一种中频电源电化学处理工业废水的方法及其设备与流程

1.本发明涉及节能环保技术领域，特别是涉及一种中频电源电化学处理工业废水的方法及其设备。


背景技术：

2.工业废水成分复杂，处理困难，对环境潜在危害大，到目前为止，并没有好的单一方法来处理此类废水。传统的物化方法，并不能有效的去除工业废水中难降解的有机化合物，通常情况只能去除一部分污染因子，且会造成二次污染。随着零排放的要求越来越严格，以及资源化利用的要求，高级氧化技术因不带来二次污染，去除效果好而受到普遍关注。
3.臭氧是作为高级氧化技术中典型的代表技术，也是较为普适的技术，但是处理效果差，投资和运行成本高，市场反应不佳，因此应用也受到极大限制，电化学技术是一种较为广泛应用的技术，有着臭氧技术同等的优越性，但是传统电化学技术，阴极污染问题，扩散问题较为突出，阳极钝化现象严重，长期高电位运行导致阳极寿命短，处理效果一般。专利cn103086449a，中频电源用于电加热系统，对废水进行浓缩，产生蒸汽和浓水，对蒸汽进行压缩产生高压蒸汽发电后冷凝，浓水进入污泥池后压滤，蒸发能耗高，二次蒸汽压缩再利用效率低，同时废水蒸汽中有低沸点组分蒸汽，也就是不凝气，对发电系统不利，同时产生的浓缩水，如果含盐过高，根本没办法在污泥池储存后压滤成泥饼。与本发明完全不同。因此急需一种更优化的电化学污水处理的方法，以解决上述问题。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明提供一种中频电源电化学处理工业废水的方法，主要目的在于提高电化学技术在工业废水处理中适应性，以扩大电化学在环境治理中的作用。传统电化学由于阴极结垢，以及阳极浓差扩散限制，导致阳极电压升高以及水分解严重，使得涂层寿命短，能耗高，处理效果差，市场应用受到了极大限制。中频电源电化学技术，电极互为阴阳极，有效克服阴极结构以及阳极浓差扩散限制导致的阳极电压升高问题，不仅提高了电极的寿命，还降低了能耗，同时达到了更好的去除效果。本发明克服阴极污染的问题，有效解决传质，同时降低电流对极板的持续作用影响寿命等问题，进而解决高能耗的问题。为达到上述目的，本发明主要提供如下技术方案：
5.一种中频电源电化学处理工业废水的设备，其特征在于，包括：
6.中频电源，用于提供电化学处理工业废水所需的电源；
7.电极组件，用于电化学反应对废水中有机物进行降解；
8.电解槽，内部形成为用于废水电化学反应的反应区，槽体一侧设有废水导入口，另一侧设置有废水导出口；
9.后氧化装置，设置在电解槽之后，用于对废水作进一步氧化处理；
10.前处理装置，用于对预处理的工业废水进行前处理；
11.以及循环泵，设置在前处理装置和电解槽之间，用于将经过前处理后的废水输送到电解槽中。
12.进一步的，所述的中频电源，电流输出为正弦曲线，频率为400hz
‑
10khz，优选的，频率500hz
‑
5khz；电压小于10v，电流200a/m2‑
3000a/m2，优选的800a/m2‑
2500a/m2。
13.进一步的，所述的电极组件，电极为石墨、pbo2，钌氧化物、铱氧化物、钌铱氧化物、掺杂钌铱氧化物、pt、au、bdd、氧化锡锑中的一种或者几种组合；所述的，电极形状为管状、网状、板状，组合方式一组或者多组，优选的，圆形网状。电极阴阳极可为同类电极，也可为不同类电极，在工作过程中互为阴阳极，优选钌氧化物，铱氧化物，钌铱氧化物及其掺杂金属氧化物涂层电极，贵金属电极，以及bdd电极。
14.进一步的，电极阴阳极均为网状，采用套管结构。
15.进一步的，所述的电解槽耐腐蚀、耐氧化、耐紫外线，材质为pp，pvc，upvc，frp，pvdf，玻璃钢，不锈钢，双相钢、钛材，钢衬塑中的一种。
16.本发明还提供了一种中频电源电化学处理工艺废水的方法，采用上述的中频电源电化学处理工业废水的设备，包括如下步骤：
17.(1)反应区电极组装：根据需要选用电极长度、面积、组数，阴阳极板间距0.5
