CN210393839U - 半导体功能材料协同三维电化学水处理装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种半导体功能材料协同三维电化学水处理装置，其技术特点是：在筒状外壳两端分别安装有端盖，筒状阳极同轴安装在筒状外壳内部，在筒状阳极内部填充有粒子电极；阴极棒一端安装在一侧端盖上，该阴极棒另一端设置在筒状阳极内；在另一侧端盖中央设有出水管并与筒状阳极内部相连通，在该出水管旁边设有进气管并与筒状阳极内部相连通；在筒状外壳侧壁上制有进水管，该进水管与筒状阳极及筒状外壳之间的空腔相连通；高压直流电源的两个输出端与阴极棒和筒状外壳相连接。本实用新型在筒体阳极内填充粒子电极，能够有效氧化降解废水中的有机污染物，大大提高对污染物质的去除效果，具有节能环保、成本低廉、处理能力强等特点。
Description
技术领域
本实用新型属于水污染防治技术领域，尤其是一种半导体功能材料协同三维电化学水处理装置。
背景技术
目前，随着工农业的发展和人口的增加，生活、生产用水的需求量和废水排放量大幅增加，废水中含有的有毒有害物质对水体造成的污染也日趋严重。大量的工农业废水采用传统的生物方法处理达不到理想的效果，选择一种有效适用的处理方法已成为必然。电化学反应器是一种新型的水处理设备，其使用石墨电极、铂电极、铅基合金电极或二氧化铅电极等对水体进行处理，采用上述电极的电化学水处理设备不能有效氧化降解废水中的有机污染物，同时存在成本较高、处理效果低等问题。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种设计合理、处理效率高且成本低廉的半导体功能材料协同三维电化学水处理装置。
本实用新型解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
一种半导体功能材料协同三维电化学水处理装置，包括筒状外壳、阴极棒、筒状阳极和高压直流电源，在筒状外壳两端分别安装有端盖，所述筒状阳极同轴安装在筒状外壳内部，筒状阳极与筒状外壳之间设有空腔，在筒状阳极内部填充有粒子电极；所述阴极棒一端安装在一侧端盖上，该阴极棒另一端设置在筒状阳极内；在另一侧端盖中央设有与筒状阳极内部相连通的出水管，在该出水管旁边设有与筒状阳极内部相连通的进气管；在筒状外壳侧壁上制有进水管，该进水管与筒状阳极及筒状外壳之间的空腔相连通，所述高压直流电源两个输出端分别与阴极棒和筒状外壳相连接。
进一步，所述粒子电极由表面镀有半导体功能材料的非金属球构成。
进一步，所述粒子电极直径为6-20mm。
进一步，所述阴极棒由圆柱形阴极主体构成，该阴极棒主体由具有高析氢电势的金属材料构成，在阴极棒主体一侧表面上制有外螺纹，该阴极棒主体通过外螺纹安装在螺纹紧固件和阴极绝缘子安装在一起并安装在一侧端盖上。
进一步，所述阴极绝缘子由阴极绝缘子主体构成，该阴极绝缘子主体采用聚四氟材质制成，在阴极绝缘子中央制有内螺纹。
进一步，所述筒状阳极由阳极外壳及两端的接口一体制成，在阳极外壳一侧表面上径向均布制有进水小孔。
进一步，所述筒状阳极采用具有良好电催化活性的半导体功能材料掺杂改性石墨材料制成。
进一步，所述阴极棒与筒状阳极的间距为30-50mm。
进一步，所述筒状外壳为圆筒状外壳，所述筒状阳极为圆筒状阳极。
进一步，所述高压直流电源的输出电压为DC0-20Kv，输出电流为DC0-50mA。
本实用新型的优点和积极效果是：
1、本实用新型在筒体阳极内填充粒子电极，通过粒子电极表面的半导体功能材料与阳极和阴极产生协同作用，使得电化学反应的传质过程得到了很大的改善，具有良好的化学和电化学稳定性，能够有效氧化降解废水中的有机污染物，大大提高对污染物质的去除效果，解决了传统电化学水处理技术耗电高、成本较高、处理效果低的技术难题。
2、本实用新型采用表面镀有半导体功能材料的粒子电极，通过反应能够产生大量羟基自由基(·OH)，该自由基具有极强的氧化性，能够将有机污染物有效地分解，彻底转化为无害无机物，避免二次污染的产生，具有节能环保的特点。
