CN206203945U - 一种太阳能供电的高盐有机废水处理装置 - Google Patents

一种太阳能供电的高盐有机废水处理装置 Download PDF

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Abstract

本实用新型提供了一种太阳能供电的高盐有机废水处理装置，其特征在于包括：至少一个电化学氧化电解槽105；电容去离子脱盐装置110；太阳能供电装置103，其中，每个所述电解槽105包括电化学阳极202、电化学阴极206及槽体，所述电容去离子脱盐装置110包括至少一组电容去离子单元301，太阳能供电装置103，用于向电解槽105和电容去离子脱盐装置110提供电力，作为电解槽和电容去离子脱盐装置的直流电源。

Description

一种太阳能供电的高盐有机废水处理装置
技术领域
本实用新型涉及一种太阳能供电的高盐有机废水处理装置，属于环境保护领域的水处理技术。
背景技术
高含盐难降解有机废水，如焦化、制革、造纸、化工、食品和氯碱工业的废水及垃圾渗滤液，含有大量有毒害难降解有机污染物和无机盐,如Cl-,SO4 2-,Na+,Ca2+等离子,若未经处理或仅去除有机物，高盐有机物废水势必会对水体生物、工农业生产用水水质产生极大的影响。在水资源日益紧张、含盐废水排放量日益增多，寻求经济、高效的高盐有机废水处理技术极为重要。
利用传统的生化处理技术对高含盐难降解有机废水难以获得满意的处理效果。高盐度有机废水具有良好的电导率,因而采用电化学方法处理是一个合适的选择。利用电化学氧化过程所产生的自由基(如羟基自由基)或生成的氧化剂(如次氯酸)，可有效氧化降解水中有机污染物。此外，废水脱盐是高盐废水回用的必不可少环节，含盐量是工业废水回用主要限定指标之一，仅去除有机物不能满足高含盐有机废水的回用与排放标准。多效蒸发和基于膜的渗透技术的脱盐技术的高能耗限制其广泛应用。近年来发展的电容去离子(capacitive deionization，CDI)脱盐是一种新型水处理脱盐技术，具有高除盐率、低能耗、无需化学再生及抗污染能力强等优点。电容去离子技术的工作原理是建立在双电层电容理论之上，在电场作用下,溶液中的阳离子被吸附在负极表面,同时阴离子被吸附在正极表面,随着离子不断被吸附,溶液的离子浓度逐渐降低,从而实现溶液脱盐。
但电化学技术的主要问题是需要耗费大量电能，这成了制约相关技术开发的一个关键因素。此外，高含盐难降解有机废水的处理常常需要在野外进行，现场往往并不具备电力供应条件。再者，装置的紧凑化、便携化也是迫切的实际要求。
实用新型内容
根据本实用新型的一个方面，提供了一种太阳能供电的高盐有机废水处理装置，其特征在于包括：
至少一个电化学氧化电解槽，
电容去离子脱盐装置，
太阳能供电装置，
其中，
每个所述电解槽包括电化学阳极、电化学阴极及槽体，
所述电容去离子脱盐装置包括至少一组电容去离子单元，
所述太阳能供电装置用于向电解槽和电容去离子脱盐装置提供直流电力，作为电解槽和电容去离子脱盐装置的直流电源。
附图说明
图1是根据本实用新型的一个实施例的太阳能供电的电化学氧化-电容去离子脱盐耦合装置图。
图2是根据本实用新型的一个实施例的“零极距”的固态电解质电解槽装置示意图。
图3是根据本实用新型的一个实施例的电容去离子装置示意图。
具体实施方式
针对现有技术的问题，本发明人通过深入研究认识到，利用太阳能供电装置为电容去离子(CDI)脱盐装置提供电力支持，并把废水电氧化技术与电容去离子脱盐技术联用，即太阳能供电的电化学氧化-电容去离子脱盐耦合技术，可同时实现对高盐难降解有机废水的有机物去除和脱盐。本实用新型的该技术方案能够大幅降低高盐难降解有机废水的处理成本、缩短处理时间以及减少二次污染，其尤其适用于缺乏电力供应的现场环境，并在装置的紧凑化和便携化方面有了实质的改进。
本实用新型的目的在于设计一种新型的低能耗的高盐难降解有机废水电化学处理装置，解决难降解有机物的有效去除与脱盐的同步处理问题。
