超重力多級犧牲陽極電Fenton法處理難降解廢水的裝置的製作方法

2023-06-09 02:12:36 2

專利名稱：超重力多級犧牲陽極電Fenton法處理難降解廢水的裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於水處理技術領域，具體涉及一種超重力多級犧牲陽極電Fenton法處理難降解廢水的裝置。
背景技術：
隨著石油化工、染料和醫藥等工業的快速發展，廢水中難降解有機物的數量和種類增加，對其處理難度也增大，處理方法的研究也越來越多。其中常規物理法和生化法均較難處理。目前，國內外研究者針對難降解廢水特性，採用了許多高級氧化技術處理，如:電化學氧化、溼式氧化、超臨界氧化、光催化氧化、芬頓(Fenton)氧化、超聲氧化等，其中電化學法和Fenton氧化法相結合的電Fenton法是用電化學法產生的Fe2+和H2O2作為Fenton試劑的持續來源，H2O2在Fe2+的催化作用下生成強氧化能力的.0H，.0H可與廢水中的有機物發生反應，分解或改變其電子云密度和結構，有利於凝聚和吸附過程的進行，從而對大多數有機物分解、絮凝，進而使廢水得以降解。電Fenton法處理難降解廢水具有降解速度較快、礦化度較高的優點，並且工藝和設備相對簡單、易於實現自動控制、反應條件溫和，是處理難降解廢水具有發展潛力的方法之一。電Fenton法可分為犧牲陽極電Fenton法、陰極電Fenton法、利用電極反應生成Fenton試劑方法等。其中犧牲陽極電Fenton法是利用可溶性陽極產生Fe2+,與投加的H2O2構成Fenton試劑，進而降解廢水。在此過程中，陰極和陽極上分別發生析氫和析氧反應，氣體以氣泡的形式會附著於電極表面從而造成有效電極面積減小。而且陽極溶解的Fe2+和H2O2在廢水中的傳輸過程易產生濃差極化。電極表面的傳質以及廢水中離子間的傳質受阻，從而影響著電Fenton法處理廢水的效率,這就需要研製高傳質效率的電Fenton反應器及其工藝。 發明內容本實用新型為了解決犧牲陽極電Fenton法處理難降解廢水時傳質受限的難題，提供了一種超重力多級犧牲陽極電Fenton法處理難降解廢水的裝置。本實用新型採用如下的技術方案實現:超重力多級犧牲陽極電Fenton法處理難降解廢水的裝置，包括有機玻璃外殼，夕卜殼內置若干波紋圓筒陽極及陽極連接盤和若干波紋圓筒陰極及陰極連接盤，波紋圓筒陽極和波紋圓筒陰極同心交替排列，各波紋圓筒陰極底端連接於陰極連接盤，各波紋圓筒陽極頂端連接於陽極連接盤，波紋圓筒陰極及陰極連接盤相對外殼靜止，各波紋圓筒陰極的自由端與陽極連接盤之間以及各波紋圓筒陽極的自由端與陰極連接盤之間均留有距離，連接波紋圓筒陽極的陽極連接盤的中心連接可高速旋轉的轉軸，外殼頂部設置有氣體出口管，相對外殼靜止的陰極連接盤的中心開孔連接於與處理前廢水儲槽相連的廢水進口管，外殼底部設置有處理後的廢水出口管。波紋圓筒陽極和波紋圓筒陰極高度相等，各波紋圓筒陽極距離陰極連接盤的距離與各波紋圓筒陰極距離陽極連接盤的距離相等，其距離為波紋圓筒電極高度的1/10 1/5，各波紋圓筒陽極與陽極連接盤之間以及各波紋圓筒陰極與陰極連接盤之間可自由拆卸式連接。波紋圓筒陽極和波紋圓筒陰極選用鐵或不鏽鋼材料。波紋圓筒陽極和波紋圓筒陰極的波紋彎曲角度為90°，為保證廢水在波紋圓筒電極上的湍動狀態，每150mm高的圓筒電極上設置波紋個數5 10個，波紋峰高IOmm 15mm。