一种高浓度含砷有机废水的复合电絮凝处理方法及其反应器的制造方法
【专利摘要】本发明属于废水处理技术领域，具体涉及一种高浓度含砷有机废水的复合电絮凝处理方法及其反应器。其中，反应器的容器形状设置为圆柱形筒体，上下两端封闭，上端采用可开启端盖，在反应器的下部左侧开设有进水口，在反应器的上部右侧开设有出水口；在反应器的右下侧固定有可见光光源氙灯；废水从反应器的下部左侧进水口进入，在反应器里循环折流，最终从反应器上部右侧边完成出水；在反应器内设有电极，反应器内从下到上的电极顺序依次为CNT?TiO2氧化电极—铁电极—铁炭粒子电极—石墨电极；在反应器外部设有直流电源，该直流电源的电源输出正极连接氧化电极和铁电极，而直流电源的输出负电极连接石墨电极；设置有固定槽用于放置铁炭粒子电极。
【专利说明】
-种高浓度含神有机废水的复合电絮凝处理方法及其反应器
技术领域
[0001] 本发明属于废水处理技术领域，具体设及一种高浓度含神有机废水的复合电絮凝 处理方法及其反应器。
【背景技术】
[0002] 目前，在工矿企业排放的污水中（特别是渗滤液），污染物成分较为复杂，其中不仅 含有较多的多种有机污染物，还含有多种高浓度重金属污染因子。尤其是源于矿业活动而 产生的含神废水处理更是存在诸多问题。针对此类水，通常采用单一的处理方法处理效果 不佳，简单的工艺组合容易导致处理成本的增加，如何寻找有效的低成本的处理方法显得 至为重要。神及其化合物作为一种类金属，高浓度含神废水的处理越来越紧迫，现有常规的 处理工艺已经不能满足其严格的排放要求。基于此，本发明将致力于高浓度含神废水的处 理方法的改进，并同时兼顾有机污染物的降解、重金属的去除。
[0003] 作为一种现有经典的处理方法，电絮凝法是一个复杂的过程，其反应原理是铅、铁 与铜等金属为阳极。在直流电的作用下，阳极被腐蚀，产生A13+、Fe2+、Cu化等阳离子，再经 一系列水解、聚合及亚铁的氧化过程，发展成为各种径基络合物、多核径基络合物及氨氧化 物，使废水中的胶态杂质、悬浮杂质凝聚沉淀而分离。同时，带电的污染物粒径在电场中运 动，其部分电荷被电极中和而促使其脱稳聚沉。废水进行电解絮凝处理时，不仅对胶态杂质 及悬浮杂质有凝聚沉淀作用，而且由于阳极的氧化作用和阴极的还原作用，能去除水中多 种污染物。但是目前电絮凝方法存在的一个重大问题就是能耗太高，工艺运行成本过大。
[0004] 光电催化又称电助光催化，是通过外加偏压使光生电子和空穴快速分离，有效增 加半导体表面生成效率，利用光电协同作用对污染物有效降解的高级氧化技术。常见的光 电催化技术WTi02为主要材料，采用外加恒电流或恒电位的方法，迫使光生电了向对电极 方向移动，因而与光生空穴发生分离。其目的一方面是解决催化剂的固定和回收问题，另一 方面又有望解决空穴电子复合问题。其中，固定态是将光催化剂固定于电极板表面作为阳 极，研究一般采用二维Ξ电极体系，此体系可W准确控制工作电极电位。Ξ维电极光电催化 体系（阳极一粒子电极一阴极)不仅具有Ξ维电极的高效电催化降解有机物的特点，而且在 电场作用下可有效减少表面光生电子空穴复合几率，同时电解副反应产生的可捕获光生电 子从而减少电空穴的复合，进而可W对污染物进行有效降解。