3、本实用新型采用有毒有害污染物的高级氧化技术，其不使用或较少量使用化学药品，具有成本低廉、处理能力强、占地面积小、适应性广、对环境友好等特点。
附图说明
图1是本实用新型的结构示意图(局部剖视)；
图2是阴极的结构图；
图3是阳极的结构图；
图4是阴极绝缘子的结构图；
图5是半导体功能材料协同三维电化学水处理原理图；
其中，1-外壳、2-阴极棒、3-圆筒状阳极、4-快接法兰连接器、5-进气管、6-端盖、7-出水管、8-进水管、9-阴极绝缘子、10-螺栓紧固件、2.1-阴极主体，2.2-外螺纹，3.1-阳极外壳，3.2-进水小孔，3.3-阳极接口，9.1-阴极绝缘子主体，9.2-内螺纹。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型实施例做进一步详述：
一种半导体功能材料协同三维电化学水处理装置，如图1所示，包括圆筒状外壳1、阴极棒2、圆筒状阳极3和高压直流电源，所述圆筒状外壳两端分别通过快接法兰连接器4安装有端盖7。所述圆筒状阳极同轴安装在圆筒状外壳内部，圆筒状阳极与圆筒状外壳之间设有空腔，在圆筒状阳极内部填充有粒子电极。所述阴极棒一端安装在阴极绝缘子中并通过螺纹紧固件10固装在一侧端盖上，阴极棒的另一端设置在圆筒状阳极内。在另一侧端盖中央设有出水管6并与圆筒状阳极内部相连通，在该出水管旁边设有进气管5并与圆筒状阳极内部相连通。在圆筒状外壳侧壁上制有进水管8，该进水管与圆筒状阳极及圆筒状外壳之间的空腔相连通。
如图2所示，所述阴极棒由圆柱形阴极主体2.1构成，在阴极棒主体一侧表面上制有外螺纹2.2，通过该外螺纹与螺纹紧固件和阴极绝缘子安装在一起。在本实施例中，阴极棒主体由具有较高析氢电势的金属材料构成。
如图3所示，所述圆筒状阳极由阳极外壳3.1及两端的接口3.3一体制成，在阳极外壳一侧表面上径向均布制有进水小孔3.2，通过进水管进来的水通过进水小孔注入到圆筒状阳极内部。在本实施例中，圆筒状阳极采用具有良好电催化活性的半导体功能材料掺杂改性石墨材料制成，该电极具有电化学稳定性和较高的析氧超电势，克服了传统的石墨电极、铂电极、铅基合金电极、二氧化铅电极等存在的不足。由于在总体结构上极间距对电解效果的影响是显而易见的，其影响着溶液的传质距离和电极电势，因此，在本实施例中，阳极与阴极之间的间距为30-50mm。
粒子电极的选择是水处理装置的关键技术，在本实用新型中，填充在圆筒状阳极内的粒子电极由表面镀有半导体功能材料的非金属球构成，其直径为6-20mm。粒子电极均匀地分散于阴极与阳极之间，有效地减小了短路电流，因此无需外加绝缘粒子。在半导体功能材料协同三维电化学水处理过程中，污染物质被截留到粒子电极表面，并在其表面发生氧化还原反应，同时与粒子电极表面的半导体功能材料发生协同催化氧化作用。
如图4所示，所述阴极绝缘子由阴极绝缘子主体9-1构成，阴极绝缘子主体采用聚四氟材质制成，在阴极绝缘子中央制有内螺纹9.2，通过内螺纹与阴极棒的外螺纹配合将其安装在一起，从而将阴极棒与阳极有效地进行隔离。
在本实施例中，高压直流电源的输出电压DC0-20Kv，输出电流DC0-50mA。本高压直流电源采用负高压输出，因此，该高压直流电源的负极(-20Kv)连接阴极棒，该高压直流电源的接地端与圆筒状机壳相连接。
如图5所示，半导体功能材料协同三维电化学水处理的原理为：
填充在电极槽的粒子电极在高梯度的电场作用下，感应而复极化为复极性粒子，即在粒子电极的一端发生阳极反应，另一端发生阴极反应，整个粒子电极成了一个立体三维电极，粒子电极之间构成一个微电解池，整个电极槽就由这样一些微电解池组成。
在主电极间填充接触电阻大的导电粒子(由表面镀有半导体功能材料的非金属球构成其尺寸为6-20mm)，当通入高电压时每个粒子形成一对对电极。反应电流：液体中移动的电荷在粒子一端经过粒子内流到另一端，再进入溶液。
水处理过程为：
(1)电解过程中产生的氧化性极强的·OH(电极电势2.8V)，使有机物氧化分解；
(2)电解过程中同时形成的氧化性极强的O3所起作用；
(3)部分有机物在阳极上被直接氧化；
