CN115849522B

CN115849522B - 基于筛分式集流体的流动阳极电化学污水处理装置及工艺

Info

Publication number: CN115849522B
Application number: CN202310179565.XA
Authority: CN
Inventors: 祖道远; 马金星; 杨奎; 何佳洲; 徐润生; 何頔; 杨志峰
Original assignee: Guangdong University of Technology
Current assignee: Guangdong University of Technology
Priority date: 2023-03-01
Filing date: 2023-03-01
Publication date: 2023-05-12
Anticipated expiration: 2043-03-01
Also published as: US20240294407A1; CN115849522A

Abstract

本发明提出了一种基于筛分式集流体的流动阳极电化学污水处理装置及工艺，所述污水处理装置包括：外壳，内部为腔体结构，所述外壳上设置有分别与所述腔体结构相连通的进水口和出水口；筛分式集流体结构，所述筛分式集流体结构包括筛分式阳极集流体和阴极集流体，筛分式阳极集流体和阴极集流体之间设置有阴阳极分隔物，筛分式阳极集流体和阴极集流体与外电路相连接；阳极池和阴极池，所述阳极池和阴极池通过所述筛分式集流体结构将腔体结构划分而成，所述阳极池和阴极池内均设置有电解液；以及流动阳极，悬浮设置在所述阳极池内。本发明利用水在流动阳极上单电子转移生成的吸附态羟基氧化降解污染物，实现了污染物的高效氧化降解。

Description

基于筛分式集流体的流动阳极电化学污水处理装置及工艺

技术领域

本发明涉及污水处理技术领域，尤其是涉及一种基于筛分式集流体的流动阳极电化学污水处理装置及工艺。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

伴随着工业化进程不断推进以及人口规模持续增加，水资源短缺问题日益凸显。在总体水资源难以增长的前提下，开发高效的污水深度处理与回用技术，以实现水资源的循环使用是人类发展的必由之路。电化学高级氧化技术不需要添加额外化学试剂，可以直接电解水产生强氧化性的羟基自由基（^•OH），被认为最绿色环保的水处理技术之一。由于电解水产羟基自由基的过程中需要阳极保持较高的电位（公式1），不仅造成了净水能耗的显著增加，同时还会促进水中电子转移产氧气的竞争反应，降低电流效率，阻碍电化学高级氧化技术的工业化发展。因此，亟需研发高效、低耗的电化学水处理与再生回用技术。

（1）

使用高析氧电位阳极能够显著减少电解水产氧气反应的发生，促进羟基自由基的生成。黎学明等人公布了一种高析氧电位二氧化锡电极（申请号：CN202110101040.5），该电极在电化学氧化过程中趋向产生更多的羟基自由基（^•OH），从而提高电极的催化氧化能力和电流效率，实现对苯酚的高效去除。赵国华等人公布了一种处理含氟有机废水的高析氧电位电极的制备方法（申请号：CN201010533729.7），该电极析氧电位达到2.4 V以上，电极氧化能力强并且效率高，能够将难生化与氧化的含氟芳香烃类有机污染物高效降解。虽然使用高析氧电位阳极能够提高电流效率，增强电催化氧化活性，然而也面临着阳极在高电极电位运行下高能耗、寿命短的问题。

通过解析水在阳极单电子转移产生羟基自由基的路径，该路径包括两个基元反应（公式（2）-公式（3））。其中，水在电极表面发生O-H断键形成吸附态羟基（^*OH）所需要的电极电位远低于游离态羟基自由基（^•OH）。

（2）

（3）

此外，已有的研究表明吸附态羟基（^*OH）同样具有氧化多种有机污染物的潜力。然而，传统的平板式电极由于边界层（~100μm）的存在，其电极周围的污染物传质效率极大降低，不利于吸附态羟基自由基（^*OH）的利用。而已公布的三维电极，其特征是在颗粒电极表面形成偶极子以促进污染物降解，但由于该过程未实现单极极化，吸附态氧化剂与电子的复配能力强，未曾有关于^*OH的报道与技术发明公开。因此，开发基于吸附态羟基（^*OH）的电化学高级氧化技术是解决电化学氧化高能耗问题的关键。

