用于通过电凝聚处理废水的电极电解池的清洁方法和装置与流程

本发明涉及一种通过电浮选或电凝聚去除废水中的污染物的方法，其中将待清洁的废水通过不对称电解池，从而导致产生金属氢氧化物和氢气的电解反应。对于溶解度低的金属氢氧化物，杂质会与金属氢氧化物凝聚成薄片。

背景技术：

电凝聚是使用电使溶解或悬浮的固体凝聚或絮凝。电解池在阴极产生气体，通常是氢气。电解池在阳极产生金属离子。这些离子充当废水中杂质的凝聚剂。气体为所得的薄片提供了浮力作用，然后将其与水机械分离。

从美国专利公报us5,888,359和us6,086,732中可知电凝聚。

电凝聚的问题是阳极的污染。污染物在阳极凝聚，此处形成金属离子。阳极的污染降低了电解池的效率。从wo2003/062152中可知一种用于清洁电解池的方法。其中，每次冲洗时都会破坏电解池中的层流模式，从而去除阳极上的污染膜。

技术实现要素：

在第一方面中，本发明包括一种通过电凝聚去除废水中的污染物的电极电解池的清洁方法，该方法包括以下步骤：

a)使待净化的废水通过下述电解池，所述电解池设置有两个电负性不同的金属电极，所述金属电极由同轴管组成，内管包含电负性较大的电极，

b)在两个电极之间进行电解，使得在清洁过程中不受磨损的电负性较大的电极用于从水中产生氢气和氢氧根离子，而电负性较小的电极用于在待清洁的溶液中产生金属离子，所述电负性较小的电极在清洁过程中是活性的磨损电极，

c)在电解池中产生电场，由此进行所需的氧化还原反应，从而以薄片状从废水中分离出一种或多种污染物，

d)将带有所述薄片的废水从电解池传送到薄片和净化水的分离装置中，和

e)在废水中沿着外电极的内表面间歇地产生轴向波。

轴向波有助于沿阳极表面积累污染物。这些优于径向和切向波或作为涡流的湍流模式，由于上述过程会导致凝聚薄片的破裂。

这使过程更有效且更易于管理。随着污染物沿着阳极的迅速积累，必须不断增加电解池的容量以保证相同的水净化。第一方面的方法抵消了这种污染，因此其减少了电力消耗，并且该方法不必定期地调整。

在第二方面中，本发明涉及一种通过电凝聚去除废水中的污染物的装置，该装置包括两个同轴管状金属电极，一个内管和一个外管，所述内管与电源的负极相连，并且所述外管与电源的正极相连，两个电极之间有电解空间，所述内管至少在其表面层由比所述外管的电负性更大的材料制成，并且沿所述同轴管的一端具有喷射帽，所述喷射帽设置有：至少一个径向开口，所述至少一个径向开口适于将废水供应到电解空间或将废水排出电解空间；以及至少一个具有控制阀的轴向开口，所述至少一个具有控制阀的轴向开口适于利用冲洗液产生通过所述电解空间传播的压力波。

该装置适于产生轴向压力波而无需停止电解池或基本不改变电解池中的流动模式。这促进了电解池中杂质的凝聚，因为这些杂质容易被旋流和横向混合破坏。

另一方面，冲洗液不必包含化学清洁剂，例如洗涤剂。冲洗液可以是水，而无需添加化学品。以这种方式，它们不需要随后从废水中去除，也不必为了去除沿阳极累积的污染物而定期停止这一过程。

最后，电解池和喷射帽的构造都非常简单。通过将冲洗液连接到高压可以产生压力波。当控制阀短时间打开时，它会以压力波的形式通过电解池传播。根据这一设计，这在电解池内产生轴向压力波，而涡流很小。防止横向混合和涡流可改善污染物的凝聚。

在又一方面中，本发明涉及一种用于净化废水的组件，所述组件包括：(i)第二方面所述的通过电凝聚从废水中分离污染物的装置，以及(ii)适于分离净化水和凝聚成薄片的污染物的分离装置。

