有機廢水的三相活性炭流化床電化學處理裝置的製作方法
2023-05-06 00:18:16 2
專利名稱：有機廢水的三相活性炭流化床電化學處理裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種用於有機廢水尤其是難生化降解的有機廢水的三相活性炭流化床電化學處理裝置。
背景技術：
含有難生化降解有機汙染物的廢水，由於其結構穩定、可生化性差，常規處理方法難以致效，給環境帶來很大汙染，成為環保水處理領域多年關注和要解決的技術問題。
活性炭由於其發達的細孔結構、巨大比表面積和極強吸附能力，在給水、廢水處理方面獲得了廣泛的應用。但活性炭成本高，且易吸附飽和，若不進行再生回收還會對環境造成二次汙染，因此，活性炭吸附在廢水處理中的應用受到了限制。
近年來，電化學氧化技術因其處理效率高、操作簡便、環境友好等優點，引起了世界各國水處理界的極大關注，紛紛開展了電極材料的探索和電化學處理工藝的開發(Rajeshwar et al.，J.Appl.Electrochem.，1994，241077)。研究表明，二氧化鉛等高析氧過電位的電極能在極化條件下氧化能力很強的羥基自由基，因而獲得較好的汙染物降解效果。但在常規的電化學反應器中，因受傳質限制，羥基自由基往往轉移不到溶液主體中去，因而汙染物的降解通常僅發生在陽極表面，而溶液主體很少發生，這使得有機汙染物降解的時空速率較低。並且由於降解的中間產物滯留在陽極表面，引發陽極表面發生毒化現象，從而抑制了產生羥基自由基的反應，降低了汙染物處理效果。
因此，迫切需要優化電化學反應器的設計，加強陽極表面產生的羥基自由基向溶液主體的傳質。而流化床是有望達到這一目的的手段之一，通過引入活性炭並形成流化狀態，將可能促進汙染物的吸附、降解，從而提高降解速率，降低廢水處理成本。
發明內容
本實用新型的目的是設計提供一種有機廢水的三相活性炭流化床電化學處理裝置。
本實用新型的有機廢水的三相(氣、液、固)活性炭流化床電化學處理裝置，包括殼體，在殼體的上、下部分別安裝有將殼體自上而下依次分成出水室，電化學反應室和進水室的第一水力分布板和第二水力分布板，出水室和進水室分別設有出水口和進水口，在電化學反應室環繞殼體的內壁裝置陰極，中心設置陽極，陰極與陽極之間具有放置活性炭的空腔，在進水室中環形分布有與進氣管相連的曝氣頭。
上述的陰極可以採用不鏽鋼網或活性炭纖維，陽極可以採用高析氧過電勢電極，如二氧化鉛、二氧化錫或金剛石電極。相對而言，二氧化鉛電極成本低廉且催化活性高，但穩定性不高，電極表面易發生剝落，而經過氟樹脂改性後，其穩定性大為提高，電極壽命大為增加，因而更易於工業應用，因此，陽極優選經過氟樹脂改性的二氧化鉛。
使用本實用新型的裝置處理有機廢水在常溫常壓下進行，將活性炭填充於陰陽兩極間，在待處理的有機廢水中加入硫酸鹽或鹽酸鹽，如Na2SO4或NaCl等常見的強鹽電解質，使廢水含鹽量為1～15g/L，並調節pH值為2～5，將廢水從殼體底部進水口泵入，依次流經進水室，下部水力分布板、電化學反應器，上部水力分布板、出水室至殼體頂部出水口流出，在進氣管通入氧氣或空氣，外加直流電流0.2～2.5A，水流量控制在1～5L/min，氣體速率控制在0～50mL/s，使活性炭處於流化狀態。外加直流電流的大小和水的流量及處理時間，可根據處理廢水的水質進行調節。