发明内容

本发明提出一种基于筛分式集流体的流动阳极电化学污水处理装置及工艺，克服了现有的电化学高级氧化技术存在效率低下、高能耗、寿命短的问题。

本发明的技术方案是这样实现的：

基于筛分式集流体的流动阳极电化学污水处理装置，包括：

外壳，所述外壳的内部为腔体结构，所述外壳上设置有分别与所述腔体结构相连通的进水口和出水口，所述进水口用于通入待处理的污水，所述出水口用于对净化后的再生水排出；

筛分式集流体结构，所述筛分式集流体结构包括筛分式阳极集流体和阴极集流体，筛分式阳极集流体和阴极集流体之间设置有阴阳极分隔物，筛分式阳极集流体和阴极集流体与外电路相连接；

阳极池和阴极池，所述阳极池和阴极池通过所述筛分式集流体结构将腔体结构划分而成，所述阳极池和阴极池内均设置有电解液；以及

流动阳极，悬浮设置在所述阳极池内；通过对所述筛分式集流体结构施加单向阳极偏压，实现与所述筛分式集流体结构接触的流动阳极极化，进一步在低电压情况下流动阳极表面发生水氧化反应生成吸附态羟基，以使流动阳极在筛分式集流体结构表面进行过滤式“固-液”分离时，形成微粒空间堆叠效应，实现污染物的高效去除以及流动阳极的有效截留。

进一步优化技术方案，所述电化学污水处理装置为套管式装置，所述阴阳极分隔物和阴极集流体依次卷在筛分式阳极集流体外侧。

进一步优化技术方案，所述电化学污水处理装置为平板式装置，所述筛分式阳极集流体、阴极集流体以及阴阳极分隔物平行卡装设置在所述外壳的内部。

进一步优化技术方案，所述筛分式阳极集流体具有多孔结构，且孔径小于流动阳极的孔径。

进一步优化技术方案，还包括：

阳极接线柱，所述阳极接线柱与所述筛分式阳极集流体相连接并伸出所述外壳；以及

阴极接线柱，所述阴极接线柱与所述阴极集流体相连接并伸出所述外壳；通过所述阳极接线柱以及所述阴极接线柱将所述筛分式阳极集流体和所述阴极集流体与外电路相连接。

进一步优化技术方案，所述筛分式阳极集流体的材质为SnO₂-Sb、PbO₂、柔性碳材料、铂网、IrTa或IrRu。

进一步优化技术方案，所述阴极集流体的材质为钛网、铂网或不锈钢网。

进一步优化技术方案，所述流动阳极的材质为金属氧化物、碳材料或复合材料，且粒径范围为0.1-1000 μm。

基于筛分式集流体的流动阳极电化学污水处理工艺，所述工艺基于项所述的基于筛分式集流体的流动阳极电化学污水处理装置进行，包括以下步骤：

从进水口通入污水，开动搅拌保持阳极材料悬浮；

对所述筛分式集流体结构施加单向阳极偏压，实现与所述筛分式集流体结构接触的流动阳极极化，进一步在低电压情况下流动阳极表面发生水氧化反应生成吸附态羟基，以使流动阳极在筛分式集流体结构表面进行过滤式“固-液”分离时，形成微粒空间堆叠效应，实现污染物的高效去除以及流动阳极的有效截留；

净化后的再生水从出水口排出。

进一步优化技术方案，还包括以下任意一项或多项技术特征：

A、施加的阳极电位为0.5-2.0 V vs 标准氢电极电势；

B、所述基于筛分式集流体的流动阳极电化学污水处理装置采用连续流模式运行，筛分式阳极集流体的产水通量为0-1 m³/m²/h；

C、通过磁力搅拌或机械搅拌的方式保证流动阳极悬浮于电解液中，搅拌速率为100-250 rpm。

采用了上述技术方案，本发明的有益效果为：

1、本发明提供的基于筛分式集流体的流动阳极电化学污水处理装置，利用水在流动阳极上单电子转移生成的吸附态羟基（^*OH）氧化降解污染物，解决了传统平板式电氧化装置边界层传质效率低下问题，实现了污染物的高效氧化降解。与传统羟基自由基（^•OH）主导的电氧化污水处理技术相比，该工艺活性物种吸附态羟基所需的反应电位较低，因此能够显著降低阳极电极电位，减少能耗。

