CN219384882U - 一种三维电极光电协同催化降解反应系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种三维电极光电协同催化降解反应系统，包括太阳能供电机构、催化降解机构和集水机构；催化降解机构包括反应器壳体，其内设置钛涂层阳极板、钛网涂层阴极和粒子电极，钛涂层阳极板和钛网涂层阴极之间设置紫外光催化氧化装置，粒子电极悬浮于反应器壳体中的待处理水样中；钛涂层阳极板、钛网涂层阴极和紫外光催化氧化装置均与太阳能供电机构连接；反应器壳体的溢流口连接集水机构；集水机构包括集水池，集水池内部设置浸入式膜生物反应器，其通过管道和吸入泵连接水质自动检测仪表。本实用新型结构紧凑，反应面积大，传质效率高，电能、光能利用效率高，更易于提高B/C值，强化了有机物的降解。

Description

一种三维电极光电协同催化降解反应系统

技术领域

本实用新型属于水处理领域，具体涉及一种三维电极光电协同催化降解反应系统。

背景技术

难降解有机废水，如焦化废水、燃化废水、制药废水、造纸废水、印染纺织废水、石化废水、轧钢含油废水等工业企业排放的废水，COD高达2500mg/L以上，且可生化性差(B/C值<0.3)，吨水处理成本较高，是水处理领域面临亟待解决的技术难题。目前，国内外，对该类废水主要采用物化预处理+生化处理+高级氧化法或膜分离或蒸发等组合工艺进行处理，但传统预处理工艺，如混凝沉淀、芬顿试剂氧化、双膜工艺及臭氧催化氧化等工艺，存在水质净化不达标、或者成本太高、或产生大量的污泥或效率低，有二次污染等问题。生产实践中采用物化预处理+生化处理再组合高级氧化或膜法工艺也是目前大部分企业选择的处理工艺，尽管处理成本比单一高级氧化或膜法处理成本低，但生化处理设施占地面积巨大，且运行工程受到环境和进水水质影响大，这对部分企业如制药企业，其高浓度难降解有机废水多为间歇排放，水量小，难以达到生化处理规模，因此，该工艺还存在较大的局限性。

光电催化氧化法作为一种新型高级氧化技术，结合了光催化和电催化的优势，通过给电极施加一个低压辅助，促进光生电子被阳极捕获后，通过外电路转移并迅速在阴极处发生反应，促进生成自由基对有机污染物进行矿化降解，具有绿色、节能、无污染且适用范围广，可控性强易实现自动化，环境兼容性好和无二次污染等优点的优势，近年来受到科研技术人员的广泛关注。专利CN107500382 A公开了一种三维电极协同紫外光催化反应器，该反应器为长方体，将负载Fe₂O₃的石墨和涂覆TiO₂的玻璃珠依次加入反应装置内部并中间用带孔的隔膜隔开，但该专利存在传质效果差，易造成固定床堵塞，甚至造成反应器短路；专利CN201620331892.8公布了一种三维电极协同紫外光催化反应器，该专利中三维电极反应器为立方体状，废水处理存在“死角”效应，废水降解无法保证达标排放。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种三维电极光电协同催化降解反应系统，以解决上述存在的一个或多个技术问题。

为达到上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种三维电极光电协同催化降解反应系统，包括太阳能供电机构、催化降解机构和集水机构；

所述催化降解机构包括反应器壳体，反应器壳体内设置相同数量的钛涂层阳极板和钛网涂层阴极和多个粒子电极，相邻的钛涂层阳极板和钛网涂层阴极之间均设置紫外光催化氧化装置，粒子电极悬浮于反应器壳体中的待处理水样中；钛涂层阳极板、钛网涂层阴极和紫外光催化氧化装置均与太阳能供电机构连接；

