處理汙水的電解池的製作方法

2024-03-01 04:50:15

專利名稱：處理汙水的電解池的製作方法
技術領域：
本發明涉及處理含微生物的汙水的方法，在其內進行該方法的電解池，和處理來自於各種應用和來源的汙水的電解池的用途。
背景技術：
相當長時間以來，人們已進行了對含微生物的廢水的處理。然而，迄今為止基於電解的處理方法並不是完全沒有問題的。以前低效的工藝以及昂貴的設備或高能耗已經阻礙了對可在例如廢水、冷卻水、壓艙水和循環洗滌水中出現的微生物進行的改進的處理。US5419824公開了一種用於破壞汙染物的電解池。然而，這一方法非常昂貴且對於其中處理大體積的水的應用來說是低效的，這是因為壓降大、流速低和電流效率低。
在WO02/26635中，公開了進一步嘗試降低汙染物和微生物的實施方案，其中施加交流電到電解池上。然而，看起來它並不總是在該電解池內進行化學反應的成功方式。
在現有技術中，進一步看到含降低汙染物的清潔體系常常具有裝配到管線上的反應器罐，其中待清潔的介質流經所述管線。然而，這一結構常常導致壓降和待清潔的介質的較低通過量。保留時間也可能延長，尤其當需要快速處理大體積的汙水時，這並不總是令人滿意的。
本發明擬提供一種解決現有技術問題的有效的方法和電解池。本發明的進一步的目的是提供一種對在電解池內氫和氯形成的改進的控制。
本發明本發明涉及一種電解池，所述電解池包括確定電解槽區的至少一個電極對，所述電極對包括基本上平行排列且在其間沒有隔膜裝置的陽極和陰極，從而允許電解質在所述陽極和陰極之間的高通過量，其中所述陽極和陰極能夠處理在電導率為約0.0001-約100S/m的水流內通過所述電極對的微生物，所述電解池進一步包括在所述陽極和陰極之間施加電壓的裝置和將直流電施加到所述電解池上的裝置。在電極對內可能發生下述陽極和陰極反應陽極反應a)b)c)d)e)有機物質的氧化陰極反應a)b)c)d)e)有機物質的還原尤其在電極對的陽極和陰極之間由以上列出的反應式形成的陽極和陰極產物之間出現的可能的化學反應尤其包括a)b)c)d)e)其它反應，例如羥基自由基的形成，正如在「Degradation ofOrganic Pollutants by the Advanced Oxidation Processes」，Chinese J.of Chem.Eng，7(2)110-115(1999)中進一步描述的。
術語「橫截面面積」是指當電解質從電解池的進口流動到出口時，電解質流過其中的電解池面積。電解池的橫截面面積可沿著流動路徑變化，但優選這一面積恆定。在所述至少一個電極對的位置處，陽極和陰極構成電解質可流過其中的部分開放區域。開放的橫截面面積在此處定義為沒有被電極阻擋的區域佔在所述位置處電解池的總橫截面面積的百分數。
術語「電極對」是指彼此具有相對小的距離一起布置的陽極和陰極，優選該距離小於至電解池內任何其它可能的電極對或單一電極的距離。優選地，在電極對內陽極和陰極之間的距離為約0.2-約10，優選約0.2-約5，和最優選約0.2-約3mm。優選地，相鄰電極對之間的距離為在每一電極對內的陽極與陰極之間距離的約3-約25，最優選約5-約15倍，即為約0.6-約250，最優選約1-約150mm。
在上述電解池的說明中，發現在電極對內隔膜裝置有損於整個電解池的功能，這尤其是由於下述事實導致的由於被處理介質的通過量下降，因此它可導致顯著的壓降；而且是由於下述事實導致的這種隔膜裝置可抑制在陽極和陰極處發生的反應產物之間所需的反應。
施加直流電的裝置可以是例如常規的整流器。已發現，為了保護在每一電極對內發生所需的反應，陽極優選被在該陽極上形成的反應產物可進一步在其上反應的陰極緊跟著，以便微生物的含量可成功地保持在最小的水平下。在施加交流電到電解池上的情況下，這一方法並不可總是成功地進行，這是因為這種電流改變電極的極性並且所需的反應不會及時發生。若在陽極上的反應產物沒有進一步反應形成羥基自由基，則反應產物可能會分解，結果沒有發生羥基自由基的選擇形成。這當然有損於該方法，因為羥基自由基對處理微生物來說是重要的。
