CN209778546U - 一种新型三维电极水处理系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种新型三维电极水处理系统，经砂滤过滤器预处理的废水经第一水泵流入三维电极反应器，阳极竖立于三维电极反应器内，三维电极反应器侧壁为阴极，阳极与阴极分别与直流电源的正负极相连，粒子电极填充于阴、阳极之间，第一曝气装置设于三维电极反应器底部，紫外灯竖立于光催化反应器中，第二曝气装置设置于光催化反应器的底部，经电解处理的废水由过滤网流出并通过第二水泵流入光催化反应器，经紫外光催化降解的水由第三出水口流出。本实用新型的电能消耗较低、电流利用效率高，粒子电极选用按比例填充的绝缘粒子和导电粒子，绝缘粒子可解决三维电极反应器短路电流的问题，负载金属的石墨烯导电粒子可提高对废水的降解效果。

Description

一种新型三维电极水处理系统

技术领域

本实用新型涉及污水处理技术领域，具体涉及一种新型三维电极水处理系统。

背景技术

氯代有机物常用在除草剂、杀菌剂、染料的生产和使用过程中，处理氯代有机物的常规方法有生物降解、吸附以及高级氧化等，其中电化学氧化法由于反应设备简单、二次污染程度低等特点，在氯代有机物的处理降解中应用广泛，尤其三维电极技术具有传质效率高、处理效率高、能耗低等优点，已成为重要的电化学氧化技术。

三维电极是在二维电极的阴、阳极之间填充粒子状或碎屑状的工作电极材料，并使其中的粒子表面带电。现有的三维电极反应器结构以立方体形为主，如授权公告号CN205616601 U的实用新型专利公开了一种三维电极协同紫外光催化反应器，采用方形结构电解槽进行电化学法处理废水，电解槽尺寸为14cm×12cm×20cm；授权公告号CN103449563B的发明专利公开了可见光光电催化协同三维电极/电芬顿去除有机物方法，采用的也是长方体电解槽的三维电极构造，采用立方形结构的主要优点在于构造和加工方便，缺点是未考虑到水流动过程中的“死角”，从而导致电流效率和处理效果的降低。粒子电极的选择是三维电极技术研究的热点，如专利申请号201710035738.5公开了一种高岭土基三维电极的制备方法采用高岭土基粒子电极，CN103449563B专利中采用的是活性炭粒子电极，而与传统的粒子电极材料相比，石墨烯材料作为一种新型纳米材料，具有较大的比表面积、高导电、导热性以及丰富的孔隙结构等特征，与污染物的接触面积大，优异的导电性可降低能耗，可作为新型的三维粒子电极，但却未见应用。此外，授权公告号CN202508948U公开了用于水体杀菌的连续流过式三维电极和光催化联用反应装置，将三维电极和光催化联用进行杀菌，但是该专利未考虑到进水浊度对处理效果的影响，以及填充的粒子电极在曝气和水流条件下的损失问题。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种新型三维电极水处理系统，本新型三维电极水处理系统包含预处理系统、电解处理系统和有机污染物处理系统，污水处理系统较完善，净化效果显著，圆柱型三维电极反应器，使得反应更加均匀，提高处理效果和电流利用效率，粒子电极选用按比例填充的绝缘粒子和负载金属的石墨烯导电粒子，可解决三维电极反应器短路电流的问题，同时提高对废水的降解效果，阳极材料选用涂层钛电极，工作寿命长、电能消耗较低。

为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：一种新型三维电极水处理系统，包括预处理系统、电解处理系统和有机污染物处理系统，预处理系统包括砂滤过滤器，砂滤过滤器上设有第一进水口，废水由第一进水口流入砂滤过滤器，电解处理系统包括三维电极反应器、阳极、阴极、直流电源和粒子电极，经砂滤过滤器预处理的废水通过第一水泵流入三维电极反应器，阳极竖立于三维电极反应器内，三维电极反应器的侧壁为阴极，阳极与阴极分别与直流电源的正极和负极相连，粒子电极填充于阳极与阴极之间，有机污染物处理系统包括光催化反应器和紫外灯，紫外灯竖立于光催化反应器中，三维电极反应器上还设置有过滤网，经电解处理的废水由过滤网流出并通过第二水泵流入光催化反应器，光催化反应器上设置有第三出水口，经紫外光催化降解的水由第三出水口流出。