本實用新型的有機廢水處理機理主要為電化學氧化、活性炭吸附及其電化學再生。本實用新型採用的高析氧過電勢電極在合適的電勢條件下產生氧化性極強的羥基自由基(·OH)，其反應如下，(1)當水中投加鹽酸鹽(如NaCl等)電解質時，在陽極上還會發生如下反應，(2)(3)(4)產生次氯酸，它是一種強氧化劑，從而促進了有機物的進一步降解。處理時，通過流量的控制，使得活性炭處於流化狀態，活性炭的吸附和脫附速率大大加快，產生於陽極表面的羥基自由基等強氧化劑迅速傳質到溶液主體和活性炭表面，從而使得汙染物(R)發生如下反應而快速高效降解，這樣活性炭得以再生。
(5)
本實用新型的有機廢水三相活性炭流化床電化學處理裝置將電化學氧化和活性炭吸附有機結合於一體，可大大提高廢水處理效果，降低廢水處理成本。並具有以下優點(1)脫附於活性炭表面的汙染物能得到高效的降解。本實用新型採用了新型高效陽極，該電極處理有機汙染物主要基於羥基自由基氧化機理。眾所周知，羥基自由基是僅次於氟的強氧化劑，因此，汙染物處理效果大大提高，試驗表明對苯環類有機汙染物降解的電流效率可高達80％，能量利用率高。另外，通過電解質(如NaCl)的加入，能通過電化學反應產生次氯酸，共同氧化降解有機汙染物，從而使得廢水處理更徹底。
(2)活性炭吸附、再生時間大大縮短。在活性炭流化狀態下，傳質作用加強，有機汙染物脫附、降解大大加快。活性炭再生實驗表明，處理1.5hr即可使飽和吸附的活性炭再生效率達到92％以上。此外，由於陽極表面傳質快，不會發生電極毒化的現象。
(3)電極體系運行穩定。本實用新型採用的陽極性能穩定，耐酸腐蝕，以經氟樹脂改性的二氧化鉛電極為例，測試表明，即使在電流密度120Adm-2、溫度90℃的極端條件下，該電極的壽命仍高達1000hr，常規工業應用條件下，電極壽命可達10.4年，這有利於本體系的工業應用。
圖1是有機廢水的三相活性炭流化床電化學處理裝置結構示意圖。
圖中1為端蓋，2為出水室，3為第一水力分布板，4為法蘭，5為陽極，6為第二水力分布板，7為進水口，8為進水室，9為顆粒活性炭，10為電化學反應室，11為殼體，12為陰極，13為出水口，14為曝氣進氣管，15為曝氣頭。
具體實施方式
從下結合附圖及具體實施例對本實用新型作進一步描述。
參照圖1，有機廢水的三相活性炭流化床電化學處理裝置包括殼體11，圖例中，殼體11具有用法蘭4密閉連接的端蓋1，在端蓋內安裝有第一水力分布板3，在殼體的下部安裝有第二水力分布板6，這裡，水力分布板是常規的分布有孔的板，該兩塊水力分布板將殼體自上而下依次分成出水室2，電化學反應室10和進水室8，出水室2和進水室8分別設有出水口13和進水口7，在電化學反應室環繞殼體的內壁裝置陰極12，中心設置陽極5，陰極12可以是不鏽鋼網或活性炭纖維，陽極5採用高析氧過電位電極。在電化學反應室10下方的進水室8中，環形分布有曝氣頭15，曝氣頭15與進氣管14相連，這樣可以均勻分布進氣管14曝入的氣體。為方便陽極接電源，可如圖所示，使陽極5穿越第一水力分布板3，與端蓋固定。陰極12與陽極5之間具有放置活性炭9的空腔。殼體可採用透明材料，如有機玻璃，以便於觀察。
實施例1三相活性炭流化床電化學處理對硝基苯酚廢水電化學反應室的陽極為經氟樹脂改性的二氧化鉛陶瓷管電極，陰極為不鏽鋼網。廢水處理前，在電化學反應室中加入3g活性炭，在廢水中加入NaCl，使廢水含鹽量為5g/L，並調節廢水pH至3，通過控制電流為0.5A，液體流速為3.0L/min，空氣曝氣速率為20mL/s，使得活性炭處於流化狀態。
試驗表明，對於初始濃度為150mg/l的對硝基苯酚(PNP)廢水，處理20min後對硝基苯酚幾乎完全去除，而2hr內化學需氧量(COD)去除率可達85％以上。相似條件下，在單獨的活性炭吸附和電化學氧化中，處理20min後對硝基苯酚去除率約分別為35％和53％。這表明，該三相活性炭流化床電化學反應裝置處理廢水存在明顯的協同效應，經計算對硝基苯酚和COD的處理效果較相似條件下單獨的電催化作用和活性炭吸附分別提高137.8％和97.8％。
