CN114772679A - 一种联合利用光催化和电催化处理有机废水的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种联合利用光催化和电催化处理有机废水的方法及装置，所述方法包括：将含氯离子的有机废水进行电催化氧化反应，获得含有次氯酸的光电催化反应处理的有机废水；将所述含有次氯酸的光电催化反应处理的有机废水经紫外线照射处理，获得含羟基自由基和氯自由基的有机废水，利用其强氧化性进一步去除有机废水的COD，获得净化水。本发明的方法利用电催化氧化阳极表面产生大量的强氧化性羟基自由基(·OH)基团与反渗透浓水中的污染物发生直接氧化作用；同时利用在紫外光照射条件下生成的强氧化剂与污染物发生间接的催化氧化作用，将反渗透浓水中的有机污染物降解去除，提高了反渗透浓水COD的去除率，同时解决了废水中残留余氯的问题。
Description
技术领域
本发明涉及污水处理技术领域，具体涉及一种联合利用光催化和电催化处理有机废水的方法及装置。
背景技术
目前，随着膜工艺的广泛应用与发展，反渗透(RO)技术逐渐成为石化、电力、冶金、制药等诸多行业污水处理及循环水深度回用处理的首选技术。但是，反渗透技术通常产水量不足75％，还会伴随生成约25％左右的反渗透浓水，浓水中通常含有较高浓度的溶解性有机物、氨氮等污染物，溶液色度大、含盐量高、可生化性差。因此反渗透浓水一直是较难处理的工业废水之一。
国内外对反渗透浓水处理的方法主要有：回流法、直接或间接排放、资源化利用、蒸发浓缩等，然而这些方法均存在一定的局限性，且对反渗透浓水中有机物降解不完全，甚至会产生二次污染等问题。浓水回流提高利用率、浓水回用作生产水、资源化利用、蒸发浓缩等。研究发现，这些传统工艺均存在一定的局限性，浓水回流提高利用率或回用作生产用水实质上是污染转移，而常规的蒸发浓缩处理成本较高。
综上所述，对于反渗透浓水的处理，电催化氧化技术虽然能够有效降解反渗透废水中的有机物，但是会产生大量的次氯酸造成二次污染；光催化技术需要投加氧化剂才能达到良好的效果；因此，如何解决针对电催化和光催化技术的二次污染及需要原料的问题，提出一种绿色、高效、节能、环保的新型废水处理方法和装置，是亟待解决的技术问题。
发明内容
为此，本发明提供一种联合利用光催化和电催化处理有机废水的方法及装置。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明提供一种联合利用光催化和电催化处理有机废水的方法，所述方法包括：
将含氯离子的有机废水进行电催化氧化反应，获得含有次氯酸的光电催化反应处理的有机废水；
将所述含有次氯酸的光电催化反应处理的有机废水经紫外线照射处理，获得含羟基自由基和氯自由基的有机废水，利用其强氧化性进一步去除有机废水的COD，获得净化水。
本发明的一个实施例中，所述含氯离子的有机废水的电催化反应时间为0.5-1.5h。
本发明的一个实施例中，所述有机废水的紫外线照射处理时间为0.7-1.2h。
本发明的一个实施例中，所述含氯离子的有机废水中，氯离子的浓度为2-15g/L。
本发明的一个实施例中，所述电催化阳极采用钛基涂层电极，阴极采用无涂层钛材或不锈钢。
本发明还提供一种用于上述所述的方法的装置，所述装置包括：
电催化氧化反应装置，用于将含氯离子的有机废水进行电催化氧化反应，获得分解部分有机物，并反应产生含有次氯酸的光电催化反应处理的有机废水；
光催化氧化反应装置，用于对所述含有次氯酸的光电催化反应处理的有机废水进行紫外线照射，使得次氯酸分解，获得含羟基自由基和氯自由基的有机废水，进一步分解废水中的有机物；
所述电催化反应装置与所述光催化反应装置连通。
本发明的一个实施例中，所述电催化反应装置至少包括第一正极性电催化电极、第二正极性电催化电极以及负极性电催化电极。