[0005] 但是由于二氧化铁的禁带宽度为3.2eV，只能吸收400nmW下波长的光，而太阳光 中400nmW下的紫外光只占大概6%，导致Ti02在光催化领域对太阳光的利用还不够充分。 因此对Ti02进行改性、扩展Ti02在可见光的吸收、充分利用清洁可再生的太阳光能源用于 解决环境污染及其他问题便成为热口研究课题。玻碳电极片是用途广泛的工作电极之一， 它是一种较好的惰性电极，具有导电性好，硬度高，光洁度高，极化范围宽，化学性稳定，可 作为惰性电极直接用于阳极溶出，阴极和变价离子的伏安测定，还可W作化学修饰电极。
[0006] 所W，本发明将利用玻碳电极作为修饰电极，在其表面涂加纳米碳管-二氧化铁型 复合物薄膜，W便增加其光能利用效率，同时在外加电源的情况下一定程度上解决空穴电 子复合问题。更为重要的是，利用载有CNT-Ti02的玻碳电极在光照的情况下将能使Ξ价神 氧化为五价神，此有利于神的化学沉淀，为处理高浓度含神废水的预处理过程。
[0007] 微电解法是一种利用金属腐蚀原理的方法。它是在无需外接电源的情况下自身产 生电位差对废水进行电解处理。当系统通水后设备内形成无数原电池系统，在其周围产生 许多电场形成电流，对废水进行电解处理，达到降解污染物的目的。
[0008] 本发明在电絮凝的基础上，添加微电解联合应用技术能有效降低运行成本，构成 处理高浓度含神废水的Ξ维电极光电催化技术。
【发明内容】
[0009] 本发明的目的正是为了克服上述现有技术存在的缺陷和不足而提供一种运行成 本低、处理效果好的高浓度含神废水的复合电絮处理方法及其反应器。
[0010] 本发明的技术方案是：
[0011] -种高浓度含神废水的复合电絮处理方法，本发明特征在于:利用纳米碳管一二 氧化铁复合材料即CNT-Ti化作为光电催化氧化电极，采用铁片作为阳电极，采用石墨片作 为阴电极，利用铁炭粒子作为粒子电极，同时配制直流电源及氣灯光源，构制新型除神化合 物及降解有机污染物的Ξ维光电催化电絮凝技术;其中，所述CNT-Ti化氧化电极制作过程 为:将Ig纯化后的碳纳米管，加入1L浓度为0.5mg/mL的DHP分散液(蒸馈水配制双十六烷基 憐酸溶液）中超声分散化，得到均质的碳纳米管即CNT分散液;在上述分散液基础上再加入 0.5mg纳米Ti化粉末共同分散，得到均匀的分散液;最后将玻碳片（厚度1mm)用0.05μπιΑ?2〇3 抛光粉抛光，依次在无水乙醇、1:1硝酸溶液、二次蒸馈水中超声清洗5min，在红外灯下烘 干，分别将10化L上述两种分散液滴加到玻碳片表面，室溫挥发除掉溶剂即制得CNT-Ti02复 合膜修饰玻碳电极。将制得的CNT-Ti02复合膜修饰玻碳电极设置在处理废水的与本方法配 合使用的容器内，通过将高浓度含神废水引进该容器进行处理，得到合格排放的处理水。铁 片、石墨、铁炭粒子、氣灯光源、直流电源、玻碳片、碳纳米管、二氧化铁等均来自市售。
[0012] -种高浓度含神废水的复合电絮处理方法的反应器，本发明其特征在于，将反应 器的容器形状设置为圆柱形筒体，上下两端封闭，上端采用可开启端盖，在反应器的下部左 侧开设有进水口，在反应器的上部右侧开设有出水口；在反应器的右下侧固定有可见光光 源氣灯;废水从反应器的下部左侧进水口进入，在反应器里循环折流，最终从反应器上部右 侧边完成出水;在反应器内设有电极，反应器内从下到上的电极顺序依次为CNT-Ti化氧化 电极一铁电极一铁炭粒子电极一石墨电极;在反应器外部设有直流电源，该直流电源的电 源输出正极连接氧化电极和铁电极，而直流电源的输出负电极连接石墨电极;设置有固定 槽用于放置铁炭粒子电极。
[001引该发明创造的优点是：