为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：
如图1所示，根据本实用新型的一个实施例的太阳能供电的高盐有机废水处理装置包括废水预处理装置、一个或多个电化学氧化电解槽105、电容去离子装置110和太阳能供电装置103。太阳能供电装置103作为电化学氧化电解槽和电容去离子脱盐装置的直流电源，其电力输出端连接到电化学氧化电解槽105和电容去离子脱盐装置110，以提供电化学氧化电解槽105和电容去离子脱盐装置110的运行所需的电力。
在一个具体实施例中，所述废水预处理装置是一个预处理水槽101，其用于处理水中不溶解性悬浮颗粒物，避免对后续处理装置的污损；所述预处理装置的进水100是待处理废水，所述预处理装置的出水连通到电化学氧化电解槽105。在一个具体实施例中，集水槽101与电化学氧化电解槽105之间设置有第一水泵102，如图1所示。
所述废水预处理装置的下游设置有至少一个电化学氧化电解槽105；当设置有两个或更多电解槽105时，电解槽105彼此并联设置。
电解槽105可以为开放式电解槽或封闭式电解槽。
根据本实用新型的一个实施例，每个电解槽105包括电化学阳极202、电化学阴极206及槽体(未显示)。
根据本实用新型的一个实施例，电化学阳极202是钛、钼基耐电化学腐蚀的尺寸稳定阳极。
在本实用新型的一个具体实施例中，电化学阳极202包括：基底，其以钛或钼基材料的多孔(或无孔)板和/或(拉)丝网制成；以及，覆盖在基底上的金属氧化物电催化涂层。
在根据本实用新型的实施例中，所述金属氧化物电催化涂层是从Ti/RuO2，Ti/SnO2-Sb2O3，Ti/Nb2O5-SnO2，Ti/PbO2，Ti/IrO2中选出的一种的涂层，且该涂层采用热解、电沉积、溶胶-凝胶等制备方法中选出的一种方法制备而成。
在本实用新型的一个具体实施例中，电化学阴极206包括以镍或不锈钢作为基材的多孔板、无孔板、金属网，或者为碳布、碳纸、石墨纤维膜或碳膜等碳基底材料的多孔板、无孔板、网，并负载Pt/C、碳纳米管、或Ni、Raney Ni、Ni-S、Ni-Mo、或者Ni-Mo-S的纳米粉体催化剂。
根据本实用新型的一个实施例，在电解槽105的电化学阳极202与电化学阴极206之间设置有离子交换膜，如图2所示。
如图2所示，当电解槽105中设置有离子交换膜205时，在本实用新型的一个实施例中，利用第一和第二电解槽端板201、231将电化学阳极202、离子交换膜205和电化学阴极206压紧，形成“零极距”的固态电解质电解槽。其中，在第一电解槽端板201与电化学阳极202之间形成有阳极室104，其具有阳极进水口211和阳极出水口212。在第二电解槽端板231与电化学阴极206之间形成有阴极室207，其具有阴极进水口213和阴极出水口214。
在本实用新型的实施例中，所述离子交换膜205可以是质子交换膜(如Nafion膜)或阴离子交换膜。
在根据本实用新型的一个实施例的、基于上述太阳能供电的高盐有机废水处理装置的废水处理过程中，预处理过的废水以0.01-0.20ml/cm2·min的流速，通过阳极进水口211和阴极进水口213连续分别进入所述电解槽105的阳极室202和阴极室207，在通过阳极集流体208和阴极集流体209施加的外接直流电(2-4V)作用下以恒流充电模式进行电解；电化学阳极202在5-50mA/cm2的电流密度下，阳极202上的金属氧化物电催化覆层的表面产生包括羟基自由基、氯气和臭氧的氧化剂，废水中溶解性有机污染物及氨氮在所述电化学阳极表面发生氧化，使难降解有机物得到矿化降解，氨氮得到硝化。
废水经所述电解槽105的电化学氧化处理后，分别经阳极出水口212和阴极出水口214流出电解槽105，进入电容去离子脱盐装置110。
根据本实用新型的一个实施例的电容去离子脱盐装置110包括多组电容去离子单元301，每个电容去离子单元并联运行。
