解有机物的污水处理装置，包括污水处理池及两个相对且间隔设置的复合电极，所述两个复合电极用于分别连接外加电源的正极和负极，所述污水处理池被所述两个复合电极分割成光电协同催化除污脱盐室和清水室，所述光电协同催化除污脱盐室位于所述两个复合电极之间，所述清水室位于所述两个复合电极外侧，每个复合电极包括光电催化多孔致密层和电催化支撑层，所述两个复合电极的多孔致密层相对并以一定角度呈开扇状设置，所述光催化所需要的光源在两个呈开扇状设置的复合电极的开口端设置。
一种光电协同强化同步脱盐降解有机物的污水处理方法，包括以下步骤：
(a)安装如权利要求1所述的光电协同强化同步脱盐降解有机物的污水处理装置；
(b)输送污水进入所述光电协同催化除污脱盐室，启动外加电源，在光电协同催化除污脱盐室两侧的复合电极上分别施加正负电压，施加负电压的复合电极为阴极，施加正电压的复合电极为阳极，从而形成电场并引发电化学反应，使污水中的荷电组分在电场驱动作用下迁移，并通过电催化反应完成对有机污染物的降解；启动外加光源，在光电协同催化除污脱盐室两侧的复合电极上施加光照，从而引发光催化反应完成对有机污染物的降解。
(c)使污水中的水分子在光电协同催化除污脱盐室与清水室之间跨膜压差的作用下，依次穿过复合电极的光电催化多孔致密层和电催化支撑层进入清水室，最终从所述同步脱盐除有机物的污水处理装置排出。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：结合光催化、电催化以及电吸附技术的各自特点，实现污水中有机污染物和盐分的同步去除，形成一种简单、能效高、模块化程度高、稳定性好、适应性好、环境友好和可持续发展的绿色新型工艺。所述光电协同强化同步脱盐降解有机物的污水处理方法不仅有效缩短了工艺流程，降低运行成本，且运行效果显著优于单一工艺的独立运行效果。
附图说明
图1为本发明光电协同强化同步脱盐降解有机物的污水处理装置的结构及原理示意图；
图2为本发明实施例光电协同催化降解有机物的性能测试；
图3为本发明实施例光电协同强化同步脱盐降解有机物的污水处理装置在不同流量下对1g L-1NaCl溶液的多周期脱盐性能对比图；
图4为本发明实施例光电协同强化同步脱盐降解有机物的污水处理装置在复合电极不同夹角设置状态下的有机物光催化降解性能对比图；
图5为本发明实施例光电协同强化同步脱盐降解有机物的污水处理装置在3V电压下电催化降解污染物性能测试图；
图6为本发明实施例光电协同强化同步脱盐降解有机物的污水处理装置与单一脱盐和单一光催化装置的脱盐、除污效果对比图。
主要元件符号说明
光电协同强化同步脱盐降解有机 100
物的污水处理装置
污水处理池 10
光电协同催化除污脱盐室 12
清水室 14
复合电极 20
电催化支撑层 22
光电催化多孔致密层 24
外加电源 13
有机污染物 40
外加光源 50
具体实施方式
以下将结合附图对本发明的光电协同催化降解有机物以及同步电吸附脱盐的污水处理方法及装置作进一步的详细说明。
请参阅图1，本发明实施例首先提供一种光电协同强化同步脱盐降解有机物的污水处理装置100，包括污水处理池10及两个相对呈且间隔开扇状设置的集微滤、导电、吸附、光(电)催化于一体的复合电极20，所述两个复合电极20用于分别连接外加电源13的正极和负极，所述污水处理池10被所述两个复合电极20分割成光电协同催化除污脱盐室12和清水室14，所述光电协同催化除污脱盐室12位于所述两个复合电极20之间，所述清水室14位于所述两个复合电极20外侧，每个复合电极20包括层叠设置的电催化支撑层22和光电催化多孔致密层24，所述两个复合电极20的光电催化多孔致密层24相对且间隔开扇设置，所述光催化所需要的光源50在两个呈开扇状设置的复合电极最大开口外侧设置。
所述两个复合电极20相互平行设置，也可相互呈开扇状设置，间隔距离可以为0.1毫米至10毫米，开扇角度可以为1°至30°。所述光电协同催化除污脱盐室12由所述两个复合电极的光电催化多孔致密层24相对形成。所述两个复合电极20可设置在所述污水处理池10中间位置，形成两个清水室14。所述光电协同催化除污脱盐室12位于所述两个清水室14之间。所述光电协同强化同步脱盐降解有机物的污水处理装置100可进一步包括与所述光电协同催化除污脱盐室12连通的入水口和与所述清水室14连通的出水口。
所述复合电极20可仅由所述电催化支撑层22和光电催化多孔致密层24组成。所述光电协同催化除污脱盐室12也是水流的通道，所述复合电极20也能够使水分子通过，可设置不同的水处理运行模式。