2、本发明提供的基于筛分式集流体的流动阳极电化学污水处理装置，筛分式阳极集流体具有多孔结构，实现了流动电极电氧化污水处理装置的结构革新，采用孔径小于流动阳极的筛分式阳极集流体，在不使用离子交换膜为阳极集流体与阴极集流体分隔物的基础上，实现了对流动电极的有效截留以及污水的高效渗透，而流动阳极在多孔筛分式集流体表面进行过滤式“固-液”分离时，形成微粒空间堆叠效应，显著提升近集流体表面的电极质量浓度，并进一步提升^*OH氧化污染物的效能。

3、本发明提供的基于筛分式集流体的流动阳极电化学污水处理装置，结构简单，生产成本低，维护管理方便。使用该装置处理污水，工艺流程简便，污染物去除效率高，能够适用于大规模污水处理。

4、本发明提供的基于筛分式集流体的流动阳极电化学污水处理工艺，在对污水进行处理时，对所述筛分式集流体结构施加单向阳极偏压，实现与所述筛分式集流体结构接触的流动阳极极化，进一步在低电压情况下流动阳极表面发生水氧化反应生成吸附态羟基，以使流动阳极在筛分式集流体结构表面进行过滤式“固-液”分离时，形成微粒空间堆叠效应，实现污染物的高效去除以及流动阳极的有效截留。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种基于筛分式集流体的流动阳极电化学污水处理装置为套管式装置时的结构示意图。

图2为本发明一种基于筛分式集流体的流动阳极电化学污水处理装置为平板式装置时的结构示意图。

图3为实施例4和实施例5中所述卡马西平的去除率。

其中：1、底座，2、螺钉，3、出水口，4、外壳，5、螺母，6、顶盖，7、阳极接线柱，8、阴极接线柱，9、进水口，10、阴极集流体，11、阴阳极分隔物，12、筛分式阳极集流体，13、阳极池，14、阴极池。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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作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

一种基于筛分式集流体的流动阳极电化学污水处理装置，结合图1所示，包括外壳4、筛分式集流体结构、阳极池13、阴极池14、流动阳极。

外壳4的内部为腔体结构，外壳4上设置有分别与腔体结构相连通的进水口9和出水口3，进水口9用于通入待处理的污水，出水口3用于对净化后的再生水排出。

筛分式集流体结构包括筛分式阳极集流体12和阴极集流体10，筛分式阳极集流体12和阴极集流体10之间设置有阴阳极分隔物11，筛分式阳极集流体12和阴极集流体10与外电路相连接。

阳极池13和阴极池14通过筛分式集流体结构将腔体结构划分而成，阳极池13和阴极池14内均设置有电解液。

流动阳极悬浮设置在阳极池13内。

上述一种基于筛分式集流体的流动阳极电化学污水处理装置，通过对筛分式集流体结构施加单向阳极偏压，实现与筛分式集流体结构接触的流动阳极极化，进一步在低电压情况下流动阳极表面发生水氧化反应生成吸附态羟基（^*OH）；由于流动阳极表面传质过程极大加强，因此界面氧化剂^*OH可与污染物高效反应，而流动阳极在多孔筛分式集流体表面进行过滤式“固-液”分离时，形成微粒空间堆叠效应，显著提升近集流体表面的电极质量浓度，并进一步提升^*OH氧化污染物的效能，实现污染物的高效去除以及流动阳极的有效截留。

本发明根据集流体构造形成的差异分为套管式与平板式。本实施例中的电化学污水处理装置为套管式装置，阴阳极分隔物11和阴极集流体10依次卷在筛分式阳极集流体12外侧。套管式装置还包括底座1、螺钉2、螺母5、顶盖6。外壳4为圆筒状，底座1和顶盖6为圆板状结构，底座1和顶盖6之间穿设有若干螺钉2并通过螺母5进行固定。

筛分式阳极集流体12具有多孔结构，且孔径小于流动阳极的孔径。本发明实现了流动电极电氧化污水处理装置的结构革新，采用孔径小于流动阳极的筛分式阳极集流体，在不使用离子交换膜为阳极集流体与阴极集流体分隔物的基础上，实现了对流动电极的有效截留以及污水的高效渗透，而流动阳极在多孔筛分式集流体表面进行过滤式“固-液”分离时，形成微粒空间堆叠效应，显著提升近集流体表面的电极质量浓度，并进一步提升^*OH氧化污染物的效能。

