一種基於電磁感應原理的填充式電催化氧化反應器的製造方法
2024-03-28 12:22:05
一種基於電磁感應原理的填充式電催化氧化反應器的製造方法
【技術領域】
[0001] 本實用新型屬於高級氧化水處理技術領域，涉及電磁感應填充式電化學反應器， 其用於有機廢水處理。
【背景技術】
[0002] 隨著工業發展及社會的進步，人類面臨的主要課題之一就是環境保護與可持續發 展，其中水汙染治理又是環境保護的重點內容之一。有機汙染物尤其生物難降解有機汙染 物的處理是水汙染治理的難點和熱點。高級氧化技術為難降解有機汙染物治理提供了一條 重要的途徑，已成為正在迅速發展中的水處理新技術。其中電催化氧化法與其它高級氧化 技術相比以電子作為反應劑，電壓梯度為反應動力，一般不需要外加化學試劑，不易造成二 次汙染，能量要求簡單，有利於實現高效率、低成本，易於實現自動控制，被稱為"環境友好" 的高級氧化技術。它的基本原理是使有機汙染物直接在電極上得失電子而發生氧化還原， 或利用在電極反應產生的各種強氧化劑使汙染物被降解。因此選用適當電極材料提高電流 效率、增大工作電極的表面積、減小電極間距(縮短反應物迀移的距離)及採用適當的電源 供電方式等措施是提高電催化氧化法降解有機汙染物效率的有效方法。
[0003] 傳統的二維電極法由於面體比小，有機物降解效果並不理想，專利CN201882957U 通過將陰陽電極交錯均勻間隔布置，減少電極間距，使反應器容納的電極面積加大，提高了 電催化氧化效果，專利CN102603038A通過進一步設置與導電條相連的陰陽極電極架，使電 極的固定方式為插入式，便於電極的安裝及後續電極的更換與反應器的清洗。但上述專利 由於減小了陰陽電極間距，導致相鄰陰陽電極間易發生短路現象，存在即是僅一對陰陽極 短路，也會使整個電化學反應器無法正常工作問題。
[0004] 為了提高電催化氧化效果，Bickhuast在20世紀60年代末期提出了三維電極的 概念。在此基礎上Fleischman M.於1973年開發出復極性固定床電解槽（bipolar packed bed cell，簡稱BPBC)，它是在傳統的二維電解槽電極間裝填粒狀或其他碎肩狀工作電極 材料，在主電極電場作用下，微粒因靜電感應而復極化，在粒子的一端發生陽極反應，另一 端發生陰極反應，整個粒子成為一個立體的電極，粒子之間構成一個微電解池，整個電解槽 由這樣的很多微電解池組成，與二維電極相比，復極性固定床電解槽在相同反應體積情況 下，可提供較大的電極表面，且因粒子的間距小，物質傳遞的效果得到極大改善，因而 它極大地提高了有機汙染物的降解效率。
[0005] 專利CN103928202A將聚醯亞胺膜包覆的同質粒子電極製得的絕緣粒子與粒子電 極按一定比例混合作為三維電極反應器的填料，提高填充粒子的復極化率，降低了短路電 流，提高了有機汙染物的降解效率，但存在絕緣粒子佔據反應器的有效工作空間的問題;專 利CN103241807A以表面負載金屬氧化物催化劑的活性炭粒子作為粒子電極，將表面負載金 屬氧化物催化劑的多孔瓷環粒子作為絕緣粒子，提高了電解槽的有效工作空間，但上述專 利都存在粒子電極長期運轉後表面易結垢堵塞失效的問題。專利CN201265045Y採用空氣曝 氣方法使粒子電極保持懸浮狀態，專利CN101691251A採用可調速機械攪拌方式使粒子電極 處於懸浮狀態，通過粒子間的相互碰撞摩擦，實現對電極的清洗，使電極表面處於潔淨狀 態，但這種碰撞摩擦也會加劇粒子電極的磨損，尤其是導致粒子表面負載的催化劑磨損，反 而會使粒子電極的使用壽命縮短。另外由於粒子電極電位與主電極位置、所加電壓及電解 質濃度有關(周集體，楊松，艾尼瓦爾，胡軍.復極性固定床電解槽中粒子電極感應電位研 究[J]，環境科學與技術，2004,27(6): 27-30.)