专利名称：一种电催化膜废水处理系统及其电催化膜管的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及废水处理领域技术，尤其是指一种电催化膜废水处理系统及其电
催化膜管。
背景技术：
难降解有机污染物是21世纪影响人类健康的三大环境问题(难降解有机污染物、 温室效应、臭氧层破坏)之一，难降解有机污染物(或称为持久性有机污染物)在环境中难降解、具有很强的亲脂性、容易在食物链中富集、能够远距离传输、毒性极大，对各种生物的生存环境和健康带来极大危害。随着我国经济的快速增长，难降解有机废水的污染日益严重。 特别是在制药业、纺织印刷业、焦化厂、石化行业等的快速发展，使含有难降解有机污染物的工业废水日益增多。难降解有机废水不仅严重污染了环境，而且也在经济上极大地制约了关系着国计民生的电子、印染、制药、造纸等行业的进一步发展，对我国经济的持续发展起着极大的阻碍作用，特别是我国经济发达地区，这一影响因素日益显著，许多经济效益显著的企业由于水污染问题而不得不关停或并转。因此开发高效、低成本的难降解有机废水处理技术不仅是环境保护的要求，而且是促进我国经济持续稳定发展的迫切需要。难降解有机污染物由于其结构稳定、难以生化降解、毒性强等特点，导致用常规的物理、化学、生物方法难以满足难降解有机废水处理在技术和经济上的要求。湿式氧化和电催化氧化是目前处理难降解有机废水较为有效的两种方法。但湿式氧化需要高温高压的苛刻运行条件，同时装置投资大、占地面积广，严重限制了其在工业上的广泛应用。而且，尽管满足湿式氧化反应的苛刻条件，仍存在催化剂流失等处理难题。而电催化氧化装置紧凑、设备体积小、占地少，能够成功处理众多难降解有机废水，且具有环境友好等优点，有可能成为新型的易于自动化操作、便捷、稳定的有机废水处理工艺，因而成为近年来各种高级氧化技术研究的热点之一。但电催化氧化也不可避免地存在着缺点电催化氧化单一运用存在成本高、装置运行电流效率低(一般小于45%)等难以工业应用的问题。
实用新型内容有鉴于此，本实用新型针对现有技术存在之缺失，其主要目的是提供一种电催化膜废水处理系统及其电催化膜管，其将膜分离与电催化集成在一起，通过膜反应集成，以强化反应传质效果、减少电极表面污染、提高电催化氧化的电流效率、降低处理成本，实现难降解有机废水的治理。为实现上述目的，本实用新型采用如下之技术方案一种电催化膜废水处理系统，包括有机废水池、混合阀、直流稳压电源、渗透液槽、 辅助电极和至少一电催化膜管；该电催化膜管包括一采用丙稀碳源气体经热分解化学气相沉积实现碳化导电的陶瓷膜管基材，该陶瓷膜管基材负载有实现废水电催化氧化作用的催化剂；该电催化膜管安装于渗透液槽中，该辅助电极围绕在电催化膜管外并与电催化膜管保持有间距；所述有机废水池的出水端通过计量泵与混合阀的进水端连接，该混合阀通过进水管与电催化膜管连接，该直流稳压电源的正极和负极通过导线分别连接到电催化膜管和辅助电极上，所述电催化膜管的出水端与前述混合阀连接，并于电催化膜管与混合阀之间的管路上设置有一控制阀门。作为一种优选方案，所述电催化膜管上下贯通渗透液槽，该电催化膜管的两端伸出在渗透液槽的顶部和底部。作为一种优选方案，所述电催化膜管伸出在渗透液槽底部的一端为废水出水端， 该废水出水端连接有废水管，该废水管上安装有取样控制阀。作为一种优选方案，所述渗透液槽的上端设有一渗透液出水口。作为一种优选方案，所述辅助电极为金属丝网。 一种电催化膜管，包括一采用丙稀碳源气体经热分解化学气相沉积实现碳化导电的陶瓷膜管基材，该陶瓷膜管基材负载有实现废水电催化氧化作用的催化剂。