優選地，如此排列電極對，以便進入電解池內的水流首先遇到陽極，然後陰極，以便來自陽極的產物可在陰極處反應或者與來自陰極反應的產物混合，進一步增加該方法的效率且還降低在含氯化物的水中三滷代甲烷(THM)或其它有毒氯化有機物的形成。這在陽極和陰極之間不具有任何中間隔膜的電極對結構中是尤其有利的。來自陽極反應的反應產物於是可立即與陰極的反應產物混合，可進一步在陰極處反應。當在含氯的水體系內電解時，Cl2的有毒反應產物因此可進一步轉變成較小毒性或者無毒的ClO或OH自由基或類似物，和其它反應產物也可轉變成可充當有效消毒劑的無毒化合物，所述消毒劑可還原COD和BOD，結果在所形成的Cl2和有機化合物之間基本上沒有發生THM的形成反應。隨後可能的電極對優選按照與第一電極對相同的方式排列。然而，其它排列方式也是可能的，例如其中在電解質的流動方向上陰極排列在陽極之前。
根據一個優選的實施方案，構成反應區或電解池的一個或多個電極對被整合到待純化的水流過其中的管道系統內。電解池因此可具有與汙水供應經過其中的管道相同的直徑。這導致更加簡單和更加成本有效的系統，所述系統可容易地裝配並輸送到其中進行純化的場所處。
在陽極和陰極的相對位置的排列布局的上下文中，術語「基本上平行」是指電極可彼此成一定角度排列，儘管這不是優選的。在電極對內陽極和陰極之間的角度因此不一定是0°，0°是若它們平行地排列時的情況。優選地，陽極和陰極之間的角度為約0-約45°，更優選約0-約30°，和最優選約0-約10°。
電極，即陽極和陰極，合適地包括具有孔隙的電極基底，例如網，例如多孔金屬網；金屬絲布、穿孔板或片材金屬、燒結的金屬纖維、燒結的金屬粉末或任何其它穿孔的結構。孔隙可具有任何合適的形狀，但優選孔隙的形狀為菱形、正方形、矩形、梯形或圓形等。孔隙的尺寸(例如菱形的邊長)的範圍合適地為約0.5-約50，優選約0.5-約15mm。每一孔隙優選具有約0.01-約2500，更優選約0.2-約500，和最優選約1-約100mm2的面積。當電解質流經該電解池時，這一電解池結構提供低的壓降。
優選地，由鎳、鈦或其它合適的金屬或導電非金屬材料，石墨纖維、石墨化的布料或導電金屬氧化物製造陰極基底。
優選地，由鈦、鈮或其它合適的金屬或導電非金屬材料，例如p-摻雜的矽製造陽極基底。
優選的陽極塗層包括硼摻雜的金剛石(BDD)、PbO2和SnO2。其它合適的陽極塗層是鍍鉑的鈦、鉑、活性炭、石墨以及在歐洲專利申請No.03445079.1中提及的塗層材料。
優選的陰極塗層包括硼摻雜的金剛石(BDD)、活性炭、石墨以及在歐洲專利申請No.03445079.1中提及的塗層材料。
優選地，所述至少一個陽極和陰極的開放橫截面面積為全部橫截面面積的約20-約75，和最優選約25-約60％。當開放橫截面面積增加時，在電解池內的壓降下降，這是因為電解質可更加容易地流經該電解池。
優選地，各電極的厚度為約0.2-約3，更優選約0.2-約2，和最優選約0.2-約1.5mm。
優選地，電極是單極的，以便可獨立地調節每一電極對的電流負載和電解池的電壓。然而，在一些布局中可使用雙極電極。
優選地，陽極和陰極的比表面積為約1-約1000，最優選約10-約1000m2/m2投影表面積。
陰極合適地具有高的氫氣形成過電壓，優選高於約300，和最優選高於約500mV。優選地，陽極具有高的氧氣形成過電壓，優選高於約400mV，和最優選高於約700mV。
電極可被壓痕、壓花、構圖或糙化，以增加在電極對附近的局部湍流。
電極對的數量取決於待處理的微生物的流速和濃度。然而，電解池優選包括約1-約10，更優選約1-約7，和最優選約2-約5對電極對。
電極對優選安裝在合適的外殼或支持電極的組件內。
優選地，電解池的橫截面面積為約0.00003-約5，優選約0.0001-約2，和最優選約0.001-約1m2。進口和出口合適地具有與電解池相同的尺寸和橫截面面積，以最小化壓降。然而，其它進口和出口面積也是可能的，例如與電解池的橫截面面積相比，在進口處較大的橫截面面積使得水流是更加湍動的。
本發明還涉及處理含微生物的汙水的方法，該方法包括將汙水流以約1-約1000m3/h的體積流速供應經過電解槽區，所述水流的電導率為約0.0001-約100S/m，在能夠處理微生物的由至少一對電極對確定的所述電解槽區內電解所述水流，所述至少一對電極對包括陽極和陰極且沒有隔膜裝置，所述水流基本上垂直導引通過所述至少一個陽極和陰極，同時在所述陽極和陰極上施加電壓，並施加直流電到所述陽極和陰極上，從電解槽區回收處理過的水流。