附图说明

图1a是本发明的电解池的实施方式的示意概况图。

图2a是本发明的超声波清洁的实施方式的示意概况图。

图2b是本发明的超声波清洁的实施方式的详细视图。

图3a是本发明的利用叶片形刷进行清洁的实施方式的示意概况图。

图3b是本发明的利用叶片形刷进行清洁的实施方式的详细视图。

图4a是本发明的利用压力波或射流进行清洁的实施方式的示意概况图。

图4b是本发明的喷射帽的优选实施方式的详细视图。

具体实施方式

本发明涉及一种通过电凝聚去除污染物的方法。本发明还涉及用于净化废水的装置和组件。

除非另有定义，否则本发明说明书中使用的所有术语，包括技术和科学术语在内，具有本发明所属领域的技术人员通常理解的含义。为了更好地理解本发明的描述，明确地解释以下术语。

除非另有定义，否则本发明说明书中使用的所有术语，包括技术和科学术语在内，具有本发明技术领域的技术人员通常理解的含义。为了更好地评估本发明的描述，明确地解释以下术语。

在本文中，“一(个)”和“所述(该)”是指单数和复数两者，除非上下文另外明确地说明。例如，“一段”表示一个或多个段。

术语“包括”、“包含”、“由…组成”、“由…构成”、“设置有”、“含有”、“涵盖”是同义词，并且是表示存在以下要素的包含性或开放式术语，并且其不排除或妨碍现有技术中已知或描述的其他组件、特征、要素、构件、步骤的存在。

“电凝聚”是使用电使溶解或悬浮的固体凝聚(絮凝)。“电浮选”包括电凝聚，具有释放气泡的附加步骤，所述气泡将凝聚的薄片带到表面。

通过端点引用数值区间包括端点之间的所有整数、分数和/或实数，包括这些端点在内。

在第一方面中，本发明涉及一种通过电凝聚去除废水中的污染物的方法，该方法包括以下步骤：

a)使待净化的废水通过下述电解池，所述电解池设置有两个电负性不同的金属电极，所述金属电极由同轴管组成，内管包含电负性较大的电极，

b)在两个电极之间进行电解，使得在清洁过程中不受磨损的电负性较大的电极用于从水中产生氢气和氢氧根离子，而电负性较小的电极用于在待清洁的溶液中产生金属离子，所述电负性较小的电极在清洁过程中是活性的磨损电极，

c)在电解池中产生电场，由此进行所需的氧化还原反应，从而以薄片状从废水中分离出一种或多种污染物，

d)将带有所述薄片的废水从电解池传送到薄片和净化水的分离装置中，和

e)在废水中沿着外电极的内表面间歇地产生轴向波。

这样，废水可以脱除有机废物负荷，同时重金属也得到清洁。

本文所讨论的“波”是压力波，其是沿着外电极的内表面“通过”电解池的偏向压力。流出物总是轴向流过电解池，并且根据本发明，一个或多个压力波在轴向流动方向上传播。压力波可以顺着流体或逆着流体传播。优选地，压力波顺着流过电解池的废水一起传播。压力波优选传播得比流过电解池的废水明显更快。因此尽可能少地破坏优选主要为层流的流出物的流动模式。结果，水净化很少由于电极表面的清洁而停止。

同轴管的直径和长度可以根据具体应用而变化。当处理设施的尺寸变大且流速增加时，有利的是并联连接足够数量的电解池。

在优选的实施方式中，轴向波在废水的流动方向上传播。这有助于防止在待清洁的废水的进料管线处的水锤现象，并通过电凝聚提供更好的结果。其还确保我们以恒定的流速得到适当的净化。

阳极是外管。这是具有电负性较小的表面材料的电极，其中金属离子被释放到废水中。优选地，阳极至少在表面由铝或铁制成。铝和铁之间的选择取决于废水的污染物。阳极是活性的磨损电极，并且必须随时间更换。有利的是，将其用作外电极。这使得更容易更换阳极。这也是表面积最大的电极，其防止污染物在阳极的累积并促进废水中金属离子的溶解。

阴极是内管。这是具有电负性较小的表面材料的电极。氢气在阴极处由水产生，因此这不是活性的磨损电极。优选地，阴极由钢制成。甚至更优选地，阴极由不锈钢制成。

优选地，长度显著大于直径。优选地，外管的长度与从内表面测量的内径的比率高于5，甚至更优选高于7，最优选高于10。

使用轴向波的细长同心嵌套的电极管的使用提供了一种保持电极表面清洁的简单方式。细长的同心管促进了电解空间中的层流模式。这有利于凝聚薄片，并因此有利于清洁过程的效率。轴向波沿表面产生足够的压力差以保持表面清洁，而不会由于湍流效应(如涡流或横向混合)而破坏这种层流模式，从而抵消凝聚。