，當主電極位置及電解質濃度的發生微小變 化時會導致反應器對有機汙染物降解效率發生變化，尤其當粒子電極處於懸浮狀態時，還 會導致反應器饋電電位分布不均勻，影響粒子電極電位，從而可能使反應器的降解效率下 降，反應器性能的穩定性受到影響。此外，對表面負載有催化活性金屬氧化物的粒子電極， 粒子電極因靜電感應而復極化，其一端發生陽極氧化反應，另一端發生陰極還原反應，還原 反應可能使粒子電極負載的金屬氧化物價態發生變化，導致催化活性及使用壽命受到影 響。因此研製降解效率高，性能長期穩定的新型電催化氧化反應器，對水汙染治理，尤其處 理生物難降解有機汙染物，保護環境與維持社會的可持續發展具有重要意義。
【發明內容】
[0006] 本實用新型專利的目的在於針對現有技術的不足，提供一種綜合應用無線供電技 術、高頻電磁場水處理技術和電催化氧化水處理技術的微型電解池填充式電催化氧化反應 器。它特別適合於處理有機汙染物廢水尤其生物難降解有機汙染物廢水。
[0007] 為實現上述目的，本實用新型採用的技術方案為：一種基於電磁感應原理的填充 式電催化氧化反應器，包括高頻電源（1)、支撐支架(2)、空氣慄(3)、空氣進口（4)、循環水進 口（5)、多孔支撐板(6)、循環水慄(7)、微型電解池(8)、電磁螺線管(9)、循環水出口（10)、槽 體(11)，其特徵在於固定在支撐支架(2)上的槽體(11)底端開有空氣進口（4)和循環水進口 (5)，空氣進口連通空氣慄(3)，循環水進口（5)連接循環水慄(7)接通槽體（11)上部的循環 水出口（10)，槽體（11)內下部安裝一多孔支撐板(6)，多孔支撐板(6)上方的槽體（11)內緊 密填充有若干微型電解池(8)，槽體（11)外壁繞制螺線管作為電磁螺線管(9)，所述電磁螺 線管(9)和高頻電源(1)連接；
[0008] 所述微型電解池(8)的結構是：陰極(803)由碳纖維、不鏽鋼或鈦材料製成管狀結 構，陽極(804)採用形穩電極，電極支架(805)通過膠粘劑粘接在陰極(803)管兩端並固定 住外圍的陽極(804)，陰極(803 )、陽極(804)、電極支架(805 )間形成的腔體通過陽極(804) 或電極支架(805)的槽孔與外界相通;感應線圈（801)的輸出端與整流橋(802)交流輸入端 相連接，感應線圈（801)和整流橋(802 )置於陰極(803 )管內，整流橋(802 )的直流輸出負極 端(807)用導電膠或焊錫(808)與陰極(803)管內壁膠粘或焊接一起，整流橋(802)的直流輸 出正極端(806)用鈦金屬線(810)引出陰極(803)管外與陽極(804)相連；用矽膠(809)將陰 極(803)管內的感應線圈（801)和整流橋(802)完全密封。
[0009] 高頻電源（1)產生的高頻交變電流通過繞在槽體（11)外壁的電磁螺線管(9)在槽 體內產生高頻交變磁場，通過電磁感應方式為緊密填充在槽體（11)內的微型電解池(8)無 線提供電能。
[0010]採用上述基於電磁感應原理的無線供電微型電解池填充式電催化氧化反應器處 理廢水時，首先將組裝好的眾多微型電解池緊密填充在槽體內，將待處理廢水裝入槽體中， 水面要高於循環水出口，廢水充滿微型電解池的陰陽極間距中；啟動空氣慄，空氣鼓包起到 加速傳質過程和提供電化學反應所需氧氣的作用;開啟循環水慄，使待處理水能被循環處 理；啟動高頻電源，高頻交變電流通過繞在槽體外壁的電磁螺線管在槽體內產生高頻交變 磁場，通過電磁感應方式為每個微型電解池降解有機汙染物無線提供電能，有機汙染物被 電催化降解，同時廢水也受到高頻交變磁場作用，阻止汙垢沉積在電極上。
[0011]電極支架(805)可用有機玻璃或聚四氟乙烯材料製成，用膠粘劑粘接在陰極(803) 管兩端起固定陽極(804)，控制陰極(803)管與陽極(804)間距離的作用。
[0012] 優選的技術方案:高頻電源（1)產生正弦或方波交流電，頻率在50HZ-100KHZ;微型 電解池陽極(804)採用鈦基二氧化鉛電極、鈦基銥釕電極或鈦基銥鉭電極；電磁螺線管(9) 和高頻電源(1)連接的電路上並聯或串聯有補償電容(12 )。