进一步地，所述的三维电极反应器的底部设置有第一曝气装置，所述光催化反应器的底部设置有第二曝气装置，所述第一曝气装置和第二曝气装置分别用于向三维电极反应器和光催化反应器内通入空气，以增加水中溶解氧，提高电解和光催化有机物污染物的效率。

进一步地，所述的砂滤过滤器为圆柱型过滤器，所述圆柱型过滤器的内腔中填充有滤料，所述第一进水口设置于所述圆柱型过滤器的下端，所述圆柱型过滤器的上端还设置有第一出水口，所述第一出水口与第一水泵的一端相连接。

进一步地，所述的三维电极反应器为圆柱型电解槽，所述圆柱型电解槽的上下端分别设置有第二出水口和第二进水口，所述第二进水口与第一水泵的另一端相连接，所述过滤网安装于第二出水口，且所述过滤网、第一曝气装置及第二曝气装置的孔径均小于粒子电极的直径，可防止粒子电极流出，所述第二出水口与第二水泵的一端相连接。

进一步地，所述的光催化反应器为圆柱型反应器，所述第三出水口设置于所述圆柱型反应器的上端，所述圆柱型反应器的下端还设置有第三进水口，所述第三进水口与第二水泵的另一端相连接。

进一步地，所述的光催化反应器的内壁还设置有光催化层，所述光催化层为TiO₂光催化层或TiO₂/CdS复合光催化层。

进一步地，所述的阳极采用涂层钛电极，所述的阴极为三维电极反应器的侧壁，采用不锈钢制作。

进一步地，所述的粒子电极由绝缘颗粒和导电颗粒组成，所述绝缘颗粒采用玻璃珠或石英砂，所述导电颗粒采用负载金属的石墨烯，所述负载金属的石墨烯所负载的金属为铁或钴或镍或锰，所述绝缘颗粒和导电颗粒的填充比例为1：1～3：1。

负载金属的石墨烯的制作方法，制作步骤为：

1）氧化石墨水溶液的配制：将氧化石墨研磨细化为颗粒状氧化石墨，将所述颗粒状氧化石墨与去离子水混合配制成2-6 mg/L氧化石墨水溶液；

2）氧化石墨水溶液的分散处理：将一定量的醇加入步骤1）所述的氧化石墨水溶液中，以获得一级混合液，将所述一级混合液通过机械搅拌和超声波震荡进行分散处理，以获得二级混合液；

3）石墨烯水凝胶的制备：将一定量的金属氧化物加入步骤2）所述的二级混合液中，以获得三级混合液，对所述三级混合液通过机械搅拌和超声波震荡进行分散处理，以获得四级混合液，将所述四级混合液置于反应釜中，并将反应釜置于温度t下保温T时间，待反应釜冷却后即可获得石墨烯水凝胶；

4）负载金属的石墨烯的制备：将步骤3）中制得的石墨烯水凝胶进行冷冻干燥处理，以获得负载金属的石墨烯。

进一步地，所述的金属氧化物为纳米四氧化三铁或纳米四氧化三钴或纳米氧化镍或纳米二氧化锰。

进一步地，所述的温度t为200-300℃，所述的T时间为36-48 h。

本实用新型具有以下有益效果：

1）本实用新型的三维电极反应器采用圆柱型结构相较于传统的立方型结构，可以克服水流动过程中的“死角”，使得反应更加均匀，提高处理效果和电流利用效率；

2）本实用新型的阳极材料选用涂层钛电极，耐腐蚀性强，工作寿命长，电能消耗较低；

3）本实用新型的粒子电极选用按比例填充的绝缘粒子和导电粒子，其中，绝缘粒子可解决三维电极反应器短路电流的问题，导电粒子采用高比表面积、高导电导热性的负载金属的石墨烯材料，相较于传统的粒子电极如活性炭、石墨和氧化铝等，对废水的降解效果有很大的提高；

4）本实用新型包含三层水处理系统，首先通过砂滤过滤器进行砂滤预处理，降低进水浊度，通过电解处理系统进行电解处理，可有效降解污水中的有机污染物及吸附沉淀重金属，有机污染物处理系统可通过紫外光催化降解污水中的有机污染物，同时第一曝气装置和第二曝气装置分别向三维电极反应器和光催化反应器供氧，可提高电解和光催化有机物污染物的效率，污水处理系统较完善，净化效果显著。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图。