本发明还包括阳极接线柱7以及阴极接线柱8。阳极接线柱7与筛分式阳极集流体12相连接并伸出外壳。阴极接线柱8与阴极集流体10相连接并伸出外壳。通过阳极接线柱7以及阴极接线柱8将筛分式阳极集流体12和阴极集流体10与外电路相连接。

筛分式阳极集流体12的材质包括但不仅限于SnO₂-Sb、PbO₂、柔性碳材料、铂网、IrTa或IrRu。

阴极集流体10的材质包括但不仅限于钛网、铂网或不锈钢网。

流动阳极的材质包括但不仅限于金属氧化物、碳材料或复合材料，且粒径范围为0.1-1000 μm。

实施例2

本实施例公开了一种基于筛分式集流体的流动阳极电化学污水处理装置，结合图2所示，与实施例1的不同之处在于本实施例电化学污水处理装置为平板式装置，筛分式阳极集流体12、阴极集流体10以及阴阳极分隔物11通过卡槽平行卡装设置在外壳4的内部，卡槽之间的间隔为0.05-0.5 cm。本实施例中的外壳4为矩形状，进水口9开设在外壳4的一侧面上，出水口3开设在外壳4的另一侧面上。

实施例3

在实施例1或实施例2的基础上，本实施例公开了一种基于筛分式集流体的流动阳极电化学污水处理工艺，该工艺基于一种基于筛分式集流体的流动阳极电化学污水处理装置进行，包括以下步骤：

从进水口9通入污水，阳极池13内添加流动阳极材料，开动搅拌保持阳极材料悬浮。通过磁力搅拌或机械搅拌的方式保证流动阳极悬浮于电解液中，搅拌速率为100-250rpm。

对筛分式集流体结构施加单向阳极偏压，实现与筛分式集流体结构接触的流动阳极极化。施加的阳极电位为0.5-2.0 V vs 标准氢电极电势（SHE），可由包括但不仅限于稳压电源、恒电位仪、电化学工作站提供。进一步在低电压情况下流动阳极表面发生水氧化反应生成吸附态羟基，以使流动阳极在筛分式集流体结构表面进行过滤式“固-液”分离时，形成微粒空间堆叠效应，实现污染物的高效去除以及流动阳极的有效截留。

净化后的再生水从出水口排出。

基于筛分式集流体的流动阳极电化学污水处理装置采用连续流模式运行，筛分式阳极集流体12的产水通量为0-1 m³/m²/h。

实施例4

在实施例1的基础上，本实施例公开了套管式装置电化学氧化处理典型有机污染物卡马西平性能的具体实施方式，具体实验步骤如下：

以多孔Ti/SnO₂-Sb电极为阳极集流体，100目钛网为阴极集流体，与标准银/氯化银参比电极构成三电极体系，阳极集流体与阴极集流体用塑料网分隔。所构建的阳极池总体积为100 mL，向阳极池内加入5.0 g的过500目筛网的Ti₄O₇颗粒作为流动电极，以2 mLmin^-1的流速从进水口通入含有卡马西平的污水。采用磁力搅拌保证反应过程中阳极池内流动电极均匀悬浮，搅拌速度为500 rpm。将阳极集流体和阴极集流体与稳压工作电源接通，通过记录阳极电位调整稳压工作电源的电压输入，从而保证阳极电位为1.5 V vs SHE，从出水口取处理后污水，测定卡马西平去除率。

实施例5

在实施例2的基础上，本实施例公开了平板式装置电化学氧化处理典型有机污染物卡马西平性能，具体实验步骤如下：

以Ti/SnO₂-Sb电极为阳极集流体，100目钛网为阴极集流体，与标准银/氯化银参比电极构成三电极体系，阳极集流体与阴极集流体用塑料网分隔。所构建的阳极池总体积为100 mL，向阳极池内加入5.0 g的过500目筛网的Ti₄O₇颗粒作为流动电极，以2 ml min^-1的流速从进水口通入含有卡马西平的污水。采用磁力搅拌保证反应过程中阳极池内流动电极均匀悬浮，搅拌速度为500 rpm。将阳极集流体和阴极集流体与稳压工作电源接通，通过记录阳极电位调整稳压工作电源的电压输入，从而保证阳极电位为1.5 V vs SHE，从出水口取处理后污水，测定卡马西平去除率。