在阴极，电解池将水离解成h⁺离子和oh^-离子。h⁺离子吸收电子并作为氢气从混合物中逸出。由于这些h⁺离子比oh^-离子逸出更快，因此沿阴极形成了弱碱性溶液。在阳极，金属离子溶解在废水中。然后这些金属离子形成金属氢氧化物，其对于铁和铝而言在水中溶解性差。有机物质和重金属与形成的金属氢氧化物共沉淀。沉淀物作为薄片与h2气体一起上升到清洁水的表面。

铁氧化成fe²⁺或fe³⁺离子和废水净化在电解池中以一定的共振能量点发生。换句话说，引入到电解池中的电能必须根据电解池的尺寸和流量(即废水在电解池空间中的停留时间)来确定大小。寻找共振能量中的合适点必须通过实验进行，然后根据废水流量自动调节电解池流量。这在阳极的表面被迅速污染时是相当困难的，因为这种污染强烈地驱使共振能量上升。轴向波的使用使表面保持更长时间的清洁，从而使过程更容易控制。

在轴向压力波或射流期间不必中断废水的通流，因为与在废水通流下的压力和液体体积相比，用射流的冲洗在明显更高的压力和更小的液体体积下进行。

根据一个实施方式，轴向波是超声波。超声波非常适于清洁表面。超声波清洁可以间歇地或连续地进行，并沿阳极提供持久的清洁表面。

根据另一优选实施方式，超声波在待净化的废水通过电解池之前在所述废水中产生。

用于液体的超声装置可在市场上获得。这些包括y形管以及其他装置，y形管中一个分支包含超声装置且其他分支允许液体流过。在废水中产生超声波意味着不再添加用于适当清洁的液体或化学品。尽管这些装置并不简单，但它们在市场上可获得并且易于安装。即，该装置可以串联放置在电解池的上游。

在一个优选实施方式中，超声波的频率为20至200khz，优选为20至100khz，甚至更优选为20至60khz。

这些频率导致清洁的表面，对污染物凝聚成薄片的不利影响很小。优选地，超声波仅在必要时间歇地使用，以保持表面清洁。

在另一个实施方式中，本发明包括用轴向射流或压力波冲洗电解池。

该射流或压力波可以在废水或其他液体介质中传播。优选地，射流或压力波是通过使电解池与在轴向方向上加压的冲洗液接触而产生的。优选地，这在非常短的时间内完成。优选地，冲洗液的压力为0.5至3巴，甚至更优选为0.6至2.5巴，甚至更优选为0.6至2.0巴，甚至更优选为0.6至1.5巴，甚至更优选为0.8至1.2巴，最优选为0.9至1.1巴。

该方法产生轴向通过废水传播的压力波。由此防止了涡流和横向(在这种情况下相对于同轴电极沿径向和切向)混合。因此，凝聚的薄片不会被拉裂而仅受到轻微影响。然而，表面确实保持清洁。射流可以以相对长的间隔使用，例如每分钟到每2小时。优选地，间隔为5分钟至2小时。间隔的长度主要取决于污染物的量，而污染物的量取决于水中可通过电凝聚去除的杂质的量和类型。

冲洗液可以是任何液体，优选为水。甚至更优选地，来自位于电解池的下游的分离装置的再循环“净化”水。

在另一个实施方式中，本发明包括通过叶片产生轴向波。优选地，叶片基本上由刷组成。这些刷造成的涡流较少，并且使凝聚薄片破裂较少。液体或多或少地通过刷，而薄片粘在刷上。因此，因叶片形刷的凝聚没有得到强烈的阻止，但是仍然获得清洁的表面。

这些刷不应接触外管的表面。优选地，刷不邻接外管的表面。外管表面的清洁擦洗伴随着活性电极的更快磨损。该表面不通过刷对该表面的擦洗来清洁，而是通过由所述刷带来的流动来清洁。在一个实施方式中，刷可以轴向移动以引起这种流动。轴向压力波由刷的轴向运动产生。