所述反应器壳体底部侧面设置进水口，顶部侧面设置溢流口，进水口连接待处理水样，溢流口通过溢流管连接集水机构；

所述集水机构包括集水池，集水池内部设置浸入式膜生物反应器，浸入式膜生物反应器的出水口通过管道和吸入泵连接水质自动检测仪表，自动检测仪表设置两路出水，一路连接催化降解机构进水口，为回收管路；另一路为产水管路，两路管路上均设置电磁阀，且与水质自动检测仪表电连接。

在上述技术方案中，所述紫外光催化氧化装置的两端通过固定带孔装置固定于反应器壳体内部。

在上述技术方案中，所述钛涂层阳极板和钛网涂层阴极的涂层材质相同。

在上述技术方案中，所述反应器壳体为圆柱型结构，其内壁为不锈钢材质，且内壁涂覆二氧化钛薄膜。

在上述技术方案中，所述反应器壳体内底部设置多孔支撑板，所述多孔支撑板采用钛板，且孔直径小于粒子电极的粒径。

在上述技术方案中，所述多孔支撑板下方设置布水器，布水器与进水口连接。

在上述技术方案中，所述催化降解机构还包括曝气装置，所述曝气装置包括通过曝气管连接的驱动装置和曝气头，曝气管上设置阀门，曝气头设置于反应器壳体内部，且设置于多孔支撑板上方，阴阳极板和紫外灯的下方。

在上述技术方案中，所述溢流口与反应器壳体连接处设置了孔隙板，所述孔隙板的孔径小于粒子电极粒径，能阻挡粒子电极的流失。

在上述技术方案中，所述集水机构也设置有曝气装置，曝气装置的集水池曝气头设置于浸入式膜生物反应器下方；

在上述技术方案中，所述集水池进水口与浸入式膜生物反应器之间设置隔板。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型提供了一种采用太阳能驱动的三维电极光电协同催化降解反应系统，不但充分利用粒子电极以缩短传质距离，还利用光催化协同降解污水中有机物，提高处理效率。本实用新型将电催化与光催化技术的联合使用，再通过反应器独特的构建方式和新型粒子电极可以解决了现有光电反应器存在传质效果差，易造成堵塞及降解效率低，存在二次污染和不安全等技术难题；采用生物炭负载的三维电极和光催化剂不仅在技术上实现强化和补充，更是装置上的系统化集成，在减少占地面积的同时，更有效的提高降解效率，保证了出水水质。

附图说明

图1是本实用新型三维电极光电协同催化降解反应系统的结构示意图；

图2是本实用新型三维电极光电协同催化降解反应系统中阴阳极板和紫外光催化氧化装的排布方式示意图(俯视视角)。

其中：

1太阳能电池组件 2蓄电池

3控制器 4UPS直流调压调流器

5太阳能组件支架 6反应器壳体

7孔隙板 8多孔支撑板

9布水器 10驱动装置

11曝气管 12曝气头

13阀门 14钛涂层阳极板

15钛网涂层阴极板 16紫外光催化氧化装置

17粒子电极 18集水池

19浸入式膜生物反应器 20隔板

21吸入泵 22水质自动检测仪表

23集水池曝气头 24回流水泵

25多介质过滤器。

对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据以上附图获得其他的相关附图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型技术方案，下面结合说明书附图并通过具体实施方式来进一步说明本实用新型的技术方案。

实施例1

如图1、2所示，一种三维电极光电协同催化降解反应系统，包括太阳能供电机构、催化降解机构和集水机构；

所述太阳能供电机构包括太阳能电池组件1、蓄电池2、控制器3、UPS直流调压调流器4，太阳能电池组件1通过太阳能组件支架5实现固定，太阳能电池组件1连接控制器3，控制器3分别连接蓄电池2和UPS直流调压调流器4；

本实施例采用的太阳能供电机构采用发电、控制、储能三合一技术，太阳能电池板接收太阳能，使用控制器将太阳能转换为适合使用的电力能源，作为水处理系统的电源，同时使用蓄电池，将多余的太阳能保存到蓄电池中，实现能源的储备，保证无太阳能使用时能够使用蓄电池的能源继续推动负载工作。本实施例所采用的太阳能供电机构属于常规太阳能供电系统，各个部件均为市售产品，部件件连接方式均属于常规连接方式；