本发明的一个实施例中，所述正极性电催化电极采用钛基涂层电极；
所述负极性电催化电极采用无涂层钛材或不锈钢。
本发明的一个实施例中，所述光催化氧化反应装置的紫外线光源采用发光二极管，发光波长为小于400nm。
本发明的一个实施例中，所述紫外线光源光功率的光密度为150-400mW/cm2。
本发明具有如下优点：
本发明的联合利用光催化和电催化处理有机废水的方法，利用电催化氧化阳极表面产生大量的强氧化性羟基自由基(·OH)基团与反渗透浓水中的污染物发生直接氧化作用；同时利用在紫外光照射条件下生成的强氧化剂与污染物发生间接的催化氧化作用，将反渗透浓水中的有机污染物降解去除，从而消除对环境的污染，提高了反渗透浓水COD的去除率。
本发明的方法是利用反渗透浓水中存在大量氯离子，在电催化氧化作用过后会产生次氯酸，次氯酸能作为光催化氧化的氧化剂，在短波紫外线作用下，分解为羟基自由基和氯自由基来氧化降解废水，由于次氯酸是电催化设备原位生成后直接进入光催化设备，能为光催化技术提供反应原料的同时，也解决了次氯酸的生成、贮存和运输问题，通过光催化氧化的作用将次氯酸分解，不仅能够产生羟基自由基进一步降解废水中的有机物，同时光催化氧化作用能够彻底解决次氯酸的二次污染问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。
本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。
图1为本发明1提供的联合利用光催化和电催化处理有机废水的装置结构示意图；
图中：100-电催化氧化反应装置；200-第一正极性电催化电极；300-负极性电催化电极；400-第二正极性电催化电极；500-电控装置；600-排水口；700-紫外线光源；800-光催化氧化反应装置。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本发明提供一种联合利用光催化和电催化处理有机废水的方法，该方法包括：
将含氯离子的有机废水进行电催化氧化反应，获得含有次氯酸的光电催化反应处理的有机废水，其中，含氯离子的有机废水中氯离子的浓度为2g/L；含氯离子的有机废水的电催化反应时间为0.5h。电催化氧化反应的阳极采用钛基涂层电极，阴极采用无涂层钛材或不锈钢，电催化氧化反应中，直流电源的电压为5V，正极和负极间的电流为500A。
将含有次氯酸的光电催化反应处理的有机废水经紫外线照射处理，有机废水的紫外线照射处理时间为0.7，获得含羟基自由基和氯自由基的有机废水，进一步去除有机废水的COD，获得净化后的废水。
净化后的废水COD去除率为87.26％。
实施例2
本发明提供一种联合利用光催化和电催化处理有机废水的方法，该方法包括：
将含氯离子的有机废水进行电催化氧化反应，获得含有次氯酸的光电催化反应处理的有机废水，其中，含氯离子的有机废水中氯离子的浓度为8g/L；含氯离子的有机废水的电催化反应时间为0.8h。电催化氧化反应的阳极采用钛基涂层电极，阴极采用无涂层钛材或不锈钢，电催化氧化反应中，直流电源的电压为8V，正极和负极间的电流为800A。
将含有次氯酸的光电催化反应处理的有机废水经紫外线照射处理，有机废水的紫外线照射处理时间为0.8h，获得含羟基自由基和氯自由基的有机废水，进一步去除有机废水的COD，获得净化后的废水。
净化后的废水的COD去除率为88.82％。
实施例3
本发明提供一种联合利用光催化和电催化处理有机废水的方法，该方法包括：
将含氯离子的有机废水进行电催化氧化反应，获得含有次氯酸的光电催化反应处理的有机废水，其中，含氯离子的有机废水中氯离子的浓度为15g/L；含氯离子的有机废水的电催化反应时间为1h。电催化氧化反应的阳极采用钛基涂层电极，阴极采用无涂层钛材或不锈钢，电催化氧化反应中，直流电源的电压为15V，正极和负极间的电流为1200A。