所述的波紋圓筒陽極和波紋圓筒陰極的個數，可根據廢水停留時間或流量大小來確定，反應裝置的尺寸也由此可確定。各波紋圓筒陽極與陽極連接盤之間以及各波紋圓筒陰極與陰極連接盤之間均可自由拆卸，可根據處理要求更換所需材料的電極。超重力多級犧牲陽極電Fenton法處理難降解廢水的工藝，基於上述的超重力多級犧牲陽極電Fenton法處理難降解廢水的裝置完成，利用旋轉的波紋圓筒陽極及陽極連接盤、靜止的波紋圓筒陰極及陰極連接盤以及外部投加的H2O2溶液組成超重力多級犧牲陽極電Fenton反應體系；反應步驟如下:投加酸性溶液調節廢水pH值在2.5 3.5範圍內，根據廢水中有機物的濃度大小投加相應量的30%的H2O2溶液，調節波紋圓筒陽極及陽極連接盤的轉速到500r/mirTl000r/min營造超重力環境，在超重力作用下，廢水由裝置中心沿徑向通過超重力多級犧牲陽極電Fenton反應裝置進而得以降解，處理後的廢水從廢水出口管流出，或循環處理，或進入下一步處理，或排放，廢水處理完畢後，裝置中產生的氣體由氣相出口管排出。廢水中的COD與投加的H2O2的質量比為0.5 I。本實用新型波紋圓筒陽極和波紋圓筒陰極同心交替排列，構成多級電Fenton反應裝置。依靠與轉軸連接的陽極連接盤及同心波紋圓筒陽極旋轉形成超重力環境，以強化廢水反應傳質過程，消除濃差極化，加快處理速率。
本實用新型採用超重力多級犧牲陽極電Fenton法處理難降解廢水。處理過程中利用可溶性陽極氧化產生Fe2+，見式(I )。產生的Fe2+與投加的H2O2溶液發生Fenton反應生成.0H，見式(5)，其中生成的.0Η將廢水中的有機物降解，見式(6);生成的Fe3+在陰極會還原成Fe2+，見式(3)，以保證反應持續進行。通過調節轉速營造超重力環境以消除Fe2+和H2O2在廢水中傳輸過程的濃差極化。由陽極溶解出的活性Fe2+和生成的Fe3+可部分水解成對有機物有強絡合吸附作用的Fe (OH) 2、Fe (OH) 3及nFe (OH) 2 -mFe (OH) 3 (n，m=l，2…)，分別見式(7)、(8)、(9)，其具有混凝和絮凝作用，可有效去除廢水中的懸浮物與膠體雜質。同時陰極和陽極上分別發生析氫和析氧反應，分別見式(4)和(2)，產生的氫氣和氧氣在超重力作用力不會以氣泡形式附著於電極表面從而造成有效電極面積減小，而是以氣泡形式逸出，這樣會可起到類似氣浮中的溶氣作用，吸附廢水中的微粒雜質，而後成為較易去除的浮渣得以去除。涉及到的化學反應如下:陽極:Fe_2e— Fe2+ (I)2H20_4e — 02+4H+ (酸性介質)(2)陰極:Fe3++e— Fe2+ (3)2H20+2e — 20Γ+Η2 (酸性介質) (4)Fenton 反應:H202+Fe2+ — Fe3++0H>.0H (5)[0021]有機物降解:.0H+有機物一C02+H20+小分子有機物 (6)溶液中:Fe2++20!T— Fe(OH)2 (7)Fe3++30r — Fe (OH) 3 (8)nFe (OH) 2+mFe (OH) 3 — nFe (OH)2.HiFe(OH)3 (n，m= I，2...) (9)超重力多級犧牲陽極電Fenton法處理難降解廢水工藝:投加一定量的酸性溶液以調節廢水PH值，投加一定量的H2O2溶液至廢水中。通過調節轉速營造超重力環境。在超重力場中，廢水由裝置中心沿徑向通過多級電Fenton反應裝置。裝置中發生上述的化學反應(I) - (9)使廢水降解。