在另一个实施方式中，刷是叶片形的并且可以旋转，从而产生轴向流动。在一个优选实施方式中，刷可以轴向移动和旋转，并且仍然是叶片形的。

优选地，刷仅间歇地使用。尽管本实施方式试图防止薄片的破坏，但是阳极表面的清洁不利于净化废水。优化清洁表面之间的时间可以通过试错法来完成，并且对于本领域技术人员来说是容易的。

优选地，刷由耐微酸性和微碱性条件的材料构成。优选地，刷由非导电材料构成。甚至更优选地，刷由聚丙烯或聚酰胺构成。

在一个实施方式中，间歇地清洁电解池。因此，电解池可以以严格的层流模式尽可能多地使用，而这有利于凝聚。间隔的长度可以借助于试错法来确定。在优选的实施方式中，电解池在恒定电流强度下操作，并且当相对于清洁的电解池而言，维持该恒定电流所需的电压增加超过30％、优选增加超过25％、甚至更优选增加超过20％、甚至更优选增加超过15％、最优选增加超过10％时，将清洁电解池。优选地，在清洁电解池之前，恒定电流下的电压增加至少1％。甚至更优选地，增加至少3％，最优选至少5％。在清洁之前允许高电压会导致非常高的功耗和/或水处理的一致性较低。在非常低的电压增加下的清洁导致频繁的清洁，这会破坏电解池中的流动模式。所选择的值产生最佳值，以便以相对低的功耗实现恒定的水处理。

在第二方面中，本发明包括一种通过电凝聚去除废水中的污染物的装置，该装置包括两个同轴管状金属电极，一个内管和一个外管，所述内管与电源的负极相连，并且所述外管与电源的正极相连，两个电极之间有电解空间，所述内管至少在其表面层由比所述外管的电负性更大的材料制成，并且特征在于，沿所述同轴管的一端在电解池的底部具有喷射帽，所述喷射帽设置有：至少一个径向开口，所述至少一个径向开口适于将废水供应到电解空间或将废水排出电解空间；以及至少一个具有控制阀的轴向开口，所述至少一个具有控制阀的轴向开口适于利用冲洗液产生通过所述电解空间传播的压力波。

这是一种易于调节和维护的简单设施。表面的连续清洁使得电解池的控制更容易。压力波可以通过短暂地打开和关闭轴向阀来产生。此外，可储存相同的电解池。在沿外管没有污染的情况下，当电解池长时间工作时，电凝聚提供了更好的水净化和更一致的水净化。

在优选实施方式中，喷射帽包括适于排空电解空间的废水和薄片的开口。

这有利于电解池的维护，尤其是更换活性的磨损电极。此外，一段时间后仍必须清洁电解池。

根据权利要求10的通过电凝聚去除废水中的污染物的装置，其中，所述隔板倾斜地布置，优选以0至40°的角度、甚至更优选10°至25°的角度布置。

旋转射流可以借助于倾斜的隔板产生。这将有限量的湍流引入系统中。这有利于表面的净化。由于涡流仅通过介质传播一次，因此对电解池中凝聚的影响很小。然而，优选使用小角度，使得薄片由涡流携带而不是拉裂。

在另一优选实施方式中，本发明包括喷射帽，该喷射帽包括两个径向开口和一个轴向开口，该径向开口相对于轴线位于不同的高度。

最高位置的径向开口适于供水。最低位置的径向开口适于排空电解池以进行维护。轴向开口适于产生轴向射流。这种非常简单的结构使得可以有效地操作电解池。

在另一优选实施方式中，喷射帽包括四个隔板，所述隔板限定四个隔室，径向开口通向相对的隔室，而轴向开口通向中间隔室。

这部分地防止了径向开口(主要是待清洁的废水的进料管)中的水锤现象。此外，隔板有助于均匀且轴向地引导压力波。这样，薄片较少受到射流的干扰。

优选地，内电极至少在表面层由钢制成。钢是有利的，因为可以控制合金的电负性。因此，通过钢的良好选择，可以控制电负性的差异。优选地，外电极由铁或铝构成。两者都便宜，易于加工，并且氢氧化铁和氢氧化铝都难溶于水。此外，氢氧化铁和氢氧化铝与如重金属等污染物可良好地凝聚。