所述复合20中光电催化多孔致密层的表面孔径为0.02微米至5微米。
所述复合电极20的材料为活性炭、碳纳米管、碳气凝胶、金属和金属氧化物中的一种或多种。所述复合电极20的比表面积优选大于50m2/g，例如可以为50m2/g至10000m2/g。
所述外加电源13为直流电源，如化学燃料电池、生物燃料电池和物理能源电池中的一种或几种，所述外加的光源50为模拟日光光源，波长范围在380nm至780nm。
所述复合电极20开扇设置角度在1°至30°，所述光源50的光照强度为50mW cm-2至700mW cm-2，波长为380nm至780nm。
所述光电协同催化除污脱盐室12内可以不填充任何材料，或填充离子交换树脂、三维电极材料及催化剂中的一种或多种。所述三维电极为活性炭或金属氧化物等单极性或复极性电极。所述催化剂为金属或金属氧化物等光电催化剂。
使用时，通过外加电源13对复合电极20施加电压，光源在两个复合电极20之间形成电场，污水首先进入光电协同催化除污脱盐室12，水分子从复合电极20中间从一端穿流过另一端进入清水室14，最后排出该光电协同强化同步脱盐降解有机物的污水处理装置100。污水中的盐分在电场驱动作用下被吸附在复合电极20表面和内部，污水中的有机污染物被光电催化多孔致密层24吸附或者截留在表面，进而在光源50的照射下催化降解，实现有机污染物40的催化降解和盐分同步去除。所述电催化支撑层22和光电催化多孔致密层24两部分可以在物理、化学层面上复合为一体发生作用，也可以独立存在发生作用。
本发明实施例还提供一种光电协同强化同步脱盐降解有机物的污水处理方法，包括以下步骤：
(a)安装所述光电协同强化同步脱盐降解有机物的污水处理装置100；
(b)输送污水进入光电协同催化除污脱盐室12，启动外加电源13在光电协同催化除污脱盐室12两侧的复合电极20上分别施加正负电压，施加负电压的复合电极20为阴极，施加正电压的复合电极20为阳极，从而形成电场并引发电化学反应，使污水中的荷电组分在电场驱动作用下迁移，并通过电催化反应完成对有机污染物的降解；启动外加光源，在光电协同催化除污脱盐室两侧的复合电极上施加光照，从而引发光催化反应完成对有机污染物的降解。
(c)使污水中的水分子在光电协同催化除污脱盐室12与清水室14之间跨膜压差的作用下，依次穿过复合电极20的光电催化多孔致密层24和电催化支撑层22进入清水室14，最终从所述同步脱盐除有机物的污水处理装置100排出。
所述复合电极20之间施加的电压差范围为0.1V至4V。
实施例1
光电协同强化同步脱盐降解有机物的污水处理装置100。所述光电协同催化除污脱盐室12内不填充其它材料，所述复合电极20由光电催化多孔致密层24和电催化支撑层22组成，通过原位复合法制备。
所述复合电极20呈开扇状设置便于引入光源50的光束，请参阅图1。
光电协同催化降解有机物，电源13给复合电极20施加1V电压，外加光源50给光电协同强化同步脱盐降解有机物的污水处理装置100施加700mW cm-2的光强，请参阅图2。
所述外加电源13为电化学工作站。
所述外部光源50为氙弧灯(320-780nm，PLS-SXE300，300mW cm-2)
实施例2
不同流速对比测试。利用实施例1所述的污水处理装置，处理含盐有机物废水，所述盐分为1g L-1NaCl，有机物为普萘洛尔模型有机物，入口和出口均连接蠕动泵，设置的流速的分别为0.3mL min-1和2mL min-1。外加电源13在复合电极20上施加电压1V。参阅图3，图3中电导率随时间变化，下降阶段为脱盐除污阶段，上升阶段为关闭外加电源13使复合电极20脱附阶段，可以看到，该污水处理装置100在两种不同流速下的脱盐效果中0.3mL min-1更高，达30％。
实施例3
光电协同催化降解有机物处理再生水。利用实施例1所述的污水处理装置，处理模拟再生水。模拟再生水的浓度为1g L-1NaCl和2mg L-1普萘洛尔混合溶液，该外加电源13在光电协同催化除污脱盐室12两侧的复合电极20施加电压1V，外部光源50在一定光距下为装置提供一定光强，装置的进水出水流速为0.3mL min-1。请参阅图4，利用该实验条件设置复合电极的开扇角度，所述污水处理装置在复合电极开扇角度为6°时该装置对有机物的矿化效率最高。有机物的有效去除率达40％。
实施例4