處理後的廢水或循環處理，或進入下一步處理，或排放。本實用新型相對現有技術具有如下有益效果:1、本實用新型中使用的各個電極形狀是波紋圓筒式。波紋圓筒式的電極形狀相比常規的圓筒電極(如前期發明的超重力多級同心圓筒式電解反應裝置中使用的電極)而言，首先，等高度裝置內可安置的電極面積增大，電極面積利用率大適合消耗電極材料的、需安置大面積電極材料的犧牲陽極電Fenton反應過程；其次廢水流經波紋圓筒電極時的湍動程度增大，可對涉及到的反應的傳質過程起到強化作用；再者，廢水流經波紋圓筒電極時流經的路程增長，在裝置內停留時間延長，可提高廢水的處理效率。目前在電Fenton法處理廢水的研究中還未有此結構的電極使用。2、本實用新型中使用的各個波紋圓筒陽極和波紋圓筒陰極同心、交替排列，這樣的電極結構使得電極正反兩面均可參與反應，電極面積利用率大，並且構成多級反應裝置。同時廢水也呈上下交替流動，對電極表面可起到衝刷作用，可防止電極界面的濃差極化。
3、本實用新型中使用的波紋圓筒陽極和波紋圓筒陰極的材料為鐵或不鏽鋼材料，以滿足陽極電Fenton法靠可溶性陽極電極反應溶解Fe2+的要求，而現有的超重力多級同心圓筒式電解反應選取析氧電位較高的電極(如鈦電極，鈦基塗層電極)做陽極，以防止電解法反應過程中陽極上的析氧競爭反應。處理方法不同，電極材料選用也不同。依靠與轉軸連接的陽極連接盤及鐵或不鏽鋼材料的波紋圓筒陽極旋轉形成超重力場。這樣的電極結構還未見使用的報導。4、旋轉的鐵或不鏽鋼同心波紋圓筒陽極及陽極連接盤、靜止的鐵或不鏽鋼同心波紋圓筒陰極及陰極連接盤，以及投加的H2O2溶液組成超重力多級犧牲陽極電Fenton反應體系。依靠超重力場中產生的強大剪切力使電Fenton反應過程中產生的氣體的線速度得到提高來加快氣泡的脫離，維持電極有效活化面積，提高電極表面的傳質速率。同時超重力技術的微觀混合性能使得陽極溶解的Fe2+和投加的H2O2在廢水傳輸過程中的濃差極化消除，也使二者之間以及廢水中其它離子之間的傳質過程得以強化。利用該工藝可使廢水的處理效率提高。利用該裝置，可使傳統的電Fenton反應裝置的傳質受限的問題能得到很好的解決。目前還未有該結構的裝置和該技術的工藝在廢水處理中的應用。5、超重力多級犧牲陽極電Fenton法處理難降解廢水過程，相比常重力條件下電Fenton反應過程，在轉速500r/mirTl000r/min時，槽電壓可降低4% 25%,處理時間可縮短30% 80%，汙染物去除率可提高7%-25%。綜上所述，超重力電Fenton法處理廢水的工藝和裝置不僅可強化傳統的電Fenton反應的傳質過程，而且電極面積利用率、氧氣利用率、H2O2的生產率，處理效率均會提高，設備體積小，負荷低，能耗低，適合連續運行、規模處理，具有廣闊的應用前景。目前還未有該結構的裝置和該技術的工藝在廢水處理中的應用。

圖1是本實用新型的示意圖，圖2是超重力多級犧牲陽極電Fenton反應裝置剖面圖，圖3是電極及電極連接盤俯視圖，圖中:1_超重力多級犧牲陽極電Fenton反應裝置，2-電化學反應控制系統或直流穩壓電源，3-閥門I，4-廢水貯槽，5-閥門II，6-泵，7-閥門III，8-流量計，9-閥門IV ；1.1-外殼，1.2-陽極連接盤，1.3-波紋圓筒陽極，1.4_波紋圓筒陰極，1.5_陰極連接盤，1.6-廢水進口管，1.7-氣體出口管，1.8-廢水出口管，1.9-轉軸，1.10-滑環。
具體實施方式
