CN201052979Y - 一种处理废水有机物的电化学装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种处理废水有机物的电化学装置，属于电化学技术领域。一种处理废水有机物的电化学装置，包括由直流电源供电的电解槽、污水入口、污水出口，其中，所述的电解槽为二个或二个以上电解槽单元构成，电解槽单元的空间排布方式为由下而上垂直迭放且相互连通，其电极由下而上呈正负交替迭加排布；所述的污水入口与最底层的电解槽底部连通，污水出口与设在最上层的电解槽单元的顶部连通，污水自底部最底层电解槽单元的正电极流经各电解槽单元后从污水出口排出，水流方向垂直于电极。提高了有机物的处理效率，降低了能耗和处理成本。此外，本装置结构简单，组装、维护和使用均十分方便。

Description

一种处理废水有机物的电化学装置

技术领域

本实用新型涉及一种处理废水有机物的电化学装置，属于电化学技术领域。

背景技术

随着工业的迅速发展，污水排放量日益增加。我国的年污水排放量已突破400亿吨，排放的污水大部分都是有机物含量很高的工业有机废水，污水中的有机物或则毒性很大，很难被微生物降解，或则十分稳定，很难被一般的化学方法破坏，采用吸附或膜过滤的方法则易造成有机物的二次污染。因此研究处理污水中有机物的新技术乃是当今水处理领域的一大课题，也是环境保护的当务之急。

大量的研究表明：电化学技术可以将毒性大和分子结构稳定的有机分子转化为可生物降解的物质，甚至被彻底氧化为CO₂和H₂O等简单的无机分子。但是，采用传统平板二维电极的电化学技术，很难满足实际水处理要求，因其存在面体比小、单位槽体处理量小、电流效率低，尤其是电导率低时，需要投入大量电解质，使处理成本提高等缺陷。

为克服二维电极的缺陷，一种被称为三维电极，又称粒子群电极的新型电化学技术已被提出，并引起了广大科技人员的极大兴趣。这是一种由粒状材料与平面电极接触构成的新型电极。无论是面体比，还是反应物质的传质效果和时空产率均比二维电极显著提高。但是，目前三维电极的水处理装置仍存在对污水中有机物的转化速度不够快的问题，有待于进一步改善，使其有更好的实用价值。

另外，在通常的装置中，两个三维电极垂直平行排布，水流方向与电极平行，影响有机分子在电极表面的整体碰撞反应的几率，而且正极析出的副产物(O₂)大多释放于大气中，被负极当作合成H₂O₂的反应物利用只是少部分，所以负极表面发生的主要反应是H⁺的电化学还原(析H₂)，影响了能量的有效利用率。

发明内容

本实用新型的目的在于：提供一种处理废水有机物的电化学装置。需要解决的技术问题是：如何提高污水中有机物在电极反应装置中的氧化降解速度。

本实用新型技术问题通过下述技术方案解决：一种处理废水有机物的电化学装置，包括由直流电源供电的电解槽、污水入口、污水出口，其中：

所述的电解槽为二个或二个以上电解槽单元构成，电解槽单元的空间排布方式为由下而上垂直迭放且相互连通，其电极由下而上呈正负交替迭加排布；

所述的污水入口与最底层的电解槽底部连通，污水出口与设在最上层的电解槽单元的顶部连通，污水自底部最底层电解槽单元的正电极流经各电解槽单元后从污水出口排出，水流方向垂直于电极。其工作原理是：污水由下而上通过装置中的各个电解槽单元进行处理，水流方向与电极相垂直，污水首先接触的是正电极。

在上述方案基础上，所述的电解槽单元由壳体、正极性三维电极、负极性三维电极和一个防止短路的多孔绝缘网或板组成，正极性三维电极位于负极性三维电极的下方，隔板置于两电极之中。

在上述方案基础上，所述的各电解槽单元分别与独立的直流电源的输出端口连接。

相邻的电解槽单元之间通过垫圈和紧固件密封连接，其中，紧固件可以是螺钉、螺栓、销钉、铆钉等。

在近污水入口设置一输氧口，促进污水在电解槽内氧化还原反应。

所述电解槽单元的外壳截面呈圆柱形或方形等。

本实用新型中构成三维电极的正极性和负极性的材料各不相同，正极性三维电极的主电极为多孔钛板，粒状材料为硅酸铝小珠；在其表面修饰析氧过电位高的过渡金属氧化物；负极性三维电极的主电极为镀Pb的钢网，粒状材料为经表面防水活化处理的炭粒。