将含有次氯酸的光电催化反应处理的有机废水经紫外线照射处理，有机废水的紫外线照射处理时间为0.9h，获得含羟基自由基和氯自由基的有机废水，进一步去除有机废水的COD，获得净化后的废水。
净化后的废水COD除去率为：89.04％。
本发明的处理方法的光电协同作用机理为：
在反渗透浓水中往往存在大量氯离子，该反渗透浓水先进入到电催氧化氧化反应装置中，在电极催化反应作用下，阳极发生催化反应产生Cl2，反应过程如式(1)所示，Cl2进一步水解产生HClO，反应过程如公式(2)所示，这样反渗透浓水经电催化氧化反应后，获得含有次氯酸的光电催化反应处理的有机废水。
上述有机废水进一步经紫外线照射处理，有机废水中的HClO在吸收波长400nm以下的短波紫外线能量后，HClO分解为氯自由基(·Cl)和羟基自由基(·OH)如公式(3)所示，羟基自由基(·OH)的氧化电位2.80V远高于HClO的氧化电位1.49V，羟基自由基(·OH)是氧化能力更强的活性物质，使得有机物在相同反应时间内提高分解率。
同时，阴极的氧分子还原反应，如公式(4)所示，也可能生成H2O2，在反应液相中构成UV/H2O2体系增加使得废水中的羟基自由(·OH)产率提高。
2Cl－→Cl2+2e－ (1)
Cl2+H2O→HClO+HCl (2)
HOCl+hv→·OH+·Cl (3)
O2+2H2O+2e－→H2O2+2OH－ (4)
本发明的对废水的处理过程是将有机废水在电催化氧化和光催化氧化联合作用下，以一定光功率密度的紫外照射等为光源，构建电催化-光催化氧化联用体系，对反渗透浓水中有机物进行降解。
本发明采用电催化-光催化氧化体系降解废水中的有机物，废水中的氯离子在电催化作用下产生次氯酸，次氯酸为光催化提供原料，解决了次氯酸的生产成本和安全运输、储存的问题。提高了反渗透浓水中有机物的去除率，光催化氧化与电催化氧化在降解有机物方面形成互补的作用，部分电催化氧化技术难以去除的有机物在光催化中被有效降解，显著提高了污染物的降解效率。
如图1所示，本发明提供一种用于联合利用光催化和电催化处理有机废水的装置，该装置包括：
电催化氧化反应装置100，用于将含氯离子的有机废水进行电催化氧化反应，获得分解部分有机物，并反应产生含有次氯酸的光电催化反应处理的有机废水，电催化氧化反应装置100的直流电源的电压5-15V，电流500-1200A。
光催化氧化反应装置800，用于对含有次氯酸的光电催化反应处理的有机废水进行紫外线照射，使得次氯酸分解，获得含羟基自由基和氯自由基的有机废水，进一步分解废水中的有机物；电催化反应装置与光催化反应装置连通。
电催化反应装置至少包括第一正极性电催化电极200、第二正极性电催化电极400以及负极性电催化电极300。其中，正极性电催化电极采用钛基涂层电极，负极性电催化电极300采用无涂层钛材或不锈钢。第一正极性电催化电极200、第二正极性电催化电极400以及负极性电催化电极300，安装在电催化反应装置的壳体内。
光催化氧化反应装置800的紫外线光源700采用发光二极管，发光波长为小于400nm。其中，光照灯为发光二极管，发光二极管，耗电少，寿命长，且产生的波长小于400nm，能够提供充足的紫外光，该紫外线光源700光功率的光密度为150-400mW/cm2。
电催化-光催化联用降解反渗透浓水由进水口先进入电催化氧化反应装置100，电催化氧化反应装置100包括第一正极性电催化电极200、第二正极性电催化电极400以及负极性电催化电极300，含氯离子的有机废水经过电催化氧化反应装置100的底部进入溢流到下一级，有机废水在电催化氧化反应装置100内停留时间为0.5-1.5h，经过处理后的有机废水再进入到光催化反应装置内，处理后的废水在紫外光源的照射下进一步反应0.8h，最后有机废水由光催化氧化反应装置800的排水口600排出，电控装置500与电催化氧化反应装置100和光催化氧化装置连接，为紫外设备和电极供电。第一正极性电催化电极200和第二正极性电催化电极400为钛基涂层电极，即以钛材为基材，金属氧化物为表面涂层材料组成的电极；以及负极性电催化电极300为无涂层钛材或不锈钢。