[0013] 本實用新型的效益是：
[0014] 1、本實用新型反應器中的微型電解池各自獨立無線供電，微型電解池電極電位不 受廢水水質尤其其中的電解質濃度的影響，也不受其它微型電解池是否正常工作影響，反 應器性能穩定。
[0015] 2、由於使用眾多的微型電解池，與傳統的二維電極反應器相比本實用新型反應器 的面體比大大提尚。
[0016] 3、微型電解池減少了陰陽極間距，極大地縮短反應物迀移的距離，加快傳質過程， 使本實用新型進一步提高了汙染物的降解效率。
[0017] 4、微型電解池陰、陽極分離獨立，方便採用與其電極反應更適用的催化活性材料， 電流效率更高，使用壽命更長。
[0018] 5、本實用新型處理的廢水受到高頻交變磁場的作用，阻止汙垢在電極上沉積結 垢，極大提高了反應器的降解效率和使用壽命。
【附圖說明】
[0019] 圖1是本實用新型實施例一的填充式電催化氧化反應器組成結構示意圖。
[0020] 圖2是實施例一微型電解池工作原理圖。
[0021 ]圖3是實施例一微型電解池結構剖面圖。
[0022] 圖4是實施例一的微型電解池結構不意圖。
[0023] 圖5是實施例二苯酚模擬廢水降解效果圖。
【具體實施方式】
[0024] 下面結合附圖和實施實例對本實用新型作進一步說明。
[0025]實施例一：參見圖1至圖3,選用內徑10毫米，外徑12毫米，長25毫米的碳纖維管作 為微型電解池(8)的陰極(803);選用長25毫米寬15毫米厚0.7毫米的鈦基二氧化鉛為陽極 (804);將1.5毫米厚有機玻璃板，切割成邊長25毫米等邊三角形，在三角形中心切割直徑12 毫米圓孔，並沿直徑20毫米與上述圓孔同心的圓周將上述三角形三個角切除後作為電極支 架（805);選用33mH直徑8毫米長度10毫米的工字型功率電感為感應線圈（801)，整流橋 (802)選用圓形2W10型整流橋，把工字型功率電感感應線圈（801)的輸出端與2W10型整流橋 (802)交流輸入端相連接，將它們置於碳纖維陰極(803)管內，2W10型圓形整流橋(802)的直 流輸出負極端(807 )用導電膠(808 )與碳纖維陰極(803 )管內壁膠粘一起，用鈦金屬線(810 ) 將2W10型圓形整流橋(802)的直流輸出正極端(806)引出碳纖維陰極(803)管外，與三片鈦 基二氧化鉛陽極(804)相連;用矽膠(809)將碳纖維陰極(803)管內的工字型感應線圈（801) 和2W10型圓形整流橋(802)完全密封;用膠粘劑將兩片有機玻璃電極支架(805)分別粘接在 碳纖維陰極（803)管兩端，並用鈦金屬線將三片鈦基二氧化鉛陽極(804)固定在電極支架 (805)上。
[0026]選用外徑80暈米，壁厚5暈米長200暈米的有機玻璃管制作反應器槽體（11)，在直 徑70毫米厚5毫米的有機玻璃圓板上切割邊間距2毫米直徑2毫米的孔製作多孔支撐板(6)， 其它如支撐支架(2)、空氣進口（4)、循環水進口（5)、循環水出口（10)等選用有機玻璃材料 製作;選用直徑0.8毫米的漆包線在槽體外壁繞制長112毫米共140圈的螺線管作為電磁螺 線管(9)，選用400V103PF薄膜CBB電容作為補償電容（12)，以信號源和高頻功放電路製作高 頻電源（1)，將電磁螺線管(9)與補償電容（12)串聯後再與高頻電源（1)的輸出端相連接;將 前述製作的微型電解池(8)20隻分四層每層5隻填充槽體內；用矽橡膠管將電磁空氣慄的出 口與反應器的空氣進口（4)連接；以蠕動慄作為循環水慄(7)，用矽橡膠管將反應器的循環 水出口（10)與循環水慄（7)的進口相連，循環水慄(7)的出口與反應器的循環水進口（5)相 連接。
[0027]實施例二:採用實施例一的裝置處理苯酚模擬廢水。
