CN114716001A - 一种原位电产生过氧化氢协同臭氧处理难降解有机物的装置和方法 - Google Patents

一种原位电产生过氧化氢协同臭氧处理难降解有机物的装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种原位电产生过氧化氢协同臭氧处理难降解有机物的装置和方法，涉及水处理技术领域，其装置包括氧气瓶、电解槽和反应柱，所述氧气瓶连接有臭氧发生器，所述第一臭氧检测器连接有第一流量计，所述电解槽内部设置有阳极电极和阴极电极，所述电解槽的底部通过第二蠕动泵连接有电解液池，所述微孔曝气盘的上方连接有反应柱，所述反应柱连接有第一蠕动泵。该原位电产生过氧化氢协同臭氧处理难降解有机物的装置和方法，利用了传统臭氧氧化工艺中被浪费的尾气，通过廉价的阴极电极原位电化学高效产生H2O2，协同电化学氧化和臭氧氧化效果，高效快速降解难降解有机污染物，整个过程只需电、氧气、和电解液，具有绿色、安全、节能、处理效果好的优点。

Description

一种原位电产生过氧化氢协同臭氧处理难降解有机物的装置 和方法
技术领域
本发明涉及水处理技术领域，具体为一种原位电产生过氧化氢协同臭氧处理难降解有机物的装置和方法。
背景技术
臭氧(O3)是一种常用的氧化剂和消毒剂，被广泛用于水和废水的处理。作为目前较为成熟且已经投入生产使用的高级氧化技术之一，臭氧技术兼具氧化和消毒功能，能够实现多种难降解有机污染物的快速去除，而且O3的分解产物为O2，绿色、环保、不会产生二次污染，被认为是去除水和废水中难降解有机物的一种可行技术。
现有的臭氧技术也存在着一定的缺陷，如O3的选择性氧化、会产生溴酸盐、臭氧利用率低以及大量氧气被浪费等，这些问题制约了臭氧技术在水处理领域方面的应用。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种原位电产生过氧化氢协同臭氧处理难降解有机物的装置和方法，解决了上述背景技术中提出现有的臭氧技术也存在着一定的缺陷，如O3的选择性氧化、会产生溴酸盐、臭氧利用率低以及大量氧气被浪费等的问题。
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种原位电产生过氧化氢协同臭氧处理难降解有机物的装置，包括氧气瓶1、电解槽7和隔板16，其特征在于：所述氧气瓶1连接臭氧发生器2，臭氧发生器2连接有第一臭氧检测器3，所述第一臭氧检测器3连接有第一流量计4，第一流量计4连接有微孔曝气盘5，所述微孔曝气盘5设置于反应柱6的底部，所述反应柱6的上部通过第一蠕动泵17连接电解槽7，且电解槽7内部设置有阳极电极8和阴极电极9，所述电解槽7的底部通过第二蠕动泵10连接有电解液池11，所述反应柱6的顶部连接有气体干燥器12，且气体干燥器12依次连接有第二臭氧检测器13、臭氧破坏器14和第二流量计15，所述隔板16设置于电解槽7的中部进一步地，所述电解液池中设置有0.01～0.3mol/L的钠盐或钾盐，所述钠盐或钾盐选用氯化钠、硫酸钠、硝酸钠、碳酸钠、碳酸氢钠、氯化钾、硫酸钾、硝酸钾、碳酸钾、碳酸氢钾中的任一种或多种混合物。
进一步地，所述阳极电极8和阴极电极9分别与电源连接，所述阳极电极8和阴极电极9垂直插入电解槽中，所述的阴极电极9为气体扩散阴极，所述阳极电极8平行设置在阴极电极9两侧，电极间距为0.5～3cm。
进一步地，所述电解槽7与第二流量计15相连。