其中的附图标记为：砂滤过滤器1、第一进水口1-1、第一出水口1-2、三维电极反应器2、第二出水口2-1、第二进水口2-2、阳极3、阴极4、直流电源5、粒子电极6、第一水泵7、光催化反应器8、第三出水口8-1、第三进水口8-2、紫外灯9、过滤网10、第二水泵11、第一曝气装置12、第二曝气装置13。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的实施例作进一步详细描述。

如图1所示，本发明的一种新型三维电极水处理系统，包括预处理系统、电解处理系统和有机污染物处理系统，预处理系统包括砂滤过滤器1，砂滤过滤器1上设有第一进水口1-1，废水由第一进水口1-1流入砂滤过滤器1，电解处理系统包括三维电极反应器2、阳极3、阴极4、直流电源5和粒子电极6，经砂滤过滤器1预处理的废水通过第一水泵7流入三维电极反应器2，阳极3竖立于三维电极反应器2内，三维电极反应器2的侧壁为阴极4，阳极3与阴极4分别与直流电源5的正极和负极相连，粒子电极6填充于阳极3与阴极4之间，有机污染物处理系统包括光催化反应器8和紫外灯9，紫外灯9竖立于光催化反应器8中，三维电极反应器2上还设置有过滤网10，经电解处理的废水由过滤网10流出并通过第二水泵11流入光催化反应器8，光催化反应器8上设置有第三出水口8-1，经紫外光催化降解的水由第三出水口8-1流出。

进一步地，三维电极反应器2的底部设置有第一曝气装置12，所述光催化反应器8的底部设置有第二曝气装置13，所述第一曝气装置12和第二曝气装置13分别用于向三维电极反应器2和光催化反应器8内通入空气，以增加水中溶解氧，提高电解和光催化有机物污染物的效率。

其中，砂滤过滤器1为圆柱型过滤器，尺寸为底部直径0.8-1.2m、高度1.0-1.5m，第一进水口1-1设置于圆柱型过滤器的下端，圆柱型过滤器的上端还设置有第一出水口1-2，第一出水口1-2与第一水泵7的一端相连接，所述圆柱型过滤器的内腔中填充有滤料石英砂或锰砂，可将进水中的悬浮颗粒物和部分有机物截留在砂滤过滤器1中，以保证后续的电解处理系统正常工作。

其中，三维电极反应器2为圆柱型电解槽，圆柱型电解槽的上下端分别设置有第二出水口2-1和第二进水口2-2，第二进水口2-2与第一水泵7的另一端相连接，过滤网10安装于第二出水口2-1，过滤网10的孔径为2-4mm，小于粒子电极6的直径，可防止粒子电极6随污水流出，造成粒子电极6损失，第二出水口2-1与第二水泵11的一端相连接。

其中，光催化反应器8为圆柱型反应器，采用有机玻璃制作，尺寸为底部直径0.8-1.2m，高度0.8-1.5m，第三出水口8-1设置于圆柱型反应器的上端，圆柱型反应器的下端还设置有第三进水口8-2，第三进水口8-2与第二水泵11的另一端相连接。

其中，光催化反应器8的内壁还设置有光催化层，光催化层为TiO₂光催化层或TiO₂/CdS复合光催化层。

其中，阳极3采用涂层钛电极，所述涂层钛电极为棒状，底部直径8-12cm，涂层钛电极采用Ti/IrO₂-Ta₂O₅或Ti/ IrO₂-SnO₂-PdO材质，阴极4为三维电极反应器2的侧壁，采用不锈钢制作，厚度为5-10cm。

其中，粒子电极6由绝缘颗粒和导电颗粒组成，绝缘颗粒和导电颗粒的尺寸均为5-10mm，绝缘颗粒采用玻璃珠或石英砂，导电颗粒采用负载金属的石墨烯，所负载的金属为铁或钴或镍或锰，所述绝缘颗粒和导电颗粒的填充比例为1：1～3：1。