相對於通過電極對的水流方向，此處所使用的術語「基本上垂直」是指水流對於構成電極對的陽極和陰極平面可垂直地流動，即與所述平面成直角或90°，但與所述「直角」流動偏離最多約60°也是可能的。
優選地，水流的體積流速為約1-約750，更優選約5-約500，和最優選約10-約500m3/h。線性流速合適地為約0.1-約10，優選約0.2-約8，和最優選約0.2-約5m/s。已發現，在本發明範圍內的體積流速及其對應的線性流速提供增加的電流效率，從而需要較少的電流處理微生物。
優選地，進入電解池內的水流的線性流速如此高，以便當水流到達第一電極時，容易實現湍流。增加的湍流導致增加的傳質，而增加的傳質本身又得到更有效的微生物處理。優選地，在電解池內的雷諾數高於約2000，和最優選高於約5000。然而，雷諾數優選低於約100000。
可通過增加水的流速來增加渦流和因此增加傳質。
在電解池內發生電解導致產生可殺滅微生物的羥基自由基和過氧化氫，以便防止生物結垢和其它不想要的微生物效果。該電解池也可用於降低汙水內的COD。
可通過在此處定義的合適的陽極上氧化水，直接在陽極表面上生成羥基自由基。由於在陽極表面處形成的氧化或富氧化合物，例如臭氧、過氧化氫和氧氣的分解，或者通過這些化合物在陰極表面處的還原，也可形成羥基自由基和其它類型的自由基。也可通過所述氧化或富氧化合物在電解質內的反應形成羥基自由基。也可在陰極處產生過氧化氫並對水處理產生長期效果。
隨著陽極表面距離增加，羥基自由基的濃度快速下降，這是因為羥基自由基容易反應。因此，溶解在水中的微生物與在電極表面處產生的羥基自由基的反應在非常接近其表面處發生。在陽極表面處的增加的陽極表面積和湍流水流增加傳質速度。
有時，調節待處理的水的pH和/或電導率可能是有利的或者甚至是必要的。
術語「微生物」包括微觀尺寸的任何生物體，例如浮遊生物、細菌、原生動物或病毒。
根據優選的實施方案，電解池可有時在恆定或者在脈衝電流負載下操作，以進一步改進微生物的處理。脈衝負載可以是任何合適種類的脈衝負載，例如三角形、正弦或階式的，且可及時變化。優選地，平均電流密度為約10-約5000，更優選約10-約1000，和最優選約25-約750A/m2。
根據另一優選的實施方案，可採用反向負載操作電解池，以除去結垢的沉積物。反向負載可以與此處所述的正常負載處於相同的數量級，且反向負載的時間和頻率可以變化。
這些措施使得可以連續操作電解池。可使流體一次通過電解池或者使部分流體或全部流體循環，從而操作電解池。儘管優選一次通過的操作，但若微生物濃度仍然高或者電極對的數量對於僅僅一次通過操作來說不足，則可能需要流體循環經過電解池。然而，也可作為半連續或間歇式方法進行該方法。
進一步發現，可操作這一方法，其方式使得基本上沒有形成氯。測量和控制體系，例如獲自Prominent Dosiertechnik GmbH的DULCOMETER儀器被合適地連接到電解池上，以便監控其操作，其中包括pH和殘留的氯濃度。
本發明還涉及此處所述的電化學電池用於處理含微生物的汙水，尤其壓艙水、廢水、冷卻水和循環洗滌水的用途。也可優選使用該電解池處理在遊泳池內的汙水。若需要處理其中體積流量可能超過10000或者甚至100000m3/h的非常大體積的汙水，例如冷卻水或壓艙水，則當然可平行排列此處所述的數個電解池，以處理這種大的流量。
微生物的總數當然隨取水的源頭而變化。然而，海水內的微生物(細菌)的數量可以是約100-約1000000/cm3。
附圖簡述

圖1水處理本發明的一個電解池的布局圖。
實施方案的說明圖1示出了適合於處理含微生物的汙水的電解池。該電解池包括在1點處的進口，含微生物的水流以箭頭方向流經所述進口。進入的流體可被泵送到電解池中或者通過其它方式加壓，使之進入電解池內。可在電解池的進口之前提供模擬和數字流量計(未示出)。物流流經電極對，其中每一電極對包括陽極2和陰極3。由網結構製造電極。可看出，在電解池內示出了平行排列的四對這樣的電極對，所有這些電極對垂直於流動方向排列。還在電解池的整個截面上排列電極對。物流流經電極對並在點4的出口處流出電解池。若認為沒有充分地除去汙染的話，則離開電解池的物流可被循環到在1點處的進口。
顯而易見的是，可按照許多方式變化本發明。這種變化不被視為脫離本發明的主旨和範圍，和對於本領域的技術人員來說顯而易見的所有這種改性擬包括在權利要求的範圍內。下述實施例進一步闡述可如何進行所述的發明，而不是限制本發明的範圍。