进一步地，所述阳极电极8选用惰性阳极，选自铂电极、不锈钢电极、石墨电极、钛镀钌铱电极、钛镀铱钽电极、或掺硼金刚石电极；所述阴极电极9包括两块气体扩散阴极，并设置有隔板16和气室；所述阴极电极9为炭黑-聚四氟乙烯气体扩散阴极，其中炭黑和聚四氟乙烯的质量比为0.4-0.8。
进一步地，所述原位电产生过氧化氢协同臭氧处理难降解有机物的装置的使用方法如下：
步骤一：氧气瓶1中的氧气进入臭氧发生器2，产生臭氧与氧气的混合气体，混合气体经过第一臭氧检测器3、第一流量计4定量后由微孔曝气盘5通入反应柱6内部；
步骤二：至少两对的阳极电极8和阴极电极9对称置入电解槽7中，且隔板16两侧分别设置有一个阳极电极8和一个阴极电极9；电解液池11中的电解液经过第二蠕动泵10进入电解槽7中，反应柱6中所产生的尾气经过气体干燥器12、臭氧破坏器14而进入电解槽7中，此时接通电源，尾气在阴极电极9发生两电子还原反应，高效原位生产H2O2，H2O2经过第一蠕动泵17进入反应柱6；
步骤三：含难降解有机物的水体通过蠕动泵从反应柱6右侧上部进入再从反应柱6的右侧下部排出，在此处理过程中，反应柱6内部的臭氧与H2O2发生peroxone反应生成强氧化性的羟基自由基，将难降解有机物氧化降解。
进一步地，还包括步骤四：难降解有机物氧化降解过程中，反应柱6尾气经过气体干燥器12、臭氧破坏器14而进入电解槽7中重复步骤二的操作。
进一步地，所述反应柱6内部的臭氧投加量为0.5～100mg/L，而阳极电极8和阴极电极9的电流密度I选用0<I≤200mA/cm2。
进一步地，所述电解液在电解槽7中的停留时间为1～60min，反应柱6中的水力停留时间为1～180min。
本发明提供了一种原位电产生过氧化氢协同臭氧处理难降解有机物的装置和方法，具备以下有益效果：
(1)该原位电产生过氧化氢协同臭氧处理难降解有机物的装置和方法，利用了传统臭氧氧化工艺中被浪费的尾气，通过廉价的阴极电极，原位电化学高效产生H2O2，协同电化学氧化和臭氧氧化效果，高效快速降解难降解有机污染物，整个过程只需电、氧气、和电解液，具有绿色、安全、节能、处理效果好的优点。
(2)本发明采用自制的炭黑-聚四氟乙烯气体扩散阴极作为阴极电极材料，包括两块气体扩散阴极，并设置有隔板和气室，同时阳极电极选自铂电极、不锈钢电极、石墨电极、钛镀钌铱电极、钛镀铱钽电极、或掺硼金刚石电极等惰性电极，其能够显著提高原位电化学产生H2O2的效率，能够高效快速降解难降解的有机污染物。
(3)本发明通过设置气体干燥器、臭氧检测器、臭氧破坏器、流量计等装置，将反应过程中产生的多余的氧气收集并返回到过氧化氢原位电解过程中回收利用，其大大的节约了能耗，解决了现有技术中臭氧利用率低以及大量氧气被浪费等难题。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图。
图中：1、氧气瓶；2、臭氧发生器；3、第一臭氧检测器；4、第一流量计；5、微孔曝气盘；6、反应柱；7、电解槽；8、阳极电极；9、阴极电极；10、第二蠕动泵；11、电解液池；12、气体干燥器；13、第二臭氧检测器；14、臭氧破坏器；15、第二流量计；16、隔板；17、第一蠕动泵。
具体实施方式
实施例1