‑
3cm，采用网状套管，电极串联个数小于10支，根据需要选用并联组数；优选的，极板间距1
‑
1.5cm，外管5
‑
7cm，电极串联5
‑
10支；
18.(2)对废水通过前处理装置进行预处理：去除废水中的钙、镁、硅硬度物质，以及污染电极表面的悬浮物物质，以降低不必要的因素导致电压升高带来电极损伤造成性能和寿命衰减问题；
19.(3)经过预处理的废水，通过循环泵把废水从电解槽的底部入口进入，经过到缓冲区，溢流至催化氧化反应区；
20.(4)后氧化工艺段：废水经过电解反应区后溢流至后氧化装置中进行后氧化处理；
21.(5)打开中频电源，设置频率500hz
‑
5khz,电流800a/m2‑
2500a/m2，阳极电极开始氧化降解有机物，反应停留时间10
‑
120min，污水达标后排放。
22.进一步的，后氧化处理阶段可补充双氧水，或者紫外光，或者紫外光加催化系统，优选的，采用紫外光活化电催化后产能活性物质，或紫外光协同固载催化剂。
23.进一步的，采用紫外光催化激发活性物质，紫外光插入石英套管中，然后插入到废水中，数量根据需要配置，可串联可并联，提高紫外光协同的效率，对石英管外壁采用胶体刷涂，然后经过高温处理，胶体成分为钨、钼、铁、铈中的一种或几种掺杂的纳米二氧化钛，掺杂量小于10％，优选的，重量比0.1％
‑
3％。
24.再进一步的，在废水进入缓冲区域前，对硬度及悬浮物进行预处理，以降低硬度对电极寿命的影响，对废水进行前处理后，优选的，调节废水的ph范围为3
‑
7。
25.与现有技术相比，本发明的一种中频电源电化学处理工业废水的方法至少具有以下有益效果：
26.常规的电化学技术，阳极寿命短，能耗高，处理工业废水效果不佳等现象普遍存在，主要原因是普遍只关注阳极问题，实际上尽管是阳极参与氧化反应，但是阴极对整个电化学系统的性能影响至关重大，阴极结垢导致槽电压升高，传质影响使得阳极分解水或者氧化电解质现象加重，从而导致阳极活性成分溶解，降低电极寿命和处理效果。采用中频电
源电化学处理工业废水的优点。第一，中频电源输出正弦波电流，正负脉冲电流，电极互为阴阳极，相比较持续阳极电流作用的电氧化模式，即可以保证处理性能，又可以降低浓差扩散传质造成电压升高对阳极的损伤，还可以降低能耗；第二，通过极性转换，两极板互为阴阳极，有效抑制阴极结垢而对整个电化学系统的影响，还可以降低扩散对单一阳极的影响，有效降低传质作用的影响；第三，与脉冲电源相比，电极始终在高效区工作，电解效率更高；第四，通过对进水指标钙、镁、硅等硬度指标以及进水ph的控制，有效抑制电极表面污染对电化学处理工业废水的影响，耦合光催化工艺强化利用电化学产生的低能量、不足以持续氧化难降解污染物的物质，提高电化学的稳定性及适用性。
附图说明
27.图1中频电化学处理工业废水结构示意图
28.图中：1、中频电源；2、电极；3、电解槽；4、循环泵；5、废水；6、后氧化装置；7、前处理装置接口。
具体实施方式
29.为进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明申请的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下
30.一方面，本发明的实施例提供一种中频电源电化学处理工业废水的装置，包括：
31.中频电源，用于提供电化学处理工业废水所需的电源，电流输出为正弦曲线，频率为400hz
‑
10khz，优选的，频率500hz
‑
5khz；电压小于10v，电流200a/m2‑
3000a/m2，优选的800a/m2‑
2500a/m2；为了达到最佳操作条件，电流参数选择根据废水中污染因子的氧化还原电流确定；
32.电极组件，用于电化学反应对废水中有机物进行降解；其中电极为石墨、pbo2，钌氧化物、铱氧化物、钌铱氧化物、掺杂钌铱氧化物、pt、au、bdd、氧化锡锑中的一种或者几种组合；所述的，电极形状为管状、网状、板状，组合方式一组或者多组，优选的，圆形网状；电极阴阳极可为同类电极，也可为不同类电极，在工作过程中互为阴阳极，优选钌氧化物，铱氧化物，钌铱氧化物及其掺杂金属氧化物涂层电极，贵金属电极，以及bdd电极；阴阳极均为网状，采用套管结构；