其中，第一曝气装置12及第二曝气装置13的孔径均为2-4mm。

负载金属的石墨烯的制作方法，制作步骤为：

1）氧化石墨水溶液的配制：将氧化石墨研磨细化为颗粒状氧化石墨，将颗粒状氧化石墨与去离子水混合配制成2-6 mg/L氧化石墨水溶液；

2）氧化石墨水溶液的分散处理：将一定量的醇加入步骤1氧化石墨水溶液中，以获得一级混合液，将一级混合液通过机械搅拌和超声波震荡进行分散处理，以获得二级混合液；

3）石墨烯水凝胶的制备：将一定量的纳米四氧化三铁或纳米四氧化三钴或纳米氧化镍或纳米二氧化锰加入步骤2二级混合液中，以获得三级混合液，对三级混合液通过机械搅拌和超声波震荡进行分散处理，以获得四级混合液，将四级混合液置于反应釜中，并将反应釜置于200-300℃下保温36-48 h，待反应釜冷却后即可获得石墨烯水凝胶；

4）负载金属的石墨烯的制备：将步骤3中制得的石墨烯水凝胶进行冷冻干燥处理，以获得负载金属的石墨烯。

具体实施例一：降解处理4-氯酚废水：4-氯酚废水从第一进水口1-1进入砂滤过滤器1，锰砂滤料将废水中的悬浮颗粒物和部分有机物截留在砂滤过滤器1中，经砂滤过滤器1过滤后的水通过第一水泵7流入三维电极反应器2，三维电极反应器2采用圆柱型结构，底部直径为0.8m，高度为1.1m，由不锈钢加工制作成，三维电极反应器2的中部竖立有Ti/IrO2-Ta2O5材质的圆柱形棒状阳极3，底面直径为10cm，三维电极反应器2的侧壁厚度为10cm，作为阴极4，阳极3与阴极4分别与直流电源5的正极和负极相连，棒状阳极3和圆柱环状阴极4之间填充粒子电极6，粒子电极6由按2：1的比例填充的玻璃珠绝缘颗粒和负载铁的石墨烯导电颗粒组成，三维电极反应器2底部设置有第一曝气装置12，用于向三维电极反应器2内通入空气，以增加水中溶解氧，可提高电解有机污染物的效率，第二出水口2-1处安装有过滤网10，经电解和微电解处理废水由第二水泵11抽入光催化反应器8，光催化反应器8采用圆柱型结构，底部直径为0.8m，高度为1.2m，由有机玻璃加工制作成，光催化反应器8中间设置有紫外灯9，内壁设置有TiO₂光催化层，底部设置有第二曝气装置13，用于向光催化反应器8内通入空气，以增加水中溶解氧，可提高光催化有机污染物的效率，下端设置有第三进水口8-2，经紫外光催化降解的水由第三出水口8-1流出，4-氯酚废水中4-氯酚初始浓度为40 mg/L，经本新型三维电极水处理系统处理2小时后，4-氯酚的浓度为0.8 mg/L，去除率98%，净化效果显著且效率较高。

本实施例中，负载铁的石墨烯的制作方法参照上述负载金属的石墨烯的制作方法，其中，步骤3）中的金属氧化物选用纳米四氧化三铁。

具体实施例二：处理2，4，6-三氯酚废水：在具体实施例一的结构基础上，粒子电极6选用按1:1的比例填充的石英砂绝缘颗粒和负载镍的石墨烯导电颗粒，阳极采用Ti/IrO₂-SnO₂-PdO圆柱形棒状电极，底面直径为12cm，三维电极反应器2的侧壁为不锈钢材质，厚度为5cm，作为阴极4，初始浓度为50mg/L的2，4，6-三氯酚废水依次经砂滤过滤器1进行废水中悬浮颗粒物和部分有机物的过滤处理、经电解处理系统进行有机污染物的电解处理和重金属的吸附沉淀处理及有机污染物处理系统进行有机污染物的紫外光催化降解处理，经三重净化处理，2，4，6-三氯酚废水中的2，4，6-三氯酚的终浓度为2mg/L，降解率达到96%。

本实施例中，负载镍的石墨烯的制作方法参照上述负载金属的石墨烯的制作方法，其中，步骤3）中的金属氧化物选用纳米氧化镍。

具体实施例三：处理2，4-二氯苯酚废水：在具体实施例一的结构基础上，粒子电极6选用按3:1的比例填充的塑料绝缘颗粒和负载锰的石墨烯导电颗粒，初始浓度为60mg/L的2，4-二氯苯酚废水依次经砂滤过滤器1进行废水中悬浮颗粒物和部分有机物的过滤处理、经电解处理系统进行有机污染物的电解处理和重金属的吸附沉淀处理及有机污染物处理系统进行有机污染物的紫外光催化降解处理，经三重净化处理，2，4-二氯苯酚废水中的2，4-二氯苯酚的终浓度为3mg/L，降解率达到95%。