作为一种优选方案，所述催化剂为贵金属催化剂。作为一种优选方案，所述催化剂为钼或钯。作为一种优选方案，所述陶瓷膜管基材为Al2O3陶瓷膜管。本实用新型与现有技术相比具有明显的优点和有益效果，具体而言，由上述技术方案可知，其主要系将负载催化剂的无机陶瓷膜管作为电化学反应的电极，电极本身同时具有膜分离和电催化氧化功能，通过膜分离与电催化的耦合效应，克服各自的缺陷，达到优势互补，可以强化反应传质效果、减少电极表面污染、提高电催化氧化效率、降低处理成本。膜电极的多孔表面及其内部孔道，大大提高了电极催化表面积，同时膜分离的压力浓差作用加强了有机污染物向电极表面的传质作用，强化了有机污染物在电极上的氧化分解效率。同时膜分离作用也减少了有机污染物在电极表面的凝聚，防止了电极表面的污染。另外，在电极的电声作用下也可以减少膜污染和膜通量的下降。为更清楚地阐述本实用新型的结构特征和功效，
以下结合附图与具体实施例来对本实用新型进行详细说明。
[0017]图1是本实用新型之较佳实施例的结构原理示意图；[0018]图2是本实用新型之较佳实施例的技术工艺流程图。[0019]附图标识说明[0020]10、有机废水池20、混合阀[0021]30、直流稳压电源40、电催化膜管[0022]41、废水出水端50、辅助电极[0023]60、渗透液槽61、渗透液出水口[0024]70、计量泵80、控制阀门[0025]90、取样控制阀。
具体实施方式请参照图1所示，其显示出了本实用新型之较佳实施例的具体结构，包括有一机废水池10、一混合阀20、一直流稳压电源30、至少一电催化膜管40、一辅助电极50和一渗透液槽60，该电催化膜管40安装于渗透液槽60中，该辅助电极50环绕在电催化膜管40外并与电催化膜管40保持有间距；所述有机废水池10的出水端通过计量泵70与混合阀20 的进水端连接，该混合阀20通过进水管与电催化膜管40连接，该直流稳压电源30的正极和负极通过导线分别连接到电催化膜管40和辅助电极50上，所述电催化膜管40的出水端通过控制阀门80与前述混合阀20连接。为了能够更彻底地处理有机废水，所述电催化膜管40的安装数量不限于一条，其数量可以根据处理废水的容量而定。具体而言，所述电催化膜管40包括一采用丙稀碳源气体经热分解化学气相沉积实现碳化导电的陶瓷膜管基材，该陶瓷膜管基材负载有实现废水电催化氧化作用的催化剂；该陶瓷膜管基材主要为Al2O3材料，而催化剂为钼或钯等贵金属物。该电催化膜管40上下贯通渗透液槽60，该电催化膜管40的两端伸出在渗透液槽60的顶部和底部，电催化膜管40伸出在渗透液槽60底部的一端为废水出水端41，该废水出水端41连接有废水管，该废水管上安装有取样控制阀90。而所述渗透液槽60的上端设有一渗透液出水口 61，经过滤、催化电解分离后的渗透液从该出水口中流出。在本实施例中，所述辅助电极50为金属丝网，具体可以系不绣钢网。该电催化膜废水处理系统的实现原理是以电催化膜管40作为反应的阳极，外部环绕环形金属丝网作为阴极，有机废水经计量泵70控制调节流量和停留并流入阳极的电催化膜管40内，经电解和膜分离处理后，渗透液进入电催化膜管40外的阴极室内，而滞留液从电催化膜管40下端的废水出水端41流出并循环回去与原有机废水混合再进入电催化膜管40内，继续进行电解和膜分离处理。