超重力多級犧牲陽極電Fenton反應裝置包括:有機玻璃外殼，陽極連接盤及波紋圓筒陽極，陰極連接盤及波紋圓筒陰極，處理前廢水中投加H2SO4溶液，波紋圓筒陽極發生電解反應溶解出Fe2+，廢水中投加H2O2溶液，Fe2+與投加的H2O2發生Fenton反應，構成電Fenton反應體系。波紋圓筒陽極和波紋圓筒陰極同心、交替排列，構成多級電Fenton反應裝置。反應過程中，廢水連續進入多級電Fenton反應裝置，波紋圓筒陰極及陰極連接盤呈靜止狀態，波紋圓筒陽極及陽極連接盤在中心轉軸帶動下高速旋轉，形成超重力多級電Fenton反應過程。超重力環境的營造可強化廢水降解反應中的傳質過程，維持較大的電極表面積和體反應速率。進一步說，如圖1、圖2、圖3所示，超重力多級犧牲陽極電Fenton法處理難降解廢水的裝置，其特徵在於包括有機玻璃外殼1.1，外殼1.1內置若干波紋圓筒陽極1.3及陽極連接盤1.2和若干波紋圓筒陰極1.4及陰極連接盤1.5，波紋圓筒陽極1.3和波紋圓筒陰極
1.4同心交替排列，各波紋圓筒陰極1.4底端連接於陰極連接盤1.5，各波紋圓筒陽極1.3頂端連接於陽極連接盤1.2，波紋圓筒陰極1.4及陰極連接盤1.5相對外殼1.1靜止，各波紋圓筒陰極1.4的自由端與陽極連接盤1.2之間以及各波紋圓筒陽極1.3的自由端與陰極連接盤1.5之間均留有距離，連接波紋圓筒陽極1.3的陽極連接盤1.2的中心連接可高速旋轉的轉軸1.9，外殼1.1頂部設置有氣體出口管1.7，相對外殼1.1靜止的陰極連接盤1.5的中心開孔連接於與處理前廢水儲槽5相連的廢水進口管1.6，外殼1.1底部設置有處理後的廢水出口管1.8。所述的波紋圓筒陽極1.3和波紋圓筒陰極1.4高度相等，各波紋圓筒陽極1.3距離陰極連接盤1.5的距離與各波紋圓筒陰極距離陽極連接盤1.2的距離相等，其距離為波紋圓筒電極高度的1/10 1/5，各波紋圓筒陽極1.3與陽極連接盤1.2之間以及各波紋圓筒陰極1.4與陰極連接盤1.5之間可自由拆卸式連接。所述的波紋圓筒陽極1.3和波紋圓筒陰極1.4選用鐵或不鏽鋼材料。所述的波紋圓筒陽極1.3和波紋圓筒陰極1.4的波紋彎曲角度為90°，每150mm高的圓筒電極上設置波紋個數5 10個，波紋峰高IOmm 15mm。所述的超重力多級犧牲陽極電Fenton反應裝置中，轉軸1.9帶動陽極連接盤1.2及波紋圓筒陽極1 .3旋轉，通過調節轉速來控制不同的超重力場大小。陰極連接盤1.5和廢水進口管1.6連接，呈靜態固定。波紋圓筒陽極1.3和波紋圓筒陰極1.4接線通過滑環
1.10分別連接至電化學反應控制系統或直流穩壓電源2的正負極上。進一步說，超重力多級犧牲陽極電Fenton法處理難降解廢水的工藝，其步驟如下:向廢水貯槽4中投加酸性溶液調節廢水初始pH值。開啟電化學反應控制系統或直流穩壓電源2後，廢水經廢水貯槽4、泵6加壓、閥門III 7調節流量、流量計8計量流量後，由廢水進口管1.6進入超重力多級犧牲陽極電Fenton反應裝置I中。通過調節轉速來控制不同的超重力場大小。陽極連接盤1.2上連接的波紋圓筒陽極1.3發生電解反應，失去兩個電子氧化成Fe2+，廢水中投加H2O2溶液，Fe2+與投加的H2O2發生Fenton反應，進而降解廢水。降解後的廢水經外殼1.1收集，由廢水出口管1.8流出，或經閥門I 3排放或進行下一步處理，或流至廢水貯槽4循環降解廢水。廢水處理結束後，廢水貯槽4中的廢水經閥門II 5排放，氣體由氣相出口管1.7、閥門IV 9排放或收集。