一种在超高电压条件下运行的电催化氧化装置及工艺方法
【专利摘要】本发明为一种在超高电压条件下运行的电催化氧化装置及工艺方法，该装置包括多级串联球形粒子活性电极反应装置和能够产生超高电压的直流稳压电源装置。其中多级串联球形粒子活性电极反应装置内部包含一套多级串联球形粒子活性电极反应系统，其通过定位绝缘塑料棒将粒子电极固定为等距离的包含A行B列C层，其中第一个球形粒子活性电极连接电源装置的正极，第A×B×C个球形粒子活性电极连接电源装置的负极。能够产生超高电压的直流稳压电源装置的发电主体采用转子式摩擦起电器，起电器转轮依靠可变频电机带动，通过控制电机的不同转速，达到调节转子式摩擦起电器的旋转速率，输出电压再经过稳压装置的稳压作用，就能够得到2000V?50000V的超高直流电压。
【专利说明】
一种在超高电压条件下运行的电催化氧化装置及工艺方法
技术领域
[0001]本发明为一种在超高电压条件下运行的电催化氧化工艺方法，适用于处理工业难降解有机废水，属于环境工程专业领域。
【背景技术】
[0002]近年来，随着国家工业和经济的发展，许多含有难以生物降解的有毒有害物质的废水不断进入环境，给工农业生产、人民生活和人体健康带了了很大的危害，在这种背景下，国家要求废水排放的标准越来越严格，许多难降解废水的达标处理成为环保领域内的难点问题。
[0003]而另一方面，电催化氧化技术作为一种全新的高级氧化技术已经成功应用在高盐废水处理行业中，电催化技术是一种依靠外加直流电在活性催化阳极上产生强氧化剂的一种新型深度氧化技术，主要原理是通过在工作电极上施加偏电压，从而在电极和活性催化涂层之间形成一个电势梯度，能够促进活性催化涂层上的电子和空穴向相反的方向移动，抑制它们的复合，从而能够直接氧化附着在阳极上的有机物，或者通过生成C1—、0H.等强氧化剂间接达到氧化有机物，去除水体中的COD。目前电催化氧化技术根据所采用电极的形式主要分为二维平板电极反应器和三维粒子电极反应器，其中三维粒子电极反应器是通过在二维平板电极中间添加粒子电极，构成三维体系。
[0004]但是由于电催化氧化工艺普遍能耗较高，成为制约其大规模工业化推广的瓶颈问题，究其原因，主要在于不论是二维平板电极反应器还是三维粒子电极反应器，由于平板电极面积较大，且电极间距较小，因此在保持一定电流密度的同时就必须使用大电流小电压模式，而电流越大，其造成的热损也就越大，这也进一步降低了反应过程中的电流利用效率。另外由于目前所使用的电源均为整流器形式，传统的二极管、可控硅式整流效率普遍低于70%，就连最为先进的尚频开关整流电源，其整流效率也不会尚于80%，这也是造成电催化氧化工艺能耗较高的重要因素。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是解决现有技术的不足，开发一种在超高电压条件下运行的电催化氧化工艺方法，用以解决传统电催化氧化工艺处理效率低、能耗大等难题。
[0006]本发明提供了一种在超高电压条件下运行的电催化氧化装置，该装置包括多级串联球形粒子活性电极反应装置和与之串联的一套能够产生超高电压的直流稳压电源装置；
[0007]所述的多级串联球形粒子活性电极反应装置包括绝缘的反应器装置外壳，反应装置外壳顶部设置有排气管和出水管;所述反应装置外壳的底部设置有集泥斗，集泥斗底部设置进水管和排泥管;所述反应装置内部通过定位销固定有一套多级串联球形粒子活性电极反应系统，该多级串联球形粒子活性电极反应系统包含A行B列C层球形粒子活性电极;所述球形粒子活性电极载体为球形钛金属球，外层涂覆Ir02、Ru02复合贵金属氧化物涂层，中间有三条过球心且相互垂直的孔道，每条孔道中分别穿有定位绝缘塑料棒，通过定位绝缘塑料棒将A X B X C个粒子电极固定成等距离的A行B列C层，并使任何一个粒子电极与其上下左右四个相邻电极间保持相同距离并保证互不接触，其中第一个球形粒子活性电极连接所述能够产生超高电压的直流稳压电源装置的正极，第AXBXC个球形粒子活性电极连接能够产生超高电压的直流稳压电源装置的负极，保证电流能够流经所有的球形粒子活性电极；