由于市场上一般的无机陶瓷膜管基材Al2O3材料，其本身并不导电，因此不能作为电极应用，为了实现其导电性能，本实施例中，陶瓷膜管电极制备的具体过程可以分以下两个步骤实现首先进行陶瓷膜管的导电化处理选择市场上合适孔径和壁厚的氧化铝陶瓷膜管，经清洁预处理后，采用热分解化学气相沉积法使丙稀等碳源气体分解，并在陶瓷膜管表面及孔道内沉积形成一薄层结晶度高的碳层，并控制碳化沉积量，使陶瓷膜管具备导电性， 此处使碳化薄层高度结晶，并控制碳化沉积量可以有效防止碳层的化学氧化并防止对陶瓷膜孔结构的堵塞。同时控制化学气相沉积条件，选择合适的碳源气体浓度、沉积温度、反应时间以及热分解催化剂类型和用量，以调控导电膜管的孔结构，从而获得良好的导电性又不影响膜性能的陶瓷膜管，并通过SEM、TEM、比表面分析等表征膜管的孔结构特征。此时，陶瓷膜管仅有导电性并不具备催化氧化性能，只有具备催化氧化作用的导电材料才能作为电催化氧化的电极应用，因此进一步需进行膜管电极的电催化性能处理， 该处理过程系通过将沉积碳层的导电膜经金属盐溶液浸渍、焙烧和氢气还原处理，从而负载上合适的钼、钯等贵金属催化剂。由于钼、钯等贵金属是常见的具有催化氧化功能的催化剂组分，电极上负载少量贵金属组分就能实现电催化氧化作用。因此具有合适孔结构和负载催化剂的导电膜管耦合了膜分离功能，从而制成电催化氧化的电极。另外，为了膜管电极获得最佳的电催化氧化效果，可以对膜管电极的电化学性能进行下述调制采用Auto Lab电化学工作站，通过塔菲尔曲线、线性扫描伏安法、循环伏安法、恒电流技术等研究电催化膜管40电极的法拉第和非法拉第过程，测试电极的电化学性能，并反馈调整催化膜管的电极制备过程。[0033]图2显示了本实施例的技术路线的实施步骤步骤(1)，主要选用市场上廉价的Al2O3陶瓷膜管，选择不同壁厚、管径和不同膜孔尺寸的陶瓷膜管作为电极制备的基材；步骤(2)，采用前述的碳化沉积和催化剂负载方法制备电极；步骤(3)，采用TEM、XRD、FTIR、比表面等结构组成表征和导电测试，如果导电性和膜孔结构不合适，刚返回重新设计制备膜管电极，如果效果好则进入下一步；步骤(4)，组建电催化反应装置；步骤(5)，一方面选择有机废水试样，另一方面现场采集试剂有机废水，并进行相关指标分析；步骤(6)，比较分析不同有机废水的电催化氧化效果，考察膜分离性能、电催化效率、研究不同操作参数的影响和有机污染物的氧化降解效果。如果不能取得较好的电催化氧化和膜分离性能，刚需返回进一步设计制备膜管电极。如果取得较好效果则进入下一步。步骤(7 )，进行有关总结，得出规律和实用参考数据。本实用新型所涉及到的关键技术主要有以下几个方面1、采用热分解或化学气相沉积方法，选择不同孔径和壁厚的陶瓷膜管，在程序升温炉中沉积高度结晶的导电碳薄层，使陶瓷膜管导电。通过XRD粉末X射线衍射、TEM透射电子显微镜考察碳层结晶状态和膜管的孔结构，并通过导电性能测试等确定陶瓷膜管的最佳碳化结晶沉积工艺，使陶瓷膜管具有合适的膜孔结构和良好的导电性。2、采用常规的催化剂负载技术，包括浸渍、焙烧、还原过程，在导电膜管孔道内表面负载上适量的贵金属催化剂组分，使膜管具备电催化氧化性能。通过Auto Lab电化学工作站测试膜管电极的电化学性能，包括塔菲尔曲线、线性扫描伏安法、循环伏安法、恒电流技术等，从而为催化剂组分的选择和负载量提供优化方案。3、采用膜分离与电催化氧化的耦合技术，将负载合适催化剂组分的陶瓷膜管作为电催化装置的阳极，外部环绕的不绣钢或锡金属丝网作为阴极，在恒流恒压直流电源作用下，难降解有机废水通过膜管电极内部的电催化氧化和膜分离效果。