實施例1:超重力多級犧牲陽極電Fenton反應裝置及其工藝處理焦化廠難降解含酚廢水超重力多級犧牲陽極電Fenton反應裝置的外殼由有機玻璃材料製成。內徑400mm,高240_。同心波紋圓筒陽極材料為鐵，同心波紋圓筒陰極材料為不鏽鋼。波紋圓筒陰陽電極間距5mm，陰極或陽極電極個數5個，電極高度150mm，圓筒陰極距陽極盤距離與圓筒陽極距陰極盤距離相等為10mm。某焦化廠難降解含酚廢水中初始酚含量為6200mg/L，COD含量為8400mg/L。處理前廢水貯槽中投加H2SO4溶液調節廢水初始pH為3.5，開啟直流穩壓電源，調節電壓為10V，廢水由廢水進口管進入超重力多級犧牲陽極電Fenton反應裝置中，調節轉速500r/min，廢水中投加30%的H2O2溶液10ml。反應後廢水流經廢水貯槽中繼續循環處理。處理5min後，廢水中酚去除率可達95.6%，COD去除率可達91.6%。而在常重力條件下犧牲陽極電Fenton反應，在12V，處理廢水5min後 ，酚去除率僅為82.5%，COD去除率可達77.8% ;處理30min後，廢水酚去除率為91.3%,COD去除率為87.7%。採用超重力多級犧牲陽極電Fenton反應裝置及工藝可明顯加強常重力條件下，即傳統電Fenton反應的傳質過程，使得處理難降解廢水時，處理時間大大縮短，降解效果明顯提高。實施例2:超重力多級犧牲陽極電Fenton反應裝置及其工藝處理火炸藥廠二硝基甲苯廢水超重力多級犧牲陽極電Fenton反應裝置的外殼由有機玻璃材料製成。內徑300mm,高200_。同心波紋圓筒陽極材料為鐵，同心波紋圓筒陰極材料為不鏽鋼。波紋圓筒陰陽電極間距5mm，陰極或陽極電極個數4個，電極高度120mm，圓筒陰極距陽極盤距離與圓筒陽極距陰極盤距離相等為10mm。火炸藥廠二硝基甲苯廢水中COD含量為3300mg/L。處理前廢水貯槽中投加H2SO4溶液調節廢水初始PH為2.5，開啟直流穩壓電源，調節電壓為9V，廢水由廢水進口管進入超重力多級犧牲陽極電Fenton反應裝置中，調節轉速750r/min，廢水中投加30%的H2O2溶液6ml。反應後廢水流經廢水貯槽中繼續循環處理。處理5min後，廢水中COD去除率可達87.4%。而在常重力條件下犧牲陽極電Fenton反應，在12V，處理廢水5min後，COD去除率可達62.3% ;處理30min後，COD去除率為81.8%。採用超重力多級犧牲陽極電Fenton反應裝置及工藝可明顯加強常重力條件下，即傳統電Fenton反應的傳質過程，處理廢水時間縮短，去除效果明顯提高。實施例3:超重力多級犧牲陽極電Fenton反應裝置及其工藝處理有機氯農藥廢水超重力多級犧牲陽極電Fenton反應裝置的外殼由有機玻璃材料製成。內徑200mm,高140mm。同心波紋圓筒陽極材料為鐵，同心波紋圓筒陰極材料為鐵。波紋圓筒陰陽電極間距5mm，陰極或陽極電極個數3個，電極高度80mm，圓筒陰極距陽極盤距離與圓筒陽極距陰極盤距離相等為4mm。有機氯農藥廢水中COD含量為760mg/L。處理前廢水貯槽中投加H2SO4溶液調節廢水初始PH為3.0，開啟直流穩壓電源，調節電壓為7.5V，廢水由廢水進口管進入超重力多級犧牲陽極電Fenton反應裝置中，調節轉速1000r/min，廢水中投加30%的H2O2溶液2ml。反應後廢水流經廢水貯槽中繼續循環處理。處理5min後，廢水中COD去除率可達93.7%。而在常重力條件下犧牲陽極電Fenton反應，在10V，處理廢水5min後，COD去除率可達68.6% ；處理30min後，COD去除率為83.3%。採用超重力多級犧牲陽極電Fenton反應裝置及工藝可明顯加強常重力條件下，即傳統電Fenton反應的傳質過程，使得處理廢水時間縮短，去除效果 提聞。