33.电解槽，内部形成为用于废水电化学反应的反应区，槽体一侧设有废水导入口，另一侧设置有废水导出口，电解槽耐腐蚀、耐氧化、耐紫外线，材质为pp，pvc，upvc，frp，pvdf，玻璃钢，不锈钢，双相钢、钛材，钢衬塑中的一种；
34.后氧化装置，设置在电解槽之后，用于对废水作进一步氧化处理；
35.前处理装置，用于对预处理的工业废水进行前处理；
36.以及循环泵，设置在前处理装置和电解槽之间，用于将经过前处理后的废水输送到电解槽中。
37.具体设备连接为：电极2组装好后设置在电解槽3中，中频电源1设置在电极的两端提供电化学电源，在电解槽3的导入口连接有循环泵4，可将经过前处理的废水输送的电解槽3内，循环泵4连接于前处理装置接口7，从而与废水前处理装置相连，在电解槽导出口端连接有后氧化装置，废水5充满在电解槽3和后氧化装置6中。
38.另一方面，本发明的实施例还提供一种中频电源电化学处理工业废水的方法，其中，包括如下步骤：
39.(1)反应区电极组装：根据需要选用电极长度、面积、组数，阴阳极板间距0.5
‑
3cm，采用网状套管，电极串联个数小于10支，根据需要选用并联组数；优选的，极板间距1
‑
1.5cm，外管5
‑
7cm，电极串联5
‑
10支；
40.(2)对废水通过前处理装置进行预处理：采用常规废水处理装置，去除废水中的钙、镁、硅等硬度物质，以及污染电极表面的悬浮物等物质，以降低不必要的因素导致电压升高带来电极损伤造成性能和寿命衰减问题；对废水进行电化学测试，以了解废水中污染因子的氧化还原电流，来达到降低不必要能耗，以及不合适的操作参数对电极的损伤；为了进一步控制系统的稳定性，防止预处理不彻底对电极系统的污染问题，调节废水的ph3
‑
7；
41.(3)经过预处理的废水，通过循环泵把废水从电解槽的底部入口进入，经过到缓冲区，溢流至催化氧化反应区，
42.(4)后氧化工艺段：废水经过电解反应区后溢流至后氧化装置中进行后氧化处理，一般电化学产生活性物质中部分种类不能立即被消耗掉，这些活性物质进入后氧化区的氧化能量一般不足以持续氧化难降解的污染因子，耦合氧化剂，或者提供能量进一步提高活性物质的氧化能力；优选的，采用紫外光催化激发活性物质，紫外光插入石英套管中，然后插入到废水中，数量根据需要配置，可串联可并联，提高紫外光协同的效率，对石英管外壁采用胶体刷涂，然后经过高温处理，胶体成分为钨、钼、铁、铈中的一种或几种掺杂的纳米二氧化钛，掺杂量小于10％，优选的，重量比0.1％
‑
3％为宜；
43.(5)打开中频电源，设置频率500hz
‑
5khz,电流800a/m2‑
2500a/m2，停留时间10
‑
120min；污水达标后排放。
44.具体实施例如下：
45.实施例1
46.全氟辛酸废水，原水toc为735mg/l,浅黄色，氯离子含量为24800mg/l,总硬度187mg/l,调节ph3.5，采用双碱法除硬(常见的硬度去除方法，碳酸钠和氢氧化钠为主)，去除后硬度为31mg/l,回调节ph6.0；采用pp材质三隔式电解槽，把废水从底部打到缓冲区，溢流至反应区，然后溢流至后氧化区，最后出水；反应区电极组装，贵金属氧化物涂层电极电极长50cm，采用网状套管，外径7cm，内径5cm，电极5支串联一组，然后并联3组；
47.打开中频电源，设置频率1200hz,电流920a/m2，初始电压5.9v，停留时间30min，实验时启动；
48.后氧化工艺段，5％tio2胶体，掺杂铈重量比0.5％，铁0.1％(铁、铈的量是相对于tio2的量)，涂刷到石英管上后，500℃焙烧1小时，将254nm波长的紫外灯管插入到石英管中，密封后，按照一组5支，三组的排布结果，停留时间约为30min，实验时启动；