试验实施例
本试验例是利用本发明的联合利用光催化和电催化处理有机废水的方法处理反渗透浓水中的氯离子浓度：2-15g/L。紫外线光源光功率密度为150-400mW/cm2。
采用污水处理厂反渗透设备产生的浓水进行降解实验，反渗透废水的初始COD值为350mg/L。本试验例采用光电催化联用装置和单独采用电催化进行实验，以对比实验效果，实验采用连续进水的方式，进水流量控制在1m3/h，含有机物废水在电催化氧化反应装置和光催化氧化反应装置的停留时间均控制为60min，每隔一段时间取出水测量其COD和余氯的值并取平均值，结果如表1所示，降解反渗透浓水实验结果表。
表1
如表1所示，从实验结果中可以看出，采用光电催化联用对反渗透浓水的去除率远高于单独采用电催化，这是由于在光催化的作用下，电催化产生的次氯酸分解被为羟基自由基以提高了废水的降解效率，并且同时也解决了单独采用电催化所导致的出水产生余氯二次污染的问题。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (10)
1.一种联合利用光催化和电催化处理有机废水的方法，其特征在于，所述方法包括：
将含氯离子的有机废水进行电催化氧化反应，获得含有次氯酸的光电催化反应处理的有机废水；
将所述含有次氯酸的光电催化反应处理的有机废水经紫外线照射处理，获得含羟基自由基和氯自由基的有机废水，利用其强氧化性进一步去除有机废水的COD，获得净化水。
2.如权利要求1所述的联合利用光催化和电催化处理有机废水的方法，其特征在于，
所述含氯离子的有机废水的电催化反应时间为0.5-1.5h。
3.如权利要求1所述的联合利用光催化和电催化处理有机废水的方法，其特征在于，
所述有机废水的紫外线照射处理时间为0.7-1.2h。
4.如权利要求1所述的联合利用光催化和电催化处理有机废水的方法，其特征在于，
所述含氯离子的有机废水中，氯离子的浓度为2-15g/L。
5.如权利要求1所述的联合利用光催化和电催化处理有机废水的方法，其特征在于，
所述电催化阳极采用钛基涂层电极，阴极采用无涂层钛材或不锈钢。
6.一种用于权利要求1-5中任一所述的方法的装置，其特征在于，所述装置包括：
电催化氧化反应装置，用于将含氯离子的有机废水进行电催化氧化反应，获得分解部分有机物，并反应产生含有次氯酸的光电催化反应处理的有机废水；
光催化氧化反应装置，用于对所述含有次氯酸的光电催化反应处理的有机废水进行紫外线照射，使得次氯酸分解，获得含羟基自由基和氯自由基的有机废水，进一步分解废水中的有机物；
所述电催化反应装置与所述光催化反应装置连通。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，
所述电催化反应装置至少包括第一正极性电催化电极、第二正极性电催化电极以及负极性电催化电极。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，
所述正极性电催化电极采用钛基涂层电极；
所述负极性电催化电极采用无涂层钛材或不锈钢。
9.如权利要求7所述的装置，其特征在于，
所述光催化氧化反应装置的紫外线光源采用发光二极管，发光波长为小于400nm。
10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，
所述紫外线光源光功率的光密度为150-400mW/cm2。
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