[0014] 1、复合Ξ维光电催化电絮凝方法，设计兼顾多种污染物的去除，光催化氧化的引 入不仅能实现有机污染物的降解，也能使神及其化合物完成氧化，其有利于后续电絮凝沉 淀的生成，更重要的是将能一定程度上减少电源能耗的损失。电催化的引入能使光催化效 率提高，使粒子电极微电解效果更好。
[0015] 2、新型去除高浓度含神及降解有机物废水的反应器聚光电催化氧化及电絮凝为 一体，使废水在反应器里实现流态化，充分反应混合。含铁污泥依靠重力沉降作用，实现从 反应器底部自动收集。将此种复合Ξ维光电催化电絮凝技术应用于高浓度含神废水处理 中，其能兼顾有机污染物的降解，真正去除COD。另外，阳电极和粒子电极为可拆式，可根据 实时废水成分更换为其他电极种类，实现此反应器的多功能化。
[0016]该发明创造的关键点和保护点为：
[0017] 1、复合Ξ维光电催化电絮凝的设计方法，即W载有CNT-Ti〇2的玻碳片为催化氧化 电极，W铁片为阳极，W铁炭粒子为粒子电极，W石墨片为阴极。此种设计方法能高效处理 富含有机污染物的神及其化合物废水，通过更换阳电极也能处理富含有机污染物的重金属 类废水，其兼光电催化氧化、微电解、电絮凝为一体。
[0018] 2、复合Ξ维光电催化电絮凝反应器的设计，即反应器为正圆柱体型，废水从左下 边流入，依次折流经过CNT-Ti〇2氧化电极、铁电极、铁炭粒子、石墨电极，然后从反应器右上 边出水;反应器接通电源为直流电源，可见光光源为氣灯。所有电极片均与水平角度为60°C 放置，污泥依靠重力作用从反应器底部进行收集。
【附图说明】
[0019] 图1为本发明复合电絮凝设计图。
【具体实施方式】
[0020] -种高浓度含神废水的复合电絮处理方法，本发明特征在于:利用纳米碳管一二 氧化铁复合材料即CNT-Ti化作为光电催化氧化电极，采用铁片作为阳电极，采用石墨片作 为阴电极，利用铁炭粒子作为粒子电极，同时配制直流电源及氣灯光源，构制新型除神化合 物及降解有机污染物的Ξ维光电催化电絮凝技术;其中，所述CNT-Ti化氧化电极制作过程 为:将Ig纯化后的碳纳米管，加入1L浓度为0.5mg/mL的DHP分散液(蒸馈水配制双十六烷基 憐酸溶液）中超声分散化，得到均质的碳纳米管即CNT分散液;在上述分散液基础上再加入 0.5mg纳米Ti化粉末共同分散，得到均匀的分散液;最后将玻碳片（厚度1mm)用0.05μπιΑ?2〇3 抛光粉抛光，依次在无水乙醇、1:1硝酸溶液、二次蒸馈水中超声清洗5min，在红外灯下烘 干，分别将10化L上述两种分散液滴加到玻碳片表面，室溫挥发除掉溶剂即制得CNT-Ti02复 合膜修饰玻碳电极。将制得的CNT-Ti02复合膜修饰玻碳电极设置在处理废水的与本方法配 合使用的容器内，通过将高浓度含神废水引进该容器进行处理，得到合格排放的处理水。 (铁片、石墨、铁炭粒子、氣灯光源、直流电源、玻碳片、碳纳米管、二氧化铁等均来自市售。）
[0021] 见图1，一种高浓度含神废水的复合电絮处理方法的反应器，本发明其特征在于， 将反应器1的容器形状设置为圆柱形筒体，上下两端封闭，上端采用可开启端盖，在反应器 的下部左侧开设有进水口 2,在反应器的上部右侧开设有出水口 3;在反应器的右下侧固定 有可见光光源氣灯4;废水从反应器1的下部左侧进水口 2进入，在反应器1里循环折流，最终 从反应器上部右侧边完成出水;在反应器1内设有电极，反应器1内从下到上的电极顺序依 次为CNT-Ti化氧化电极5-铁电极6-铁炭粒子电极一石墨电极8;在反应器1外部设有直流 电源9,该直流电源9的电源输出正极连接氧化电极5和铁电极6,而直流电源9的输出负电极 连接石墨电极8;设置有固定槽10用于放置铁炭粒子电极7。