所述催化降解机构包括反应器壳体6，反应器壳体6内设置相同数量的钛涂层阳极板14和钛网涂层阴极15，相邻的钛涂层阳极板14和钛网涂层阴极15之间均设置紫外光催化氧化装置16；反应器壳体6还设置多个粒子电极17，粒子电极17悬浮于反应器壳体6中的待处理水样中；钛涂层阳极板14与UPS直流调压调流器4正极连接；钛网涂层阴极15与UPS直流调压调流器4负极连接；紫外光催化氧化装置16与UPS直流调压调流器4的一个端子连接，实现供电，且紫外光催化氧化装置16的两端通过固定带孔装置固定于反应器壳体6内部。

在本实施例中，所述紫外光催化氧化装置16为紫外灯；所述固定带孔装置为带孔的固定板，固定板两端与反应器壳体6内壁固定。

在本实施例中，所述钛涂层阳极板14和钛网涂层阴极板15均为基于钛基的PbO₂、SnO₂、RuO₂或IrO₂的电极且钛涂层阳极板14和钛网涂层阴极15的涂层材质相同，目的是应用过程中阴阳极切换，可以防止极板结垢问题。

在本实施例中，相邻所述钛涂层阳极板14和钛网涂层阴极15之间的间距为20mm～40mm，紫外光催化氧化装置16设置于相邻所述钛涂层阳极板和钛网涂层阴极的中线处，且紫外光催化氧化装置16的直径为10mm～15mm。

所述反应器壳体6底部侧面设置进水口，顶部侧面设置溢流口，进水口连接待处理水样，溢流口通过溢流管连接集水机构；

在本实施例中，所述反应器壳体6为圆柱型结构，其内壁为不锈钢材质，且内壁涂覆二氧化钛薄膜，一方面提高电解槽耐腐蚀强度，另一方面，增加光催化降解有机物性能。

在本实施例中，为了减少粒子电极的流失，所述反应器壳体6内底部设置多孔支撑板8，所述多孔支撑板8采用钛板，且孔直径为2mm～3mm。

在本实施例中，为了布水均匀，同时也起到过滤作用，阻挡废水中的颗粒物、杂质等，提高电极寿命和效率的目的，所述多孔支撑板8下方设置布水器9，布水器9上的孔径为2mm～5mm，布水器9与进水口连接，将待处理水样引入反应器壳体6内。

在本实施例中，所述催化降解机构还包括曝气装置，所述曝气装置包括通过曝气管11连接的驱动装置10和曝气头12，曝气管11上设置阀门13，曝气头12设置于反应器壳体6内部，且设置于多孔支撑板8上方，阴阳极板和紫外灯的下方；所述驱动装置10为曝气泵或空气压缩机；所述曝气头12上的气孔孔径为2mm～3mm。

在本实施例中，所述溢流口与反应器壳体6连接处设置了孔隙板7，所述孔隙板7的孔径小于粒子电极17粒径，能阻挡粒子电极17的流失。

所述集水机构包括集水池18，集水池18内部设置浸入式膜生物反应器19，浸入式膜生物反应器19的出水口通过管道和吸入泵21连接水质自动检测仪表22，自动检测仪表22设置两路出水，一路连接催化降解机构进水口，为回收管路；另一路为产水管路，两路管路上均设置电磁阀，且与水质自动检测仪表22电连接，回收管路上设置回流水泵24。

当MBR出水水质不能满足排放或回用要求时，通过水质自动检测仪表22的控制系统开启回收管路上的电磁阀，当MBR出水水质满足排放或回用要求时，开启产水管路上的电磁阀。

在本实施例中，所述集水机构也设置有曝气装置，曝气装置的集水池曝气头23设置于浸入式膜生物反应器19下方。

在本实施例中，为了保证催化降解机构处理好的废水到达集水池18底部，集水池18进水口与浸入式膜生物反应器19之间设置隔板20。

实施例2

以实施例1为基础，本实施例中所述三维电极光电协同催化降解反应系统还包括多介质过滤器25，其出水口与反应器壳体6进水口连接。待处理废水从多介质过滤器25进口进入，经多介质过滤器25去除悬浮物和浊度，然后进入反应器壳体6内进行催化降解。