[0008]所述的能够产生超高电压的直流稳压电源装置包括转子式摩擦起电器，转子式摩擦起电器由两个贴有金属铝片的转向相反的塑料起电圆盘和铜刷构成，起电圆盘通过转轮连接可变频电机;转子式摩擦起电器的导线分别与2组超级电容相连，使得摩擦起电器产生的正电荷和负电荷通过导线分别储存在2组超级电容中；2组超级电容分别连接稳压器的两端，稳压器的两端还与所述的多级串联球形粒子活性电极系统的第I个球形粒子活性电极和第A XBX C个球形粒子活性电极相连接。
[0009]本发明所述的在超高电压条件下运行的电催化氧化装置，其中所述的稳压器还并联连接有电压表，稳压器与多级串联球形粒子活性电极反应装置之间串联连接有电流表。
[0010]本发明所述的一种多级串联球形粒子活性电极反应装置，反应器装置外壳为长方体形，材质为PPR或PVDF等材料，使反应器具备良好绝缘、耐高温、耐腐蚀性能。
[0011]本发明所述的在超高电压条件下运行的电催化氧化装置，其中所用球形粒子活性电极球径为l-5cm，相邻两个球形粒子活性电极间距离为0.l-5cm，且通过其球心有三条相互垂直的孔道，孔道直径为球形粒子活性电极球径的1/5-1/2;所用的定位绝缘塑料棒材质为PVDF，且其直径为球形粒子活性电极中间孔道直径的1/3。
[0012]本发明所述的在超高电压条件下运行的电催化氧化装置，其中所述的多级串联球形粒子活性电极反应系统包含A行B列C层球形粒子活性电极，其中A彡10，B彡10，C彡10。
[0013]本发明所述的在超高电压条件下运行的电催化氧化装置，其中所述的一套能够产生超高电压的直流稳压电源装置所用的起电圆盘依靠可变频电机驱动，可变频电机的转速在0_3800r/min可调。
[0014]本发明所述的在超高电压条件下运行的电催化氧化装置，其中所述2组超级电容器的每组超级电容均为并联形式，2组超级电容的容量S180000F。
[0015]本发明提供了一种在超高电压条件下运行的电催化氧化处理废水的工艺方法，该方法包括将废水经进水管进入多级串联球形粒子活性电极反应装置，在2000-50000V的超高直流电压条件下进行电催化氧化，水力停留时间为20min-40min，经多级串联球形粒子活性电极反应装置的出水管排出的出水实现达标排放。
[0016]本发明一种在超高电压条件下运行的电催化氧化装置中的一套能够产生超高电压的直流稳压电源装置的工作原理是通过电机转动带动起电圆盘，起电圆盘和铜刷通过静电感应原理产生正电荷聚集区和负电荷聚集区，通过导线将正负电荷分别储存在两组相同数量超级电容中，两组超级电容和多级串联球形粒子活性电极反应装置相连接，当两组超级电容中的正负电荷间积聚的电势差大于电催化氧化过程所需要的电势时，超级电容就会向多级串联球形粒子活性电极反应装置的正负极放电，完成电催化氧化过程。通过控制可变频电机的转速，调节转子式摩擦起电器的旋转速率，输出电压再经过稳压装置的稳压作用，从而能够得到超高直流电压。该摩擦式转子起电器能够输出高达几十万伏的高压，但是输出电流较小。
[0017]本发明涉及的一种在超高电压条件下运行的电催化氧化装置及工艺方法和传统电催化氧化装置及工艺方法相比较，具有以下有益效果:
[0018]本发明电催化氧化装置采用转子式摩擦起电器依靠电机转动产生正负静电荷并向装置供电，避免了传统二极管、可控硅以及高频开关电源的整流效率低的问题，提高了电流的利用效率;其次，通过使用一种多级串联球形粒子活性电极反应装置中等距离固定球形粒子活性电极的方式，保证任何一个球形粒子活性电极均不和其相邻的电极接触，避免了反应器内部短路电流的出现，进一步提升了电流利用效率;再次，由于多级串联球形粒子活性电极反应装置中所使用的球形粒子活性电极数量多，且为多级串联连接形式，将转子摩擦起电机输出端直接与粒子电极相连接，在保证和二维电极相同电流密度时，槽间总电压很高，而流经每一个粒子电极的电流很小，由于电流引起的热损功率就会大大降低，从而增加反应过程中的电流利用效率。和传统电催化氧化反应器相比较，由于本装置运行电流小，无需使用昂贵的整流设备，因此装置的造价较低。
【附图说明】
[0019]图1为一种在超高电压条件下运行的电催化氧化工艺方法流程示意图；
[0020]图2为一种多级串联球形粒子活性电极系统结构示意图。
[0021]图3为一种多级串联球形粒子活性电极反应装置结构示意图。
[0022]图中，
[0023]I为转子式摩擦起电器电极