49.结果，运行8小时后，出水清澈透明，toc为16mg/l,用分光度计检测，在紫外区无全氟辛酸信号，连续运行一周后，电化学平均能耗4.6kwh/m3,电压为6.2v；
50.实施例2
51.全氟辛酸废水，原水toc为735mg/l,浅黄色，氯离子含量为24800mg/l,总硬度187mg/l,调节ph3.5，采用双碱法除硬，去除后硬度为31mg/l,回调节ph6.0；采用pp材质三隔式电解槽，把废水从底部打到缓冲区，溢流至反应区，然后溢流至后氧化区，最后出水；
52.反应区电极组装，贵金属氧化物涂层电极长50cm，采用网状套管，外径7cm，内径5cm，电极5支串联一组，然后并联3组；
53.打开直流电源，电流920a/m2，初始电压5.9v，停留时间30min，实验时启动；后氧化工艺段，5％tio2胶体，掺杂铈重量比0.5％，铁0.1％(铁、铈的量是相对于tio2的量)，涂刷到石英管上后，500℃焙烧1小时，将254nm波长的紫外灯管插入到石英管中，密封后，按照一组5支，三组的结果排布，停留时间约为30min，实验时启动；
54.结果，运行8小时后，出水清澈透明，toc为47mg/l,用分光度计检测，在紫外区有全氟辛酸信号，连续运行一周后，电化学平均能耗11.2kwh/m3,电压为7.3v；
55.实施例3
56.其它同实施例1
57.打开中频电源，设置频率600hz,电流920a/m2，初始电压5.9v，停留时间30min，实验时启动；
58.结果，运行8小时后，出水清澈透明，toc为52mg/l,用分光度计检测，在紫外区无全氟辛酸信号；
59.实施例4
60.其它同实施例1
61.打开中频电源，设置频率1800hz,电流920a/m2，初始电压5.9v，停留时间30min，实验时启动；
62.结果，运行8小时后，出水清澈透明，toc为11mg/l,用分光度计检测，在紫外区无全氟辛酸信号；
63.实施例5
64.其它同实施例1
65.打开中频电源，设置频率1200hz,电流600a/m2，初始电压5.1v，停留时间30min，实验时启动；
66.结果，运行8小时后，出水清澈透明，toc为103mg/l,用分光度计检测，在紫外区无全氟辛酸信号；
67.实施例6
68.全氟辛酸废水，原水toc为735mg/l,浅黄色，氯离子含量为24800mg/l,总硬度187mg/l,调节ph3.5，采用双碱法除硬，去除后硬度为31mg/l,回调节ph6.0；采用pp材质三隔式电解槽，把废水从底部打到缓冲区，溢流至反应区，然后溢流至后氧化区，最后出水；
69.反应区电极组装，贵金属氧化物涂层电极电极长50cm，采用网状套管，外径7cm，内径5cm，电极5支串联一组，然后并联3组；
70.打开中频电源，设置频率1200hz,电流920a/m2，初始电压5.9v，停留时间30min，实验时启动；
71.后氧化工艺段，将254nm波长的紫外灯管插入到石英管中，石英管上未负载催化剂，密封后，按照一组5支，三组的结果排布，停留时间约为30min，实验时启动；
72.结果，运行8小时后，出水清澈透明，toc为67mg/l,用分光度计检测，在紫外区无全氟辛酸信号；
73.实施例7
74.全氟辛酸废水，原水toc为735mg/l,浅黄色，氯离子含量为24800mg/l,总硬度187mg/l,调节ph3.5，采用双碱法除硬，去除后硬度为31mg/l,回调节ph6.0；采用pp材质三隔式电解槽，把废水从底部打到缓冲区，溢流至反应区，然后溢流至后氧化区，最后出水；
75.反应区电极组装，贵金属氧化物涂层电极电极长50cm，采用网状套管，外径7cm，内径5cm，电极5支串联一组，然后并联3组；
76.打开中频电源，设置频率1200hz,电流920a/m2，初始电压5.9v，停留时间30min，实验时启动；