其中，正极性三维电极的主电极是微多孔的钛板，表面镀复了InO₂-Ta₂O₅/SnO₂(Sb)-PbO₂的复合金属氧化物，粒子材料是粒状的硅胶或r-Al2O3、硅酸铝，表面担载了MnO₂-SnO₂(Sb)/PbO₂催化剂。

负极性三维电极的主电极是表面镀Pb的钢网，粒状材料为经表面防水活化处理的炭粒，如：采用石墨粉、活性炭和少量的PTFE经混合成型并烧结后制成的小珠。

由于主电极和粒子材料表面修饰的析氧过电位高的过渡金属复合氧化物(MO_X)作为催化剂，不仅有利于污水中的有机物(RH)在电极表面直接被电化学氧化，而且有利于表面生成·OH自由基，其反应机理是：

RH→氧化产物+ne          ①

MO_X+H₂O→MO_X[·OH]+H⁺+e  ②

·OH自由基是一种氧化性极强的物质，其氧化电位2.85V，比臭氧(2.07V)、H₂O₂(1.77V)高的多，故能与绝大多数的有机物发生氧化反应，使有机分子(RH)发生碳链裂变，最终降解为CO₂和H₂O等简单的无机分子：

RH+MO_X[·OH]→…→MO_X+CO₂+H₂O  ③

除此之外，电极表面还发生析氧的副反应：

2H₂O→O₂↑+4H⁺+4e  ④

负极性三维电极是现场电化学合成Fenton试剂(H₂O₂+Fe²⁺)的重要场所。正极析出的副产物氧气和溶液中的Fe³⁺离子(在污水处理前加入)，为合成Fenton试剂提供了基本的反应原料。如⑤⑥两式所示，O₂分子和Fe³⁺离子从三维电极表面获得电子(e)分别被还原为H₂O₂和Fe²⁺。由于炭粒经过了防水活化处理，增加了三相界面，有利于O₂的富集(吸附)和加速的电化学还原生成H₂O₂。为了增加H₂O₂的产量，在本实用新型的底部，近污水入口处设置一氧气入口，以补充一定量的氧气。

O₂+2H₂O+2e→2H₂O₂    ⑤

Fe³⁺+e→Fe²⁺         ⑥

生成Fe²⁺离子和H₂O₂的同时，它们之间迅速发生Feton反应，生成·OH自由基：

Fe²⁺+H₂O₂→Fe³⁺+OH^-+·OH  ⑦

紧接着·OH与有机分子发生氧化降解反应：

RH+·OH→…→CO₂+H₂O  ⑧

本实用新型的优越性在于：其结构与电极材料的设计对于提高能量利用效率和有机物的氧化降解速度是十分有益的，而且结构简单，组装、维护和使用也十分方便。

由上述可知，本实用新型对有机物分子的氧化降解作用是两个正、负极性三维电极的加和。负极性三维电极的贡献在于它能现场合成Fenton试剂。结构上这种垂直于污水流动方向的三维电极极大的增加了有效的反应面积和有机分子碰撞电极表面的反应几率及O₂的有效利用。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图

图2为电解槽单元的结构示意图

图中标号说明

装置-10

电解槽单元-1、2、3    密封圈-4    紧固件-5

污水入口-7            输氧口-6    水出口-8

直流电源-1’、2’、3’

其中，电解槽单元-2中：

外壳-21

正极性三维电极-22  微多孔的钛板-221    硅酸铝小珠-222

负极性三维电极-23  表面镀Pb的铜网-231  粒状材料-232

多孔绝缘隔板(网)--24

具体实施方式

如图1本实用新型的结构示意图和图2电解槽单元的结构示意图所示，本实用新型一种处理废水有机物的电化学装置10，包括由直流电源供电的电解槽、污水入口 7、污水出口8，其中，所述的电解槽由三个电解槽单元1、2、3构成，电解槽单元1、2、3的空间排布方式为由下而上垂直迭放且相互连通，其电极由下而上呈正负交替迭加排布；

所述的污水入口7和输氧口6与最底层的电解槽单元1底部连通，污水出口8与设在最上层的电解槽单元3的顶部连通，污水自底部最底层电解槽单元1的正电极流经各电解槽单元1、2、3后从污水出口8排出，水流方向垂直于电极。