在第三方面中，本发明包括一种用于净化废水的组件，所述组件包括：(i)第二方面所述的通过电凝聚从废水中分离污染物的装置，以及(ii)适于分离净化水和凝聚成薄片的污染物的分离装置。

由于根据第二方面对电解池的表面进行了清洁，因此获得了更一致的水质和更一致的薄片特性。这也使得净化水和薄片的有效分离更为容易。

实施例

实施例1

图1示出了电解池1的实施方式。该电解池1由两个同心管组成，内管2由钢构成，外管3由铁构成。这里，外电极3的电负性更大。内电极2具有4cm的半径和100cm的长度。外电极3具有7cm的半径和100cm的长度。同心管2,3在底部连接到基部4，在顶部连接到顶部5。

该基部将电极保持在它们的同心位置并且径向配备有两个阀7,9。第一阀7适于向电解池供应废水。较低位置的第二阀9适于排空电解池1以进行维护。这对于完全清洁电解池或替换受影响的外电极3是理想的。

顶部5在底部具有两个同心紧固环。它们与电极紧密配合并将它们保持在固定位置。顶部在顶部中央设置有管接头10,11。这用于将含有凝聚杂质薄片的水排放到分离装置，优选为分离塔。

流出物到达底部并通过同心电极12之间的电解池1。在电解池中，在氧化还原反应的影响下，污染物凝聚成薄片。在顶部，水从两个电极之间传导到中心位置10，并沿该中心位置10排放到分离塔。电解池可以处理100l/h至1000l/h的流速。电解池中的电流强度为5至250安培。电解池中的电压为1至60伏。电解池中的凝聚速率与电解池中的电功率成比例。电解池的平均消耗是1.5kwh/m³。电解池的最大消耗是5kwh/m³。

对电解池的清洁能力进行了测试。重金属几乎完全从废水中去除。在净化水中也没有发现许多有机化合物。水的化学需氧量(cod)显著降低。

在盐水的情况下，水仅部分脱盐。碱金属离子实际上没有得到去除。碱土金属离子得到部分去除，通常为30％至60％。其他金属(主要是重金属，包括ni、co、cu、zn、ag和sn)的离子几乎得到完全去除。这些金属离子的95％以上从废水中去除。清洁能力取决于作用在电解池上的电功率。

如果电解池1没有连续清洁，则薄片也会沿着外部活性电极3凝聚。在此，这些薄片形成膜。一旦该污染层沿表面形成，其就会由于凝聚而快速生长。对于电解池1的相同清洁能力，沿电极的这些杂质层导致相当高的电流消耗。随着该层快速生长，该电流消耗也快速增加。在严重污染的活性电极的情况下，电功率的增加不足以保证电解池的清洁能力。电解池1在恒定电流强度下工作。当与清洁的电解池相比电压升高超过10％时，对所述电解池进行清洁。

实施例2

与前述实施例相同的电解池1配备有超声波发生器20。该波发生器20位于反应器1的整个圆周的中心，如图2a所示。波发生器20产生超声波，其破坏污染层并使其与电极分离。薄片与流出物一起携带出并在分离塔中分离。每15分钟激活波发生器30秒。超声波具有40khz的频率。

实施例3

与实施例1相同的电解池1配备有超声波发生器21。该波发生器设置有y形管21的一个分支。y形管的另一分支22允许流入液通过。该y形管放置在电解池的前面。该装置在流入液中产生超声波，这引起一定程度的湍流。这明显延迟了污染层的形成并且可以去除污染物本身。如果在相当长的时间之后仍形成污染层，则将超声装置安装更长的时间，例如2分钟。在某些地方，污染层被湍流破坏，产生的薄片由水携带到分离塔。

与前述实施例相比，这确保了对于有机负荷严重的废水，在操作8小时之后不形成沿外电极3的内表面的污染膜，并且不再需要用水射流。此外，还证明这种布置提高了电解池1的清洁能力。

实施例4

电解池1与实施例1相同，其中基部替换为如图4a所示的喷射帽40。喷射帽40在图4b中详细示出。与实施例1中的基部一样，该喷射帽40具有两个径向连接部，一个用于供应废水41，一个用于排空罐42。然而，喷嘴在与同心管相同的轴线上具有第三轴向连接部43。喷射帽设置有四个径向隔板44a、44b、44c、44d，从而形成四个不同的半打开隔室45a、45b、45c、45d。