[0022] 本发明技术要求还包括：
[0023] 1、进水为高浓度含神有机废水，也适用于重金属类有机废水。
[0024] 2、可见光光源为150W氣灯。
[0025] 3、CNT-Ti化电极为二氧化铁碳纳米管复合材料，渗入CNT能有效提高二氧化铁的 可见光利用效率。
[0026] 4、当阳电极为铁片时，其可W致力于含神废水的处理。若需处理其他重金属废水， 可W适时更换阳电极。
[0027] 5、铁炭粒子的引入将使含神废水处理效果提升，并且节约电源能耗。若需处理其 他重金属废水，可W适时更换粒子电极。
[0028] 6、在可见光光源和直流电源的协同下，光电催化降解有机物效率提升，并且能在 电絮凝处理之前进行重金属或神的氧化实验，其有利于后续沉淀的产生。
[0029] 7、此种技术去除高浓度含神废水的部分机理如下：
【主权项】
1. 一种高浓度含砷废水的复合电絮处理方法，其特征在于：1)利用纳米碳管一二氧化 钛复合材料即CNT-TiO 2作为光电催化氧化电极，采用铁片作为阳电极，采用石墨片作为阴 电极，利用铁炭粒子作为粒子电极，同时配制直流电源及氙灯光源，构制新型除砷化合物及 降解有机污染物的三维光电催化电絮凝技术;其中，所述CNT-TiO 2氧化电极制作过程为:将 I g纯化后的碳纳米管，加入IL浓度为0.5mg/mL的DHP分散液中超声分散Ih，得到均质的碳纳 米管即CNT分散液;在上述分散液基础上再加入0.5mg纳米TiO 2粉末共同分散，得到均匀的 分散液;最后将玻碳片用0. 〇5μπιΑ12〇3抛光粉抛光，依次在无水乙醇、1:1硝酸溶液、二次蒸馏 水中超声清洗5min，在红外灯下烘干，分别将IOOyL上述两种分散液滴加到玻碳片表面，室 温挥发除掉溶剂即制得CNT-Ti02复合膜修饰玻碳电极;将制得的CNT-Ti02复合膜修饰玻碳 电极设置在处理废水的与本方法配合使用的容器内，通过将高浓度含砷废水引进该容器进 行处理，得到合格排放的处理水。2. 根据权利要求1所述的一种高浓度含砷废水的复合电絮处理方法的反应器，其特征 在于，将反应器（1)的容器形状设置为圆柱形筒体，上下两端封闭，上端采用可开启端盖，在 反应器的下部左侧开设有进水口（2)，在反应器的上部右侧开设有出水口（3);在反应器的 右下侧固定有可见光光源氙灯(4);废水从反应器（1)的下部左侧进水口（2)进入，在反应器 (1)里循环折流，最终从反应器上部右侧边完成出水;在反应器（1)内设有电极，反应器（1) 内从下到上的电极顺序依次为CNT-TiO 2氧化电极(5)、铁电极(6)、铁炭粒子电极(7)、石墨 电极(8);在反应器（1)外部设有直流电源(9)，该直流电源(9)的电源输出正极连接氧化电 极(5)和铁电极(6)，而直流电源(9)的输出负电极连接石墨电极(8);设置有固定槽（10)用 于放置铁炭粒子电极(7)。
【文档编号】C02F1/463GK105905998SQ201610407555
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年6月8日
【发明人】黄志红, 王万宾
【申请人】云南圣清环保科技有限公司