各电解槽单元1、2、3之间的缝隙密封采用硅橡胶垫圈4并用螺丝5紧固。

每个电解槽1、2、3都有正极引线(+)和负极引线(-)，它们分别与独立的直流工作电源1’、2’、3’输出端口连接。

如图2电解槽单元2的结构示意图所示，电解槽单元2由外壳21、正极性三维电极22、负极性三维电极23和多孔绝缘隔板24组成。正极性三维电极22位于负极性三维电极23的下方，多孔绝缘隔板24置于两电极之中。外壳21呈圆柱形或方形，用塑料板制造。正极性三维电极22由主电极和粒子材料组成。负极性三维电极23由主电极和粒子材料组成。

电解槽单元1、2、3主负电极各自有相引的引线(+)(-)，与独立的直流电源1’、2’、3’的输出端口连接。

如图2所示，正极性三维电极22中的主电极是用微多孔的高纯钛板221作基体，经表面处理后涂覆InO₂-Ta₂O₅/SnO₂(Sb)-PbO₂的复合金属氧化物作为催化剂；粒子材料是用硅酸铝小珠222，如硅胶或r-Al₂O₃、硅酸铝作载体，经表面处理后表面担载了MnO₂-SnO₂(Sb)-PbO₂复合氧化物催化剂。其中，所述的SnO₂(Sb)-PbO₂复合氧化物是一类析氧过电位高、有利于·OH自由基生成的电催化材料。

如图2所示，负极性三维电极23中的主电极是表面镀Pb的钢网231，以减少析氢的反应电流，粒状材料为经表面防水活化处理的炭粒，本实施例中所述的粒状材料232是用石墨粉、活性炭和防水粘结剂PTFE(少量)混合、成型和烧结制成的的小珠，小珠的表面有较发达的三相界面，有利于O₂的吸附和电化学还原生成H₂O₂。

当污水进入图1所示的装置之前，应过滤除去水中的悬浮物，调节pH(2～3)，加入少量Fe³⁺离子，然后从污水入口7注入污水，污水则由下而上流经装置10内部的电解槽单元，以主电极面积计算为10-30mA/cm²，必要时由输氧口6补充适量的氧气。污水中的有机物经历①③⑧式所示的氧化降解之后，毒性大和分子结构稳定的有机物被转化为可生物降解的物质，甚至被彻底降解为CO₂和H₂O等简单的无机物。

本实用新型是一种对污水有机物处理效率高、处理成本低、结构简单，组装、维护和使用十分方便的污水处理装置。

Claims (8)

1.一种处理废水有机物的电化学装置，包括由直流电源供电的电解槽、污水入口、污水出口，其特征是：

所述的电解槽为二个或二个以上电解槽单元构成，电解槽单元的空间排布方式为由下而上垂直迭放且相互连通，其电极由下而上呈正负交替迭加排布；

所述的污水入口与最底层的电解槽底部连通，污水出口与设在最上层的电解槽单元的顶部连通，污水自底部最底层电解槽单元的正电极流经各电解槽单元后从污水出口排出，水流方向垂直于电极。

2.根据权利要求1所述的处理废水有机物的电化学装置，其特征是：所述的电解槽单元由壳体、正极性三维电极、负极性三维电极和一个防止短路的多孔绝缘网或板组成，正极性三维电极位于负极性三维电极的下方，隔板置于两电极之中。

3.根据权利要求1或2所述的处理废水有机物的电化学装置，其特征是：所述的各电解槽单元分别与独立的直流电源的输出端口连接。

4.根据权利要求1或2所述的处理废水有机物的电化学装置，其特征是：相邻的电解槽单元之间通过垫圈、紧固件密封连接。

5.根据权利要求1或2所述的处理废水有机物的电化学装置，其特征是：在近污水入口设置一输氧口。

6.根据权利要求2所述的处理废水有机物的电化学装置，其特征是：外壳截面呈圆柱形或方形。

7.根据权利要求2所述的处理废水有机物的电化学装置，其特征是：所述的电解槽单元之正极性三维电极由主电极和粒子材料组成，主电极是微多孔的钛板，表面涂复了InO₂-Ta₂O₅/SnO₂(Sb)-PbO₂的复合金属氧化物，粒子材料是粒状的硅胶或r-Al2O3、硅酸铝，表面承载了MnO₂-SnO₂(Sb)/PbO₂催化剂。

8.根据权利要求2所述的处理废水有机物的电化学装置，其特征是：所述的电解槽单元之负极性三维电极由主电极和粒子材料组成，主电极是表面镀Pb的铜网，粒状材料为经表面防水活化处理的炭粒。

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