根据如图3所示的本实用新型的实施例，每个电容去离子单元301包括依次设置的第一端板302、第一垫片303、第一集流体304、碳基电容第一电极305、第一隔膜306、第三垫片307、第二隔膜316、碳基电容第二电极315、第二集流体314、第二垫片313、第二端板312。其中，第三垫片307是中空的，其内部空间形成了脱盐室。
根据本实用新型的一个实施例，所述第一和第二端板302和312为非导电材料，用于支撑电容去离子装置；所述第一和第二集流体304和314(包含极耳321和322)用于汇集电流，为耐电化学腐蚀材料制成，如铜、铝、钛箔或石墨片；所述第一集流体304与碳基电容第一电极305充分接触；所述第二集流体314与碳基电容第二电极315充分接触。
根据本实用新型的一个实施例，所述碳基电容第一电极305和碳基电容第二电极315由高比表面(100-1000m2/g)活性炭(或电容炭)、导电炭黑以及粘结剂按一定的配比(质量比8:1:1)混合后，经高温(300℃)加热后，热压成1mm厚碳膜而成；根据一个具体实施例，所述粘结剂为从聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚乙烯醇和羧甲基纤维素钠中选出的一种。
根据本实用新型的替代实施例，所述碳基电容第一电极305和碳基电容第二电极315也可由高比表面(400-1100m2/g)、高电导率(10-100S/cm)碳气凝胶构成，
根据本实用新型的可选实施例，为增加所述碳基电容第一电极305和碳基电容第二电极315的导电性，可修饰碳纳米管、石墨烯等导电碳材料。
根据本实用新型的一个实施例，所述第一隔膜306和第二隔膜316为亲水性多孔膜材料，例如无纺布、玻璃纤维等。
根据本实用新型的一个实施例，所述第一垫片303、第二垫片313、第三垫片307用于密封碳基电容第一电极305和碳基电容第二电极315，并把碳基电容第一电极305与碳基电容第二电极315的间距控制在1-3mm的范围内。
电容去离子脱盐装置110采用连续流运行方式，不间断地将来自电化学氧化装置的一个或多个电化学氧化电解槽105的出水，通过中空的第三垫片307上的进水口308，引入中空的第三垫片307内部的脱盐室，并把在脱盐室中处理之后的水从第三垫片307上的出水口309引出，而作为电容去离子脱盐装置110的出水；通过向碳基电容第一电极305与碳基电容第二电极315施加1.0-1.5V直流电进行电容吸附去离子，此时把电容去离子脱盐装置110的出水作为脱盐水111输出；当所述电容去离子脱盐装置110的出水的电导率不断由低升高并接近进水的电导率时，停止向电容去离子脱盐装置110的供电，短接或反向接通直流电于电容去离子脱盐装置碳基电容第一电极305和碳基电容第二电极315两极，释放电容吸附离子，此时把电容去离子脱盐装置110的出水作为浓盐水112输出；当所述电容去离子脱盐装置110的出水电导率由高不断降低至进水电导率时，再次接通1.0-1.5V直流电，开始进行脱盐；所述电容去离子脱盐装置110周而复始，往复运行。
所述电容去离子脱盐装置110中，可以在碳基电容第一电极305和碳基电容第二电极315之间增加一组阳离子331和阴离子交换膜332，构成了膜电容去离子(MCDI)脱盐装置；所述MCDI阳离子和阴离子交换膜之间可添加导电树脂和活性炭等填料，以增加脱盐和电流效率。
太阳能供电装置103用于向电解槽和电容去离子脱盐装置供电；利用可再生的太阳能作为电解槽和电容去离子脱盐装置的电源，可无需交流-直流的转换，提高了电能利用率。
根据本实用新型的一个可选实施例，为了保证电解槽105和电容去离子脱盐装置110的稳定运行，设置了蓄电池113，以储存多余的电能，并在缺乏阳光的时段提供装置运行所需的电力。
蓄电池113连接到太阳能供电装置103以接收和储存太阳能供电装置103产生的多余电能，并连接到电化学氧化电解槽105和电容去离子脱盐装置110，在缺乏阳光的时段提供电化学氧化电解槽105和电容去离子脱盐装置110的运行所需的电力。