图3为实施例4和实施例5中所述卡马西平的去除率。由图3可知，在相同条件下，所述的套管式装置的卡马西平的去除率（98%）要高于平板式装置的卡马西平去除率（92.2%）。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡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保护范围之内。

Claims

1.基于筛分式集流体的流动阳极电化学污水处理装置，其特征在于，包括：

外壳（4），所述外壳（4）的内部为腔体结构，所述外壳（4）上设置有分别与所述腔体结构相连通的进水口（9）和出水口（3），所述进水口（9）用于通入待处理的污水，所述出水口（3）用于对净化后的再生水排出；

筛分式集流体结构，所述筛分式集流体结构包括筛分式阳极集流体（12）和阴极集流体（10），筛分式阳极集流体（12）和阴极集流体（10）之间设置有阴阳极分隔物（11），筛分式阳极集流体（12）和阴极集流体（10）与外电路相连接；

阳极池（13）和阴极池（14），所述阳极池（13）和阴极池（14）通过所述筛分式集流体结构将腔体结构划分而成，所述阳极池（13）和阴极池（14）内均设置有电解液；以及

流动阳极，悬浮设置在所述阳极池（13）内；通过对所述筛分式集流体结构施加单向阳极偏压，实现与所述筛分式集流体结构接触的流动阳极极化，进一步在低电压情况下流动阳极表面发生水氧化反应生成吸附态羟基，以使流动阳极在筛分式集流体结构表面进行过滤式“固-液”分离时，形成微粒空间堆叠效应，实现污染物的高效去除以及流动阳极的有效截留；

所述筛分式阳极集流体（12）具有多孔结构，且孔径小于流动阳极的粒径；所述流动阳极的粒径范围为0.1−1000 μm。

2.根据权利要求1所述的基于筛分式集流体的流动阳极电化学污水处理装置，其特征在于，所述电化学污水处理装置为套管式装置，所述阴阳极分隔物（11）和阴极集流体（10）依次卷在筛分式阳极集流体（12）外侧。

3.根据权利要求1所述的基于筛分式集流体的流动阳极电化学污水处理装置，其特征在于，所述电化学污水处理装置为平板式装置，所述筛分式阳极集流体（12）、阴极集流体（10）以及阴阳极分隔物（11）平行卡装设置在所述外壳（4）的内部。

4.根据权利要求1所述的基于筛分式集流体的流动阳极电化学污水处理装置，其特征在于，还包括：

阳极接线柱（7），所述阳极接线柱（7）与所述筛分式阳极集流体（12）相连接并伸出所述外壳；以及

阴极接线柱（8），所述阴极接线柱（8）与所述阴极集流体（10）相连接并伸出所述外壳；通过所述阳极接线柱（7）以及所述阴极接线柱（8）将所述筛分式阳极集流体（12）和所述阴极集流体（10）与外电路相连接。

5.根据权利要求1至4任意一项所述的基于筛分式集流体的流动阳极电化学污水处理装置，其特征在于，所述筛分式阳极集流体（12）的材质为SnO₂-Sb、PbO₂、柔性碳材料、铂网、IrTa或IrRu。

6.根据权利要求1至4任意一项所述的基于筛分式集流体的流动阳极电化学污水处理装置，其特征在于，所述阴极集流体（10）的材质为钛网、铂网或不锈钢网。

7.根据权利要求1至4任意一项所述的基于筛分式集流体的流动阳极电化学污水处理装置，其特征在于，所述流动阳极的材质为金属氧化物或碳材料。

8.基于筛分式集流体的流动阳极电化学污水处理工艺，其特征在于，所述工艺基于权利要求1至7任意一项所述的基于筛分式集流体的流动阳极电化学污水处理装置进行，包括以下步骤：

从进水口（9）通入污水，开动搅拌保持阳极材料悬浮；

净化后的再生水从出水口排出。

9.根据权利要求8所述的基于筛分式集流体的流动阳极电化学污水处理工艺，其特征在于，还包括以下任意一项或多项技术特征：

A、施加的阳极电位为0.5−2.0 V vs 标准氢电极电势；

B、所述基于筛分式集流体的流动阳极电化学污水处理装置采用连续流模式运行，筛分式阳极集流体（12）的产水通量为0−1 m³/m²/h；

C、通过磁力搅拌或机械搅拌的方式保证流动阳极悬浮于电解液中，搅拌速率为100−250 rpm。