请参阅图1，本发明提供一种技术方案：一种原位电产生过氧化氢协同臭氧处理难降解有机物的装置，包括氧气瓶1、电解槽7和隔板16，其特征在于：所述氧气瓶1连接臭氧发生器2，臭氧发生器2连接有第一臭氧检测器3，所述第一臭氧检测器3连接有第一流量计4，第一流量计4连接有微孔曝气盘5，所述微孔曝气盘5设置于反应柱6的底部，所述反应柱6的上部通过第一蠕动泵17连接电解槽7，且电解槽7内部设置有阳极电极8和阴极电极9，所述电解槽7的底部通过第二蠕动泵10连接有电解液池11，所述反应柱6的顶部连接有气体干燥器12，且气体干燥器12依次连接有第二臭氧检测器13、臭氧破坏器14和第二流量计15，所述隔板16设置于电解槽7的中部进一步地，所述电解液池中设置有0.01～0.3mol/L的钠盐或钾盐，所述钠盐或钾盐选用氯化钠、硫酸钠、硝酸钠、碳酸钠、碳酸氢钠、氯化钾、硫酸钾、硝酸钾、碳酸钾、碳酸氢钾中的任一种或多种混合物。
进一步地，所述阳极电极8和阴极电极9分别与电源连接，所述阳极电极8和阴极电极9垂直插入电解槽中，所述的阴极电极9为气体扩散阴极，所述阳极电极8平行设置在阴极电极9两侧，电极间距为0.5～3cm。
进一步地，所述电解槽7与第二流量计15相连。
进一步地，所述阳极电极8选用惰性阳极，选自铂电极、不锈钢电极、石墨电极、钛镀钌铱电极、钛镀铱钽电极、或掺硼金刚石电极；所述阴极电极9包括两块气体扩散阴极，并设置有隔板16和气室；所述阴极电极9为炭黑-聚四氟乙烯气体扩散阴极。
进一步地，所述原位电产生过氧化氢协同臭氧处理难降解有机物的装置的使用方法如下：
步骤一：氧气瓶1中的氧气进入臭氧发生器2，产生臭氧与氧气的混合气体，混合气体经过第一臭氧检测器3、第一流量计4定量后由微孔曝气盘5通入反应柱6内部；
步骤二：至少两对的阳极电极8和阴极电极9对称置入电解槽7中，且隔板16两侧分别设置有一个阳极电极8和一个阴极电极9；电解液池11中的电解液经过第二蠕动泵10进入电解槽7中，反应柱6中所产生的尾气经过气体干燥器12、臭氧破坏器14而进入电解槽7中，此时接通电源，尾气在阴极电极9发生两电子还原反应，高效原位生产H2O2，H2O2经过第一蠕动泵17进入反应柱6；
步骤三：含难降解有机物的水体通过蠕动泵从反应柱6右侧上部进入再从反应柱6的右侧下部排出，在此处理过程中，反应柱6内部的臭氧与H2O2发生peroxone反应生成强氧化性的羟基自由基，将难降解有机物氧化降解。
进一步地，还包括步骤四：难降解有机物氧化降解过程中，反应柱6尾气经过气体干燥器12、臭氧破坏器14而进入电解槽7中重复步骤二的操作。
进一步地，所述反应柱6内部的臭氧投加量为0.5～100mg/L，而阳极电极8和阴极电极9的电流密度I选用0<I≤200mA/cm2。
进一步地，所述电解液在电解槽7中的停留时间为1～60min，反应柱6中的水力停留时间为1～180min。
综上，该原位电产生过氧化氢协同臭氧处理难降解有机物的装置和方法，使用时，首先氧气瓶1中的氧气进入臭氧发生器2，产生臭氧与氧气的混合气体，混合气体经过第一臭氧检测器3、第一流量计4定量后由微孔曝气盘5通入反应柱6内部，反应柱6内部的臭氧投加量为0.5～100mg/L；
至少两对的阳极电极8和阴极电极9对称置入电解槽7中，且隔板16两侧分别设置有一个阳极电极8和一个阴极电极9，将电解液池11中的电解液经过第二蠕动泵10进入电解槽7中，电解液在电解槽7中的停留时间为1～60min，反应柱6中所产生的尾气经过气体干燥器12、臭氧破坏器14而进入电解槽7中，此时接通电源，尾气在阴极电极9发生两电子还原反应，高效原位生产H2O2，H2O2经过第一蠕动泵17进入反应柱6；
具体的水体通过蠕动泵从反应柱6右侧上部进入再从反应柱6的右侧下部排出，反应柱6中的水力停留时间为1～180min，其过程中，反应柱6内部的臭氧与H2O2发生peroxone反应生成强氧化性的羟基自由基，将难降解有机物氧化降解；