综上所述，本实用新型的设计重点在于，其主要系将负载催化剂的无机陶瓷膜管作为电化学反应的电极，电极本身同时具有膜分离和电催化氧化功能，通过膜分离与电催化的耦合效应，克服各自的缺陷，达到优势互补，可以强化反应传质效果、减少电极表面污染、提高电催化氧化效率、降低处理成本。膜电极的多孔表面及其内部孔道，大大提高了电极催化表面积，同时膜分离的压力浓差作用加强了有机污染物向电极表面的传质作用，强化了有机污染物在电极上的氧化分解效率。同时膜分离作用也减少了有机污染物在电极表面的凝聚，防止了电极表面的污染。另外，在电极的电声作用下也可以减少膜污染和膜通量的下降。以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型的技术范围作任何限制，故凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。
权利要求1.一种电催化膜废水处理系统，包括有机废水池、直流稳压电源、一辅助电极和渗透液槽，其特征在于还包括混合阀和至少一电催化膜管，该电催化膜管包括一采用丙稀碳源气体经热分解化学气相沉积实现碳化导电的陶瓷膜管基材，该陶瓷膜管基材负载有实现污水电催化氧化作用的催化剂；该电催化膜管安装于渗透液槽中，该辅助电极围绕在电催化膜管外并与电催化膜管保持有间距；所述有机废水池的出水端通过泵与混合阀的进水端连接，该混合阀通过进水管与电催化膜管连接，该直流稳压电源的正极和负极通过导线分别连接到电催化膜管和辅助电极上，所述电催化膜管的出水端与前述混合阀连接，并于电催化膜管与混合阀之间的管路上设置有一控制阀门。
2.根据权利要求1所述的一种电催化膜废水处理系统，其特征在于所述电催化膜管上下贯通渗透液槽，该电催化膜管的两端伸出在渗透液槽的顶部和底部。
3.根据权利要求2所述的一种电催化膜废水处理系统，其特征在于所述电催化膜管伸出在渗透液槽底部的一端为废水出水端，该废水出水端连接有废水管，该废水管上安装有取样控制阀。
4.根据权利要求1所述的一种电催化膜废水处理系统，其特征在于所述渗透液槽的上端设有一渗透液出水口。
5.根据权利要求1所述的一种电催化膜废水处理系统，其特征在于所述辅助电极为金属丝网。
6.一种电催化膜管，其特征在于包括一采用丙稀碳源气体经热分解化学气相沉积实现碳化导电的陶瓷膜管基材，该陶瓷膜管基材负载有实现废水电催化氧化作用的催化剂。
7.根据权利要求6所述的一种电催化膜管，其特征在于所述催化剂为贵金属催化剂。
8.根据权利要求7所述的一种电催化膜管，其特征在于所述催化剂为钼或钯。
9.根据权利要求6所述的一种电催化膜管，其特征在于所述陶瓷膜管基材为Al2O3陶瓷膜管。
专利摘要本实用新型公开一种电催化膜废水处理系统，包括有机废水池、直流稳压电源、辅助电极和渗透液槽，还包括混合阀和电催化膜管，该电催化膜管包括一采用丙稀碳源气体经热分解化学气相沉积实现碳化导电的陶瓷膜管基材，该陶瓷膜管基材负载有实现污水电催化氧化作用的催化剂；该电催化膜管安装于渗透液槽中，该辅助电极围绕在电催化膜管外并与电催化膜管保持有间距；所述有机废水池的出水端通过泵与混合阀的进水端连接，混合阀通过进水管与电催化膜管连接，该直流稳压电源的正极和负极通过导线分别连接到电催化膜管和辅助电极上，所述电催化膜管的出水端与前述混合阀连接，并于电催化膜管与混合阀间设置有一控制阀门，该系统能实现难降解有机废水的治理。
文档编号C02F101/30GK202246183SQ20112031362
公开日2012年5月30日 申请日期2011年8月26日 优先权日2011年8月26日
发明者吕斯濠, 白云鹤, 范洪波 申请人:东莞理工学院