本实施例中，负载锰的石墨烯的制作方法参照上述负载金属的石墨烯的制作方法，其中，步骤3）中的金属氧化物选用纳米二氧化锰。

以上仅是本实用新型的优选实施方式，本实用新型的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本实用新型思路下的技术方案均属于本实用新型的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理前提下的若干改进和润饰，应视为本实用新型的保护范围。

Claims (8)

1.一种新型三维电极水处理系统，包括预处理系统、电解处理系统和有机污染物处理系统，其特征在于，所述预处理系统包括砂滤过滤器（1），所述砂滤过滤器（1）上设有第一进水口（1-1），废水由所述第一进水口（1-1）流入砂滤过滤器（1），所述电解处理系统包括三维电极反应器（2）、阳极（3）、阴极（4）、直流电源（5）和粒子电极（6），经砂滤过滤器（1）预处理的废水通过第一水泵（7）流入三维电极反应器（2），所述阳极（3）竖立于三维电极反应器（2）内，所述三维电极反应器（2）的侧壁为阴极（4），所述阳极（3）与阴极（4）分别与直流电源（5）的正极和负极相连，所述粒子电极（6）填充于阳极（3）与阴极（4）之间，所述有机污染物处理系统包括光催化反应器（8）和紫外灯（9），所述紫外灯（9）竖立于光催化反应器（8）中，所述三维电极反应器（2）上还设置有过滤网（10），经电解处理的废水由所述过滤网（10）流出并通过第二水泵（11）流入光催化反应器（8），所述光催化反应器（8）上设置有第三出水口（8-1），经紫外光催化降解的水由所述第三出水口（8-1）流出。

2.根据权利要求1所述的一种新型三维电极水处理系统，其特征在于：所述的三维电极反应器（2）的底部设置有第一曝气装置（12），所述光催化反应器（8）的底部设置有第二曝气装置（13），所述第一曝气装置（12）和第二曝气装置（13）分别用于向三维电极反应器（2）和光催化反应器（8）内通入空气，以增加水中溶解氧，提高电解和光催化有机物污染物的效率。

3.根据权利要求1所述的一种新型三维电极水处理系统，其特征在于：所述的砂滤过滤器（1）为圆柱型过滤器，所述圆柱型过滤器的内腔中填充有滤料，所述第一进水口（1-1）设置于所述圆柱型过滤器的下端，所述圆柱型过滤器的上端还设置有第一出水口（1-2），所述第一出水口（1-2）与第一水泵（7）的一端相连接。

4.根据权利要求1或3所述的一种新型三维电极水处理系统，其特征在于：所述的三维电极反应器（2）为圆柱型电解槽，所述圆柱型电解槽的上下端分别设置有第二出水口（2-1）和第二进水口（2-2），所述第二进水口（2-2）与第一水泵（7）的另一端相连接，所述过滤网（10）安装于第二出水口（2-1），且所述过滤网（10）、第一曝气装置（12）及第二曝气装置（13）的孔径均小于粒子电极（6）的直径，可防止粒子电极（6）流出，所述第二出水口（2-1）与第二水泵（11）的一端相连接。

5.根据权利要求4所述的一种新型三维电极水处理系统，其特征在于：所述的光催化反应器（8）为圆柱型反应器，所述第三出水口（8-1）设置于所述圆柱型反应器的上端，所述圆柱型反应器的下端还设置有第三进水口（8-2），所述第三进水口（8-2）与第二水泵（11）的另一端相连接。

6.根据权利要求5所述的一种新型三维电极水处理系统，其特征在于：所述的光催化反应器（8）的内壁还设置有光催化层，所述光催化层为TiO₂光催化层或TiO₂/CdS复合光催化层。

7.根据权利要求1所述的一种新型三维电极水处理系统，其特征在于：所述的阳极（3）采用涂层钛电极，所述的阴极（4）为三维电极反应器（2）的侧壁，采用不锈钢制作。

8.根据权利要求1所述的一种新型三维电极水处理系统，其特征在于：所述的粒子电极（6）由绝缘颗粒和导电颗粒组成，所述绝缘颗粒采用玻璃珠或石英砂，所述导电颗粒采用负载金属的石墨烯，所述负载金属的石墨烯所负载的金属为铁或钴或镍或锰，所述绝缘颗粒和导电颗粒的填充比例为1：1～3：1。