最后难降解有机物在氧化降解过程中，反应柱6尾气经过气体干燥器12、臭氧破坏器14而进入电解槽7中重复上述操作。
该原位电产生过氧化氢协同臭氧处理难降解有机物的装置和方法，利用了传统臭氧氧化工艺中被浪费的尾气，通过廉价的阴极电极9，原位电化学高效产生H2O2，协同电化学氧化和臭氧氧化效果，高效快速降解难降解有机污染物，整个过程只需电、氧气、和电解液，具有绿色、安全、节能、处理效果好的优点。
实施例2
采用本发明的原位电产生过氧化氢协同臭氧处理难降解有机物的装置处理含布洛芬废水。
实验之前配置浓度为100μg/L的布洛芬溶液备用，实验过程中经由蠕动泵从臭氧反应柱上端泵入，水力停留时间控制为10min。含有高浓度的过氧化氢经第一蠕动泵泵入反应柱，通过调节泵入流量以改变反应柱内臭氧和过氧化氢的比例。本实例中采用的电产双氧水电流密度为360mA，反应柱进气口处臭氧浓度为18.7mg/L，反应柱内臭氧和过氧化氢浓度比例控制在1:1，反应30min后，从出水口取一定量水样检测溶液中布洛芬、过氧化氢和臭氧浓度。为了体现电产过氧化氢与臭氧在处理污染物时的协同作用，本实施例采用未投加双氧水的单独臭氧过程处理布洛芬作为对照控制组。
电产过氧化氢协同臭氧过程对布洛芬的30min处去除率为59％，单独臭氧过程对布洛芬的去除率为7％。表明电产过氧化氢大幅强化了臭氧对布洛芬的降解。
实施例3
采用本发明的原位电产生过氧化氢协同臭氧处理难降解有机物的装置处理含噻虫嗪废水
配置5mg/L噻虫嗪水溶液备用，实验操作同实施例2。本实例采用的电产过氧化氢电流密度为540mA，臭氧浓度为28.3mg/L，反应柱内臭氧和过氧化氢浓度比例控制在1:1，反应30min后，从出水口取一定量水样检测溶液中噻虫嗪、过氧化氢和臭氧浓度。设置同样条件的单独臭氧过程作为对照控制组。单独臭氧过程对噻虫嗪去除效率为80％，加入过氧化氢后，去除率提高至93％，表明电产过氧化氢强化了臭氧对噻虫嗪的降解。
实施例4
电产过氧化氢协同臭氧处理垃圾渗滤液
本实施例选用的垃圾渗滤液初始水质情况为：pH＝7.11，COD＝6220mg/L，TOC＝2305mg/L,BOD5/COD＝0.17。本实施例实验操作同实施例2，采用的电产过氧化氢的电流为400mA，臭氧浓度为80mg/L，反应柱内臭氧和过氧化氢浓度比例控制在1:1，反应120min后，从出水口取一定量水样检测溶液中COD、TOC、过氧化氢和臭氧浓度。设置同样条件的单独臭氧过程作为对照控制组。
单独臭氧过程对垃圾渗滤液的COD和TOC去除率分别为35％和30％，电产过氧化氢协同臭氧技术多垃圾渗滤液的COD和TOC去除率分别为53％和44％。结果表明电产过氧化氢强化了臭氧对垃圾渗滤液的降解。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种原位电产生过氧化氢协同臭氧处理难降解有机物的装置，包括氧气瓶(1)、电解槽(7)和反应柱(6)，其特征在于：所述氧气瓶(1)连接臭氧发生器(2)，臭氧发生器(2)连接有第一臭氧检测器(3)，所述第一臭氧检测器(3)连接有第一流量计(4)，第一流量计(4)连接有微孔曝气盘(5)，所述微孔曝气盘(5)设置于反应柱(6)的底部，所述反应柱(6)的上部通过第一蠕动泵(17)连接电解槽(7)，且电解槽(7)内部设置有阳极电极(8)和阴极电极(9)，所述电解槽(7)的底部通过第二蠕动泵(10)连接有电解液池(11)，所述反应柱(6)的顶部连接有气体干燥器(12)，且气体干燥器(12)依次连接有第二臭氧检测器(13)、臭氧破坏器(14)和第二流量计(15)，所述电解槽(7)的中部设置有隔板(16)。