權利要求1.一種超重力多級犧牲陽極電Fenton法處理難降解廢水的裝置，其特徵在於包括有機玻璃外殼(1.1)，外殼(1.0內置若干波紋圓筒陽極(1.3)及陽極連接盤(1.2)和若干波紋圓筒陰極(1.4)及陰極連接盤(1.5)，波紋圓筒陽極(1.3)和波紋圓筒陰極(1.4)同心交替排列，各波紋圓筒陰極(1.4)底端連接於陰極連接盤(1.5)，各波紋圓筒陽極(1.3)頂端連接於陽極連接盤(1.2)，波紋圓筒陰極(1.4)及陰極連接盤(1.5)相對外殼(1.1)靜止，各波紋圓筒陰極(1.4)的自由端與陽極連接盤(1.2)之間以及各波紋圓筒陽極(1.3)的自由端與陰極連接盤(1.5)之間均留有距離，連接波紋圓筒陽極(1.3)的陽極連接盤(1.2)的中心連接可高速旋轉的轉軸(1.9 )，外殼(1.1)頂部設置有氣體出口管(1.7 )，相對外殼(1.1)靜止的陰極連接盤(1.5)的中心開孔連接於與處理前廢水儲槽(5)相連的廢水進口管(1.6)，外殼(1.1)底部設置有處理後的廢水出口管(1.8)。
2.根據權利要求1所述的超重力多級犧牲陽極電Fenton法處理難降解廢水的裝置，其特徵在於所述的波紋圓筒陽極(1.3)和波紋圓筒陰極(1.4)高度相等，各波紋圓筒陽極(1.3)距離陰極連接盤(1.5)的距離與各波紋圓筒陰極距離陽極連接盤(1.2)的距離相等，其距離為波紋圓筒電極高度的1/10 1/5，各波紋圓筒陽極(1.3)與陽極連接盤(1.2)之間以及各波紋圓筒陰極(1.4)與陰極連接盤(1.5)之間可自由拆卸式連接。
3.根據權利要求1或2所述的超重力多級犧牲陽極電Fenton法處理難降解廢水的裝置，其特徵在於所述的波紋圓筒陽極(1.3)和波紋圓筒陰極(1.4)選用鐵或不鏽鋼材料。
4.根據權利要求3所述的超重力多級犧牲陽極電Fenton法處理難降解廢水的裝置，其特徵在于波紋圓筒陽極(1.3)和波紋圓筒陰極(1.4)的波紋彎曲角度為90°，每150mm高的圓筒電極上設置波紋個·數5 10個,波紋峰高IOmm 15mm。
專利摘要本實用新型屬於水處理技術領域，具體是一種超重力多級犧牲陽極電Fenton法處理難降解廢水的裝置及工藝，解決了犧牲陽極電Fenton法處理難降解廢水時傳質受限的難題。所述裝置，包括若干波紋圓筒陽極及陽極連接盤和若干波紋圓筒陰極及陰極連接盤，波紋圓筒陰極及陰極連接盤相對外殼靜止，陽極連接盤的中心連接轉軸。所述工藝，利用旋轉的波紋圓筒陽極及陽極連接盤、靜止的波紋圓筒陰極及陰極連接盤以及H2O2溶液組成超重力多級犧牲陽極電Fenton反應體系。本實用新型可強化電Fenton反應的傳質過程，電極面積利用率、氧氣利用率、H2O2的生產率，處理效率均會提高，設備體積小，負荷低，能耗低，適合連續運行、規模處理。
文檔編號C02F1/72GK203128264SQ201320143979
公開日2013年8月14日 申請日期2013年3月27日 優先權日2013年3月27日
發明者劉有智, 高璟, 祁貴生, 袁志國, 慄秀萍, 申紅豔, 張巧玲, 焦緯洲, 王建偉 申請人:中北大學