多介质过滤器25顶部为废水进水口，底部为出水口，底部侧壁设置反冲水进水口，顶部侧壁设置反冲水出水口。多介质过滤器是通过滤料的吸附和阻流作用，将水中的悬浮物、浊度过滤、截留到滤料层中，从而得到澄清水质。

本实用新型的使用方法及工作原理：

1)待处理废水经进水口进入到反应器壳体中；

2)启动曝气泵或空气压缩机，曝气泵或空气压缩机输出的曝气进入到反应器壳体内，接通直流电源，阴阳极板及紫外线照射光催化剂产生的羟基自由基(·OH)、超氧自由基(O₂·^-)和过氧化羟基自由基(HO₂·)等与废水的有机物发生氧化降解反应。

反应器1内Fe-Mn/BC粒子电极电催化氧化有机物(R)的反应机理如下：BC上负载有掺杂氧化物FeO_x-MnO_x，在电解过程中FeO_x-MnO_x将H₂O催化分解成·OH(方程式1)，·OH物理吸附在其表面形成中间体FeO_x-MnO_x[·OH]，随后溶液中的有机污染物(R)被FeO_x-MnO_x[·OH]中间体氧化，生成CO₂和H₂O(方程式2)。

FeO_x-MnO_x+H₂O→FeO_x-MnO_x[·OH]+H⁺+e^- (1)

FeO_x-MnO_x[·OH]+R→FeO_x-MnO+H₂O+CO₂+H⁺+e^- (2)

反应器内，在紫外光和可见光的照射下，BiVO₄光催化剂吸收光能激发价带的电子跃迁到导带上，产生光生电子(e^-)和空穴(h⁺)(方程式3)。e^-具有很强的还原性，可以直接还原废水中有机物，也可以与半导体表面吸附的O₂反应，形成超氧自由基(·O₂ ^-)，·O₂ ^-还可以与氢离子(H⁺)结合生成羟基自由基(·OH)(方程式4～5)。此外，e^-还可以与羟基自由基(·OH)与H⁺结合生成过氧化氢(H₂O₂)及循环反应(方程式6～7)。h⁺有很强的氧化性，能够将水以及OH^-等氧化为·OH(方程式8～9)。h+、·O₂ ^-、·OH和H₂O₂是光催化降解污染物过程中的主要氧化剂，可将有机污染物降解矿化为CO₂、H₂O等小分子化合物(方程式10)。

BiVO₄+hγ→h⁺ _VB+e^- _CB (3)；

e^- _CB+O₂→O₂·- (4)；

O₂·-+H⁺→·OH (5)；

e^- _CB+·OH+H⁺→H₂O₂ (6)；

H₂O₂+e^- _CB→·OH+OH^- (7)；

h⁺ _VB+H₂O→·OH+H⁺ (8)；

h⁺ _VB+OH^-→·OH+H⁺ (9)；

Organic*+O₂·-or HO₂·or·OH or h⁺→CO₂+H₂O+小分子化合物(10)；

3)将催化降解机构处理后的水样经溢流口进入集水池中，在集水池内通过MBR膜生物反应的生化降解、过滤后，出水通过在线水质分析后达标排出；若出水水质不满足要求，则通过AI控制系统出水口自动关闭，出水泵送至三维光电反应器进行再处理。

应用实例

为了进一步验证本实用申请的效果，将本申请装置应用于不同废水的处理，检验处理效果。

具体按照下述步骤进行：

将有机废水泵入本系统，启动曝气泵曝气进到反应器壳体内，接通直流电源，阴阳极板及紫外线照射，调节电压、电流和水力停留时间，废水中有机物在反应器内通过光电协同催化产生的的羟基自由基(·OH)、过氧负离子(O₂·^-)和过氧化羟基自由基(HO₂·)等与废水的有机物发生氧化降解和矿化反应，生成了水、CO₂和小分子有机物溢流到集水池MBR生物反应池，利用反应器的好氧微生物再次降解污水中的小分子有机污染物及中空纤维膜的高效固液分离，出水可回用或排放。三维电极光电协同催化降级反应系统(3D)处理有机废水中的应用效果见表1所示。