77.后氧化工艺段，5％tio2胶体，掺杂铈重量比0.5％，铁0.1％(铁、铈的量是相对于tio2的量)，涂刷到石英管上后，500℃焙烧1小时，将254nm波长的紫外灯管插入到石英管中，密封后，按照一组5支，三组的结果排布，停留时间约为30min，实验时未启动紫外电源；
78.结果，运行8小时后，出水清澈透明，toc为95mg/l,用分光度计检测，在紫外区无全氟辛酸信号；
79.实施例8
80.全氟辛酸废水，原水toc为735mg/l,浅黄色，氯离子含量为24800mg/l,总硬度187mg/l,调节ph3.5，采用双碱法除硬，去除后硬度为31mg/l,回调节ph6.0；采用pp材质三隔式电解槽，把废水从底部打到缓冲区，溢流至反应区，然后溢流至后氧化区，最后出水；
81.反应区电极组装，贵金属氧化物涂层电极电极长50cm，采用网状套管，外径7cm，内径5cm，电极5支串联一组，然后并联3组；
82.打开中频电源，设置频率1200hz,电流600a/m2，初始电压5.1v，停留时间30min，实验时启动；
83.后氧化工艺段，5％tio2胶体，掺杂铈重量比0.5％，铁0.1％(铁、铈的量是相对于tio2的量)，涂刷到石英管上后，500℃焙烧1小时，将254nm波长的紫外灯管插入到石英管中，密封后，按照一组5支，三组的结果排布，停留时间约为30min，投加0.1％的双氧水，实验时启动；
84.结果，运行8小时后，出水清澈透明，toc为14mg/l,用分光度计检测，在紫外区无全氟辛酸信号；
85.实施例9
86.硝基酚废水，原水cod为3250mg/l,深红色，氯离子含量为17500mg/l,总硬度120mg/l,调节ph6.8，采用双碱法除硬，去除后硬度为17mg/l,回调节ph6.5；采用pp材质三隔式电解槽，把废水从底部打到缓冲区，溢流至反应区，然后溢流至后氧化区，最后出水；
87.反应区电极组装，贵金属氧化物涂层电极电极长50cm，采用网状套管，外径7cm，内径5cm，电极5支串联一组，然后并联3组；
88.打开中频电源，设置频率1200hz,电流920a/m2，初始电压6.1v，停留时间60min，实验时启动；
89.后氧化工艺段，5％tio2胶体，掺杂铈重量比0.5％，铁0.1％(铁、铈的量是相对于tio2的量)，涂刷到石英管上后，500℃焙烧1小时，将254nm波长的紫外灯管插入到石英管中，密封后，按照一组5支，三组的结果排布，停留时间约为30min，实验时启动；
90.结果，运行8小时后，出水清澈透明，cod为38mg/l,电化学平均能耗5.8kwh/m3；各个实施例，运行参数结果情况如下表所示：
[0091] 频率(hz)电流(a/m2)toc(mg/l)备注实施例1120092016中频电源实施例2120092047直流电源实施例360092052中频电源实施例4180092011中频电源实施例51200600103中频电源实施例6120092067中频，未负载催化剂实施例7120092095中频，后氧化未启动实施例8120060014中频，后氧化加0.1％h2o2实施例9120092038数据为cod，硝基酚废水
[0092]
实施例1和2比较说明，中频电源去除toc的效果更好，平均能耗更低，槽电压更低，有利于降低能耗，延长电极寿命；实施例1，3，4考察频率对toc去除的影响，频率高toc去除高，反之，toc去除低；实施例1,5考察电流密度对toc去除的影响，电流密度大，toc去除率高；实施例6与实施例1比较说明，后氧化工艺段，载体催化剂的催化重要性；实施例7与实施例1比较说明，强化后氧化工艺段的重要性；实施例8与实施例5比较说明，协同强化后氧化工艺段的重要性，实施例8与实施例1比较还说明，降低电流密度，进而降低能耗，可通过协同强化后氧化工艺段达到与实施例1几乎相同的效果；实施例9说明，中频电源另外一种硝基酚废水中的应用场景。
[0093]
需要说明的是本专利实施例采用的是中频电源，但不限定于中频电源，凡是具有正负电流交替互换功能的电源装置包括但不限于中频电源均为本专利的保护范围。