[0028] 將含25mg/L苯酚（內含硫酸鈉12.5mmol/L，溶液的pH=5)模擬廢水550mL置於反應 器內，開啟空氣慄(3)，控制空氣流量為2.3L/min，開啟循環水慄(7)，使循環水流量為80mL/ min，開啟高頻電源（1)，輸出正弦交流電，頻率50kHz，輸出電壓30V，每隔30分鐘取樣，採用 高效液相色譜法分析苯酚模擬廢水的峰面積計算苯酚降解率P，計算公式見下式，降解效果 如圖5。
[0030] 式中:A0-處理前苯酚溶液的峰面積;At-處理t時間後苯酚溶液的峰面積。
[0031]結果表明本實用新型的裝置能有效降解苯酚廢水。
【主權項】
1. 一種基於電磁感應原理的填充式電催化氧化反應器，包括高頻電源（1)、支撐支架 (2)、空氣慄(3)、空氣進口（4)、循環水進口（5)、多孔支撐板(6)、循環水慄(7)、微型電解池 (8 )、電磁螺線管(9 )、循環水出口（ 10)、槽體(11)，其特徵在於固定在支撐支架(2)上的槽體 (11)底端開有空氣進口（4)和循環水進口（5)，空氣進口連通空氣慄（3)，循環水進口（5)連 接循環水慄(7)接通槽體（11)上部的循環水出口（10)，槽體（11)內下部安裝一多孔支撐板 (6 )，多孔支撐板(6 )上方的槽體(11)內緊密填充有若干微型電解池(8 )，槽體(11)外壁繞制 螺線管作為電磁螺線管(9)，所述電磁螺線管(9)和高頻電源(1)連接； 所述微型電解池(8)的結構是：電極支架(805)通過膠粘劑粘接在陰極(803)管兩端並 固定住外圍的陽極(804)，陰極（803)、陽極(804)、電極支架(805)間形成的腔體通過陽極 (804)或電極支架(805)的槽孔與外界相通;感應線圈（801)的輸出端與整流橋(802)交流輸 入端相連接，感應線圈（801)和整流橋(802)置於陰極(803)管內，整流橋(802)的直流輸出 負極端(807)用導電膠或焊錫(808)與陰極(803)管內壁膠粘或焊接一起，整流橋(802)的直 流輸出正極端(806)用鈦金屬線（810)引出陰極(803)管外與陽極(804)相連；用矽膠(809) 將陰極(803)管內的感應線圈（801)和整流橋(802)完全密封。2. 根據權利要求1所述的一種基於電磁感應原理的填充式電催化氧化反應器，其特徵 在於電磁螺線管(9)和高頻電源(1)連接的電路上並聯或串聯有補償電容(12)。3. 根據權利要求1所述的一種基於電磁感應原理的填充式電催化氧化反應器，其特徵 在於微型電解池的陰極(803)管由碳纖維、不鏽鋼或鈦材料製成，陽極(804)採用鈦基二氧 化鉛電極、鈦基銥釕電極或鈦基銥鉭電極，電極支架(805)採用有機玻璃或聚四氟乙烯材料 製成。4. 根據權利要求1所述的一種基於電磁感應原理的填充式電催化氧化反應器，其特徵 在於高頻電源（1)產生正弦或方波交流電，頻率在50Hz-100KHz。
【專利摘要】一種基於電磁感應原理的填充式電催化氧化反應器，屬於高級氧化水處理技術領域，包括高頻電源、支撐支架、空氣泵、空氣進口、循環水進口、多孔支撐板、循環水泵、微型電解池、電磁螺線管、循環水出口、槽體，固定在支撐支架上的槽體底端開有空氣進口和循環水進口，空氣進口連通空氣泵，循環水進口連接循環水泵接通槽體上部的循環水出口，槽體內下部安裝一多孔支撐板，多孔支撐板上方的槽體內緊密填充有若干微型電解池，槽體外壁繞制螺線管作為電磁螺線管，所述電磁螺線管和高頻電源連接；本反應器中的微型電解池各自獨立無線供電，反應器性能穩定，提高了汙染物的降解效率，使用壽命更長。
【IPC分類】C02F101/30, C02F1/74, C02F1/461
【公開號】CN205387490
【申請號】CN201521032147
【發明人】孟慶華, 孫紀遠, 武真, 袁興程, 李亮, 李廣超
【申請人】江蘇師範大學
【公開日】2016年7月20日
【申請日】2015年12月14日