第一隔室45a连接到流入液供应。第三隔室45c连接到用于排空罐的阀。第二隔室45b和第四隔室45d连接到轴向连接部。径向隔板44a、44b、44c、44d并不一直延伸到喷射帽40的底部。所有的隔室在喷射帽40的底部完全连接到轴向连接部43。这导致在四个隔室45a、45b、45c、45d的每一个中产生射流。这也导致进入电解池的流入水得以抽吸，这增加了加速度和流量。然而，隔板44a、44b、44c、44d确实延伸穿过用于流入液41的连接部。这产生轴向波并部分抵消水锤现象。

在使用中，冲洗液以1巴的压力沿着该轴向连接部43受推动通过电解池1。冲洗液含有净化水。由于高压，冲洗液受推动通过电解池，产生移动通过电解池的射流。在该射流之后，产生负压，该负压沿着流出物产生拉动。这产生了一些湍流。

每30分钟冲洗电解池1分钟。这明显防止了污染层的形成。

实施例5

电解池1与实施例1相同，其还设置有可旋转刷30，如图3a所示。刷在图3b中详细示出。刷可以围绕内管2旋转，以及通过紧固环31沿着该管轴向移动。刷毛32由诸如聚丙烯或聚酰胺等塑料构成，并且不与外电极3的内表面接触。刷30以45°的角度倾斜。

外电极3的表面不通过刷30对该表面的刷洗来清洁，因为刷30不接触该表面。形成为叶片的刷30引起的湍流和流动提供了沿外电极3的内表面的轴向流动。这种流动减少了薄片对该表面的凝聚。薄片主要由流动携带到分离塔。由于每排刷毛32之间的角度和空间的存在，只有一小部分薄片被刷30携带。然而，一些凝聚的薄片仍然沿刷30悬挂。如果太多的薄片在刷30上凝聚，则它们由于流动而变松并由水携带。

实施例6

电解池1与实施例1相同，其中通过用热水冲洗来净化该电解池。为此，首先借助于低于废水入口6的出口8排空电解池1。收集废水并随后再循环到入口6。

用热水冲洗排空的电解池1。也可以向热水中加入洗涤剂、表面活性剂、ph调节剂、二氧化硅和其他物质以进行良好的清洁。在该实施例中，使用含有柠檬酸和少量洗涤剂的水。结果是良好的清洁，几乎完全去除污染膜。每2小时冲洗电解池1。

实施例7

电解池1与实施例4相同，其中喷射帽调整为旋转喷射帽。旋转喷射帽具有类似于实施例4中的喷射帽的结构，但是隔板已经部分地替换为靠近电解池轴线的旋转喷嘴。该旋转喷嘴用清洁液产生射波，利用该射波获得了电极的令人惊讶的良好清洁。

喷射帽一方面允许流入液进入电凝聚反应器，另一方面用加压的清洁液提供射流。该射流以2至16巴的压力供给到喷射帽的喷嘴的清洁液的连接部。取决于应用，清洁液可以包括水、废水、热水、有机溶剂、洗涤剂和表面活性剂。

与实施例1和4中的基部一样，喷射帽具有两个径向连接部，一个用于供应废水，一个用于排空罐。喷射帽还具有在与同心管相同的轴线上的第三轴向连接部。喷射帽配备有用于产生射流的旋转喷嘴。该喷嘴布置成使得射流通过该射流从底部向上传播到顶部。

喷嘴由壳体和喷嘴主体构成，壳体设置有用于清洁液的供应管线的连接部和用于清洁液的出口，而喷嘴主体中流过清洁液。喷射帽的第三轴向连接部连接到喷嘴入口，使得清洁液可通过其供应。

喷嘴主体具有球形端部。喷嘴主体设置在壳体中，并在球形端部处安装在盘形轴承上，该盘形轴承围绕壳体的出口设置。使喷嘴主体旋转通过流过壳体的清洁液。喷嘴主体的纵向轴线围绕产生的锥体旋转。支撑喷嘴主体的轴承由布置在壳体的内壁中的凹陷形成，该凹陷与壳体的出口同心。

借助于这种改进的清洁技术，由凝聚电解池清洁的废水的流量可以增加到每小时2至5m³废水。电解池保持足够清洁以便长期使用。