(4)电解槽内的溶解氧被还原成H2O2对有机物产生氧化作用。电解过程中的·OH，可在金属催化剂(金属电极)作用下的产生羟基自由基，其作为具有高度活性的强氧化剂可以将废水中的有机物分解，它对有机物的氧化作用具有广泛性。羟基自由基的电子亲和能为569.3kJ，容易进攻高电子云密度的有机分子部位，形成易进一步氧化的中间产物。其对有机物的氧化作用可以分三种反应方式进行脱氢反应、亲电子反应和电子转移反应，形成活化的有机自由基，使其更易氧化其它有机物或产生连锁自由基反应，使有机物得以迅速降解。在半导体功能材料协同三维电化学水处理过程中污染物质被截留到粒子电极表面，并在其表面发生氧化还原反应。同时与粒子电极表面的半导体功能材料发生协同催化氧化作用，使整体有机物降解效率提高30-40％。
本实用新型未述及之处适用于现有技术。
需要强调的是，本实用新型所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本实用新型包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本实用新型的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本实用新型保护的范围。
Claims (10)
1.一种半导体功能材料协同三维电化学水处理装置，包括筒状外壳、阴极棒、筒状阳极和高压直流电源，其特征在于：在筒状外壳两端分别安装有端盖，所述筒状阳极同轴安装在筒状外壳内部，筒状阳极与筒状外壳之间设有空腔，在筒状阳极内部填充有粒子电极；所述阴极棒一端安装在一侧端盖上，该阴极棒另一端设置在筒状阳极内；在另一侧端盖中央设有与筒状阳极内部相连通的出水管，在该出水管旁边设有与筒状阳极内部相连通的进气管；在筒状外壳侧壁上制有进水管，该进水管与筒状阳极及筒状外壳之间的空腔相连通，所述高压直流电源两个输出端分别与阴极棒和筒状外壳相连接。
2.根据权利要求1所述的半导体功能材料协同三维电化学水处理装置，其特征在于：所述粒子电极由表面镀有半导体功能材料的非金属球构成。
3.根据权利要求2所述的半导体功能材料协同三维电化学水处理装置，其特征在于：所述粒子电极直径为6-20mm。
4.根据权利要求1至3任一项所述的半导体功能材料协同三维电化学水处理装置，其特征在于：所述阴极棒由圆柱形阴极主体构成，该阴极棒主体由具有高析氢电势的金属材料构成，在阴极棒主体一侧表面上制有外螺纹，该阴极棒主体通过外螺纹安装在螺纹紧固件和阴极绝缘子安装在一起并安装在一侧端盖上。
5.根据权利要求4所述的半导体功能材料协同三维电化学水处理装置，其特征在于：所述阴极绝缘子由阴极绝缘子主体构成，该阴极绝缘子主体采用聚四氟材质制成，在阴极绝缘子中央制有内螺纹。
6.根据权利要求1至3任一项所述的半导体功能材料协同三维电化学水处理装置，其特征在于：所述筒状阳极由阳极外壳及两端的接口一体制成，在阳极外壳一侧表面上径向均布制有进水小孔。
7.根据权利要求1至3任一项所述的半导体功能材料协同三维电化学水处理装置，其特征在于：所述筒状阳极采用具有良好电催化活性的半导体功能材料掺杂改性石墨材料制成。
8.根据权利要求1至3任一项所述的半导体功能材料协同三维电化学水处理装置，其特征在于：所述阴极棒与筒状阳极的间距为30-50mm。
9.根据权利要求1至3任一项所述的半导体功能材料协同三维电化学水处理装置，其特征在于：所述筒状外壳为圆筒状外壳，所述筒状阳极为圆筒状阳极。
10.根据权利要求1至3任一项所述的半导体功能材料协同三维电化学水处理装置，其特征在于：所述高压直流电源的输出电压为DC0-20Kv，输出电流为DC0-50mA。
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| CN110316798A (zh) * | 2019-08-06 | 2019-10-11 | 高志远 | 半导体功能材料协同三维电化学水处理装置 |
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