Claims (8)

1.一种太阳能供电的高盐有机废水处理装置，其特征在于包括：
至少一个电化学氧化电解槽(105)，
电容去离子脱盐装置(110)，
太阳能供电装置(103)，
其中，
每个所述电化学氧化电解槽(105)包括电化学阳极(202)、电化学阴极(206)及槽体，
所述电容去离子脱盐装置(110)包括至少一组电容去离子单元(301)，
所述太阳能供电装置(103)作为电化学氧化电解槽和电容去离子脱盐装置的直流电源，其电力输出端连接到电化学氧化电解槽(105)和电容去离子脱盐装置(110)。
2.根据权利要求1所述的太阳能供电的高盐有机废水处理装置，其特征在于：
每个所述电容去离子单元(301)包括依次设置的用于起支撑作用的第一端板(302)、第一垫片(303)、用于汇集电流的第一集流体(304)、碳基电容第一电极(305)、第一隔膜(306)、带有脱盐室的第三垫片(307)、第二隔膜(316)、碳基电容第二电极(315)、用于汇集电流的第二集流体(314)、第二垫片(313)、起支撑作用的第二端板(312)，
每个所述电化学氧化电解槽(105)进一步包括：
设置在所述电化学阳极(202)和所述电化学阴极(206)之间的离子交换膜(205)，
第一电解槽端板(201)和第二电解槽端板(231)，用于将电化学阳极(202)、第一硅胶密封圈(203)、离子交换膜(205)、第二硅胶密封圈(204)和电化学阴极(206)压紧，形成紧凑型的固态电解质电解槽，
形成在第一电解槽端板(201)与电化学阳极(202)之间的阳极室(104)，其具有阳极进水口(211)和阳极出水口(212)，
形成在第二电解槽端板(231)与电化学阴极(206)之间的阴极室(106)，其具有阴极进水口(213)和阴极出水口(214)。
3.根据权利要求2所述的太阳能供电的高盐有机废水处理装置，其特征在于：
电化学阳极(202)包括：
以从钛和钼基材料中选出的一种材料制成的基底，其具有从多 孔板、无孔板、丝网中选出的一种形式；以及
覆盖在基底上的金属氧化物电催化涂层，
电化学阴极(206)具有从以下形式中选出的一种形式：
以从镍和不锈钢中选出的一种材料作为基材的多孔板、无孔板、金属网，以及
以从碳布、碳纸、石墨纤维膜、碳膜中选出的一种材料作为基底材料的多孔板、无孔板、网。
4.根据权利要求2所述的太阳能供电的高盐有机废水处理装置，其特征在于：
所述第一集流体(304)包括第一极耳(321)，第二集流体(314)包括第二极耳(322)，
所述第一集流体(304)与碳基电容第一电极(305)紧密接触，
所述第二集流体(314)与碳基电容第二电极(315)紧密接触。
5.根据权利要求2-4之一所述的太阳能供电的高盐有机废水处理装置，其特征在于：
第一垫片(303)、第二垫片(313)、第三垫片(307)对碳基电容第一电极(305)和碳基电容第二电极(315)形成密封，并把碳基电容第一电极(305)与碳基电容第二电极(315)的间距限制在1-3mm的范围内。
6.根据权利要求2-4之一所述的太阳能供电的高盐有机废水处理装置，其特征在于：
所述太阳能供电的高盐有机废水处理装置进一步包括连接在所述至少一个电化学氧化电解槽(105)的上游的废水预处理装置。
7.根据权利要求2-4之一所述的太阳能供电的高盐有机废水处理装置，其特征在于：
所述太阳能供电的高盐有机废水处理装置包括多个并联设置的电化学氧化电解槽(105)，
电容去离子脱盐装置(110)包括多组并联设置的电容去离子单元(301)，且
所述电容去离子脱盐装置(110)进一步包括设置在碳基电容第一电极(305)和碳基电容第二电极(315)之间的阳离子交换膜(331)和阴离子交换膜(332)，构成了膜电容去离子脱盐装置，
所述阳离子交换膜和阴离子交换膜之间添加有填料，该填料是从导电树脂和活性炭中选出的至少一种材料。
8.根据权利要求2-4之一所述的太阳能供电的高盐有机废水处理装 置，其特征在于进一步包括：
蓄电池(113)，其连接到太阳能供电装置(103)以接收和储存太阳能供电装置(103)产生的多余电能，并连接到电化学氧化电解槽(105)和电容去离子脱盐装置(110)，在缺乏阳光的时段提供电化学氧化电解槽(105)和电容去离子脱盐装置(110)的运行所需的电力。
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