2.根据权利要求1所述的一种原位电产生过氧化氢协同臭氧处理难降解有机物的装置，其特征在于：所述电解液池中设置有0.01～0.3mol/L的钠盐或钾盐，所述钠盐或钾盐选用氯化钠、硫酸钠、硝酸钠、碳酸钠、碳酸氢钠、氯化钾、硫酸钾、硝酸钾、碳酸钾、碳酸氢钾中的任一种或多种混合物。
3.根据权利要求1所述的一种原位电产生过氧化氢协同臭氧处理难降解有机物的装置，其特征在于：所述阳极电极(8)和阴极电极(9)分别与电源连接，所述阳极电极(8)和阴极电极(9)垂直插入电解槽中，所述的阴极电极(9)为气体扩散阴极，所述阳极电极(8)平行设置在阴极电极(9)两侧，电极间距为0.5～3cm。
4.根据权利要求1所述的一种原位电产生过氧化氢协同臭氧处理难降解有机物的装置，其特征在于：所述电解槽(7)与第二流量计(15)相连。
5.根据权利要求1所述的一种原位电产生过氧化氢协同臭氧处理难降解有机物的装置，其特征在于：所述阳极电极(8)选用惰性阳极，选自铂电极、不锈钢电极、石墨电极、钛镀钌铱电极、钛镀铱钽电极、或掺硼金刚石电极；所述阴极电极(9)包括两块气体扩散阴极，并设置有隔板(16)和气室；所述阴极电极(9)为炭黑-聚四氟乙烯气体扩散阴极。
6.根据权利要求1所述的一种原位电产生过氧化氢协同臭氧处理难降解有机物的装置的方法，其特征在于：所述原位电产生过氧化氢协同臭氧处理难降解有机物的装置的使用方法如下：
步骤一：氧气瓶(1)中的氧气进入臭氧发生器(2)，产生臭氧与氧气的混合气体，混合气体经过第一臭氧检测器(3)、第一流量计(4)定量后由微孔曝气盘(5)通入反应柱(6)内部；
步骤二：至少两对的阳极电极(8)和阴极电极(9)对称置入电解槽(7)中，且隔板(16)两侧分别设置有一个阳极电极(8)和一个阴极电极(9)；电解液池(11)中的电解液经过第二蠕动泵(10)进入电解槽(7)中，反应柱(6)中所产生的尾气经过气体干燥器(12)、臭氧破坏器(14)而进入电解槽(7)中，此时接通电源，尾气在阴极电极(9)发生两电子还原反应，高效原位生产H2O2，H2O2经过第一蠕动泵(17)进入反应柱(6)；
步骤三：含难降解有机物的水体通过蠕动泵从反应柱(6)右侧上部进入再从反应柱(6)的右侧下部排出，在此处理过程中，反应柱(6)内部的臭氧与H2O2发生peroxone反应生成强氧化性的羟基自由基，将难降解有机物氧化降解。
7.根据权利要求6所述的一种原位电产生过氧化氢协同臭氧处理难降解有机物的装置的方法，其特征在于：还包括步骤四：难降解有机物氧化降解过程中，反应柱(6)尾气经过气体干燥器(12)、臭氧破坏器(14)而进入电解槽(7)中重复步骤二的操作。
8.根据权利要求6所述的一种原位电产生过氧化氢协同臭氧处理难降解有机物的装置的方法，其特征在于：所述反应柱(6)内部的臭氧投加量为0.5～100mg/L，而阳极电极(8)和阴极电极(9)的电流密度I选用0<I≤200mA/cm2。
9.根据权利要求6所述的一种原位电产生过氧化氢协同臭氧处理难降解有机物的装置的方法，其特征在于：所述电解液在电解槽(7)中的停留时间为1～60min，反应柱(6)中的水力停留时间为1～180min。
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