實施例1電導率為5S/m的含浮遊生物、大腸菌類和異養細菌的表層海水被泵送到800升的罐內，且與此同時通過棉布和20微米過濾器過濾。與大腸菌類大腸桿菌(E-choli)細菌的非致病菌落一起添加參考生物體Tetraselmis和Isochrysis(二者均是鞭毛蟲)。取出對照樣品。
所使用的陽極和陰極二者是用導電的硼摻雜的金剛石(BDD)塗布的多孔鈮板。電化學電解池由在內徑為70mm的鈦管內與為天然海水橫向流過而排列的6個這樣的BDD電極組成。陽極和陰極成對排列，且在同一電極對的陽極與陰極之間具有4mm的小間隔和在兩個相鄰電極對之間具有41mm的距離。
在電化學電解池內處理的水以10m3/h(1751/min)的流速流過電解池，並施加670A/m2的電流密度。電流為11A和功率為126W。這一處理導致100％殺滅這兩種浮遊生物參考生物體，100％降低大腸菌類細菌(天然和外加的大腸桿菌)的CFU(菌落形成單位)和99.96％降低天然存在的異養細菌的CFU。通過光學顯微鏡方法進行浮遊生物分析，並在實驗室中，採用校正的標準方法培養細菌。沒有形成THM。
實施例2使用網狀物預濾(來自瑞典西海岸)的天然表層海水，並泵送到800升罐內。取出對照樣品。
電極與電解池與實施例1中的相同。在與實施例1相同的流速和電流密度、電流和功率下進行水的試驗。處理導致84％殺滅天然存在的動物浮遊生物和93％殺滅天然存在的植物浮遊生物。通過光學顯微鏡方法進行分析。沒有形成THM。
實施例3(參考)製備實施例1所使用的電解池，但在陽極和陰極之間具有多孔隔膜。0.5mm厚由聚丙烯製造的具有30％開口的織造網用作隔膜。待處理的水從陰極流向陽極。在與實施例1相同的條件下進行電解檢驗，但流速未能達到10m3/h的流速，而是僅僅最多3m3/h。使用與實施例1中相同的電流。表明在海水中形成了數ppm的THM(三滷代甲烷)。
權利要求
1.一種處理含微生物的汙水的方法，該方法包括將汙水流以約1-約1000m3/h的體積流速供應經過電解槽區，所述水流的電導率為約0.0001-約100S/m，在能夠處理微生物的由至少一對電極對確定的所述電解槽區內電解所述水流，所述至少一對電極對包括陽極和陰極且沒有隔膜裝置，所述水流基本上垂直導引通過所述至少一個陽極和陰極，同時在所述陽極和陰極之間施加電壓，並施加直流電到所述陽極和陰極上，從電解槽區回收處理過的水流。
2.權利要求1的方法，其中體積流速為約1-約750m3/h。
3.權利要求1或2的方法，其中水流的流動為湍流。
4.權利要求1-3任何一項的方法，其中平均電流密度為約10-約5000A/m2。
5.權利要求1-4任何一項的方法，其中陰極的氫氣形成過電壓高於約300mV。
6.一種電解池，其包括確定電解槽區的至少一個電極對，所述電極對包括基本上平行排列且在其間沒有隔膜裝置的陽極和陰極，從而允許電解質在所述陽極和陰極之間的高通過量，其中所述陽極和陰極能夠處理在電導率為約0.0001-約100S/m的水流內通過所述電極對的微生物，所述電解池進一步包括在所述陽極和陰極之間施加電壓的裝置和將直流電施加到所述電解池上的裝置。
7.權利要求6的電解池，其中陽極和陰極的開放橫截面面積為約20-約75％。
8.權利要求6或7的電解池，其中陽極和陰極包括面積為約0.01-約2500mm2的孔隙。
9.權利要求6-8任何一項的電解池，其中電解池包括單極電極。
10.權利要求6-9任何一項的電解池，其中在電極對內，在陽極和陰極之間的距離為約0.2-約10mm。
11.權利要求6-10任何一項的電解池，其中在兩個相鄰的電極對之間的距離為約1-約150mm。
12.權利要求6-11任何一項的電解池，其中所述陽極和陰極為網狀。
13.權利要求6-12任何一項的電解池用於處理微生物的用途。
全文摘要
本發明涉及處理含微生物的汙水的方法，該方法包括將汙水流以約1－約1000m
文檔編號C02F1/467GK1898162SQ200480035274
公開日2007年1月17日 申請日期2004年12月14日 優先權日2003年12月18日
發明者B·霍坎松, L·奈曼, F·赫利茲, J·埃卡特, 島宗孝之 申請人:阿克佐諾貝爾公司