电催化降解性能测试。利用实施例1所述的污水处理装置，处理模型废水。实验原水与实施例3相同。该外加电源13在该污水处理装置施加3V电压，装置出水流速为0.3mLmin-1。对出水的有机物进行测试，请参阅图5，施加电压后出水的有机物浓度在前15min下降到100％，表现出优异的有机物去除效果。
实施例5
同步脱盐降解有机物性能测试。利用实施例1所述的污水处理装置，处理模型废水。实验原水的有机物浓度为2mg L-1，电导率为1150±40μS/cm，施加电压为1V，装置出水流速为0.3mL min-1。对出水口的脱盐率和污染物截留率进行测试，请参阅图6，将本发明实施例2的单一脱盐过程和实施例3单一催化降解过程以及脱盐矿化除污协同过程进行了有机物去除效果的对比。光电协同催化以及脱盐的性能均高于其他单一装置，盐分去除率约30％，有机物的去除率约38％，上述实验数据对比结果表明，本发明所述光电协同强化同步脱盐降解有机物的污水处理工艺具有巨大的应用潜力。
本发明实施例结合膜分离技术，电吸附脱盐技术以及高级氧化技术各自的工艺特点，实现污水中有机污染物和盐分的同步去除且催化降解有机污染物，电吸附促进污染物在电极表面的富集，增加催化效率，并一定程度上减缓了膜和电极的污染，并可防止脱盐除污室中所填充的树脂、三位电极和多相催化剂的逸散，形成一种流程简单、能效高、模块化程度高、稳定性好、适应性好，环境友好和可持续发展的绿色新型工艺。该集成工艺的运行效果显著优于单一工艺的独立运行效果。
另外，本领域技术人员还可以在本发明精神内做其他变化，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。

Claims (9)

1.一种光电协同强化同步脱盐降解有机物的污水处理装置，包括污水处理池及两个相对且间隔设置的复合电极，所述两个复合电极用于分别连接外加电源的正极和负极，所述污水处理池被所述两个复合电极分割成光电协同催化除污脱盐室和清水室，所述光电协同催化除污脱盐室位于所述两个复合电极之间，所述清水室位于所述两个复合电极外侧，每个复合电极包括光电催化多孔致密层和电催化支撑层，所述两个复合电极的多孔致密层相对并以一定角度呈开扇状设置，所述光催化所需要的光源在两个呈开扇状设置的复合电极的开口端设置。
2.如权利要求1所述的光电协同强化同步脱盐降解有机物的污水处理装置，其特征在于，所述复合电极中光电催化多孔致密层的表面孔径为0.02微米至5微米。
3.如权利要求1所述的光电协同强化同步脱盐降解有机物的污水处理装置，其特征在于，所述复合电极的材料为活性炭、碳纳米管、碳纤维、碳气凝胶、金属及金属氧化物中的一种或多种。
4.如权利要求1所述的光电协同强化同步脱盐降解有机物的污水处理装置，其特征在于，所述光电协同催化除污脱盐室内不填充任何材料，或者所述光电协同强化同步脱盐降解有机物的污水处理装置进一步包括填充在所述光电协同催化除污脱盐室内的离子交换树脂、三维电极材料及催化剂中的一种或多种。
5.如权利要求1所述的光电协同强化同步脱盐降解有机物的污水处理装置，其特征在于，所述两个复合电极间隔距离为0.1毫米至10毫米。
6.如权利要求1所述的光电协同强化同步脱盐降解有机物的污水处理装置，其特征在于，所述两个复合电极的夹角为1°至30°。
7.一种光电协同强化同步脱盐降解有机物的污水处理方法，包括以下步骤：
(a)安装如权利要求1所述的光电协同强化同步脱盐降解有机物的污水处理装置；
(b)输送污水进入所述光电协同催化除污脱盐室，启动外加电源，在光电协同催化除污脱盐室两侧的复合电极上分别施加正负电压，施加负电压的复合电极为阴极，施加正电压的复合电极为阳极，从而形成电场并引发电化学反应，使污水中的荷电组分在电场驱动作用下迁移，并通过电催化反应完成对有机污染物的降解；启动外加光源，在光电协同催化除污脱盐室两侧的复合电极上施加光照，从而引发光催化反应完成对有机污染物的降解。
(c)使污水中的水分子在光电协同催化除污脱盐室与清水室之间跨膜压差的作用下，依次穿过复合电极的光电催化多孔致密层和电催化支撑层进入清水室，最终从所述同步脱盐除有机物的污水处理装置排出。
8.如权利要求7所述的光电协同强化同步脱盐降解有机物的污水处理方法，其特征在于，所述正电压与负电压之间的电压差为0.1V至4V。
9.如权利要求7所述的光电协同强化同步脱盐降解有机物的污水处理方法，其特征在于，所述光照的强度为50mW cm-2至700mW cm-2，波长为380nm至780nm。
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