同樣條件下，對於初始濃度為300、500mg/L的PNP廢水，其60min內的去除率分別為90％和80％。
連續6次不換活性炭連續處理汙染物的循環實驗表明，廢水處理效率無明顯下降，表明活性炭得到有效的再生，這顯示了三相活性炭流化床電化學反應裝置在難降解有機廢水處理領域的良好應用前景。由於處理過程，廢水處理將因電催化和活性炭吸附的聯合作用而大大加快，而活性炭可得到有效再生而重複利用，因此大大降低了處理成本。
實施例2三相活性炭流化床電化學處理苯酚廢水採用同例1的電化學體系處理含300mg/L的苯酚廢水。處理前，在電化學反應室中加入3g活性炭，在廢水中加入Na2SO4，使廢水含鹽量為10g/L，並調節廢水pH至3，通過控制電流為0.8A，液體流速為3.25L/min，氧氣速率為15mL/s，使得活性炭處於流化狀態。試驗表明，處理30min後苯酚幾乎完全去除，而2.0hr內化學需氧量(COD)去除率達到93％。
實施例3活性炭電化學再生為了直接證實活性炭在上述三相流化床電化學裝置中的再生作用，採用例1中活性炭3g，預先投入初始濃度為1000mg/L的對硝基苯酚溶液中吸附3天達到飽和。然後將該活性炭移入電化學反應室，通入含電解質的水溶液進行電化學再生。其他實驗條件如含鹽量、電解質、溶液pH、電流、氣體、液體流速與例1完全相同。實驗表明，在上述反應器中電化學處理1.5hr，活性炭再生效率可達90％。
權利要求1.有機廢水的三相活性炭流化床電化學處理裝置，其特徵是包括殼體(11)，殼體(11)具有用法蘭(4)密閉連接的端蓋(1)，在殼體的上、下部分別安裝有將殼體自上而下依次分成出水室(2)，電化學反應室(10)和進水室(8)的第一水力分布板(3)和第二水力分布板(6)，出水室(2)和進水室(8)分別設有出水口(13)和進水口(7)，在電化學反應室環繞殼體的內壁裝置陰極(12)，中心設置陽極(5)，陰極(12)與陽極(5)之間具有放置活性炭(9)的空腔，在進水室(8)中環形分布有與進氣管(14)相連的曝氣頭(15)。
2.根據權利要求1所述的有機廢水的三相活性炭流化床電化學處理裝置，其特徵是所說的陰極(12)為不鏽鋼網或活性炭纖維，陽極(5)為高析氧過電位電極。
3.根據權利要求2所述的三相活性炭流化床電化學處理裝置，其特徵是所說的高析氧過電位電極為二氧化鉛、二氧化錫或金剛石電極。
4.根據權利要求1所述的有機廢水的三相活性炭流化床電化學處理裝置，其特徵是第一水力分布板(3)安裝在與殼體(11)密閉連接的端蓋(1)上。
5.根據權利要求1所述的有機廢水的三相活性炭流化床電化學處理裝置，其特徵是陽極(5)穿越第一水力分布板(6)，與端蓋固定。
專利摘要本實用新型的有機廢水的三相活性炭流化床電化學處理裝置，包括殼體，在殼體的上、下部分別安裝有將殼體自上而下依次分成出水室，電化學反應室和進水室的第一水力分布板和第二水力分布板，出水室和進水室分別設有出水口和進水口，在電化學反應室環繞殼體的內壁裝置陰極，中心設置陽極，陰極與陽極之間具有放置活性炭的空腔，在進水室中環形分布有與進氣管相連的曝氣頭。該裝置將電化學氧化和活性炭吸附有機結合於一體，用於處理有機廢水在常溫常壓下進行，使活性炭處於流化狀態，可大大提高廢水處理效果，降低廢水處理成本。
文檔編號C02F1/46GK2729049SQ20042009062
公開日2005年9月28日 申請日期2004年9月29日 優先權日2004年9月29日
發明者周明華, 戴啟洲, 汪大翬 申請人:浙江大學