表1：三维电极光电协同催化降级反应系统处理有机废水的效果

由上述结果可见，本实用新型有效的提高降解效率，保证了出水水质。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

申请人声明，以上所述仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本实用新型的保护范围和公开范围之内。

Claims (10)

1.一种三维电极光电协同催化降解反应系统，其特征在于：包括太阳能供电机构、催化降解机构和集水机构；

所述催化降解机构包括反应器壳体（6），反应器壳体（6）内设置相同数量的钛涂层阳极板（14）和钛网涂层阴极（15）和多个粒子电极（17），相邻的钛涂层阳极板（14）和钛网涂层阴极（15）之间均设置紫外光催化氧化装置（16），粒子电极（17）悬浮于反应器壳体（6）中的待处理水样中；钛涂层阳极板（14）、钛网涂层阴极（15）和紫外光催化氧化装置（16）均与太阳能供电机构连接；

所述反应器壳体（6）底部侧面设置进水口，顶部侧面设置溢流口，进水口连接待处理水样，溢流口通过溢流管连接集水机构；

所述集水机构包括集水池（18），集水池（18）内部设置浸入式膜生物反应器（19），浸入式膜生物反应器（19）的出水口通过管道和吸入泵（21）连接水质自动检测仪表（22），自动检测仪表（22）设置两路出水，一路连接催化降解机构进水口，为回收管路；另一路为产水管路，两路管路上均设置电磁阀，且与水质自动检测仪表（22）电连接。

2.根据权利要求1所述的三维电极光电协同催化降解反应系统，其特征在于：所述紫外光催化氧化装置（16）的两端通过固定带孔装置固定于反应器壳体（6）内部。

3.根据权利要求1所述的三维电极光电协同催化降解反应系统，其特征在于：所述钛涂层阳极板（14）和钛网涂层阴极（15）的涂层材质相同。

4.根据权利要求1所述的三维电极光电协同催化降解反应系统，其特征在于：所述反应器壳体（6）为圆柱型结构，其内壁为不锈钢材质，且内壁涂覆二氧化钛薄膜。

5.根据权利要求1所述的三维电极光电协同催化降解反应系统，其特征在于：所述反应器壳体（6）内底部设置多孔支撑板（8），所述多孔支撑板（8）采用钛板，且孔直径小于粒子电极（17）的粒径。

6.根据权利要求5所述的三维电极光电协同催化降解反应系统，其特征在于：所述多孔支撑板（8）下方设置布水器（9），布水器（9）与进水口连接。

7.根据权利要求1所述的三维电极光电协同催化降解反应系统，其特征在于：所述催化降解机构还包括曝气装置，所述曝气装置包括通过曝气管（11）连接的驱动装置（10）和曝气头（12），曝气管（11）上设置阀门（13），曝气头（12）设置于反应器壳体（6）内部，且设置于多孔支撑板（8）上方，阴阳极板和紫外灯的下方。

8.根据权利要求1所述的三维电极光电协同催化降解反应系统，其特征在于：所述溢流口与反应器壳体（6）连接处设置了孔隙板（7），所述孔隙板（7）的孔径小于粒子电极（17）粒径，能阻挡粒子电极（17）的流失。

9.根据权利要求1所述的三维电极光电协同催化降解反应系统，其特征在于：所述集水机构也设置有曝气装置，曝气装置的集水池曝气头（23）设置于浸入式膜生物反应器（19）下方。

10.根据权利要求1所述的三维电极光电协同催化降解反应系统，其特征在于：所述集水池（18）进水口与浸入式膜生物反应器（19）之间设置隔板（20）。