[0024]2为可变频电机11为球形粒子活性电极
[0025]3为超级电容12为PVDF定位绝缘塑料棒
[0026]4为稳压器13为排泥管
[0027]5为多级串联球形粒子活性电极系统14为多级串联球形粒子活性电极反应系统
[0028]6为电压表15为进水管
[0029]7为电流表16为集泥斗
[0030]8为定位销17为电极接线柱
[0031]9为第I个球形粒子活性电极18为出水管
[0032]10为第AXB X C个球形粒子活性 19为排气管
【具体实施方式】
[0033]下面结合附图及具体应用实施例对本发明作进一步描述，具体实施例不对本发明的技术方案构成限定。
[0034]本发明在超高电压条件下运行的电催化氧化装置包括一套能够产生超高电压的直流稳压电源装置和多级串联球形粒子活性电极反应装置;其中一套能够产生超高电压的直流稳压电源装置的发电主体采用转子式摩擦起电器I，起电圆盘依靠可变频电机2带动，其工作原理是通过可变频电机2转动带动转子式摩擦起电器I，通过静电感应原理产生正电荷聚集区和负电荷聚集区，电荷通过导线分别储存在2组超级电容3中，2组超级电容3经过稳压器4稳压后通过电极接线柱17和多级串联球形粒子活性电极系统5的第I个球形粒子活性电极9和第A XBX C个球形粒子活性电极1相连接，当2组超级电容3中的正负电荷间积聚的电势差大于电催化氧化过程所需要的电势时，2组超级电容3就会向多级串联球形粒子活性电极系统5的正负极放电，完成电催化氧化过程。通过控制可变频电机2的转速，调节转子式摩擦起电器I的旋转速率，输出电压再经过稳压器4的稳压作用，从而能够得到超高直流电压，当前电流电压值由电压表6和电流表7指示。
[0035]如图2-3所示，本发明多级串联球形粒子活性电极反应装置依靠支架支撑，反应装置外壳采用PPR或PVDF等绝缘性好、耐腐蚀、耐高温材质，装置底部为集泥斗16，集泥斗16底部有进水管15和排泥管13，其中进水管15和进水管道相连接，排泥管13和排泥管道相连接，反应装置顶部设置有排气管19和出水管18，排气管19直接与大气相连通，出水管18与出水管道相连接。装置内部包含一套多级串联球形粒子活性电极反应系统5，依靠定位销8固定在反应装置内部，该多级串联球形粒子活性电极反应系统5包含A行B列C层球形粒子活性电极11，球形粒子活性电极球径为l-5cm，球形粒子活性电极载体为球形钛金属球，球形粒子活性电极涂层为Ir02、Ru02等复合贵金属氧化物涂层，中间有三条相互垂直的过球心的孔道，孔道直径为球形粒子活性电极球径的1/5-1/2，优选1/5，每条孔道中分别穿有I根PVDF定位绝缘塑料棒12，其直径为球形粒子活性电极中间孔道直径的1/3，通过PVDF定位绝缘塑料棒12，将A XBX C个球形粒子活性电极11穿成等距离的A行B列C层，其中A彡10，B彡10，C彡10，PVDF定位绝缘塑料棒12作用是使任何一个粒子电极与其上下左右四个相邻电极间保持相同距离并保证互不短路，相邻两个电极间距离为0.l-5cm。
[0036]实例一:
[0037]河北省某石化公司由于所炼制的油品复杂，导致生产废水中含有大量难生物降解物质，该废水经过生化处理后⑶D为80mg/L左右，无法达到相关出水排放标准。采用在超高电压条件下运行的电催化氧化装置对该公司生化出水的深度处理进行了工程应用研究，结果显示当运行电压为36000V，运行电流为10mA，水力停留时间为30min，出水COD彡60mg/L，出水满足了达标排放水质要求，此时电流效率为55%，与传统二维电解设备相比较，在处理效果不变的条件下吨水电耗约减少0.9kw.h电能。
[0038]实例二:
[0039]天津某厂药剂废水经生化处理后，为实现废水近零排放，采用超滤-反渗透双膜系统回用部分生化出水，经双膜系统处理后会产生一定量浓缩液，该浓缩液⑶D约为90mg/L，电导率约为1000-5000yS/cm，Cr含量约为700-900mg/L，该浓缩液因为排量小、所含物质难以生化降解等特点，不宜再次采用生化法处理。采用在超高电压条件下运行的电催化氧化装置处理后，当运行电压为50000V，运行电流为10-15mA，反应器内水力停留时间为30min，出水C0D<50mg/L，满足了达标排放水质要求，此时电流效率为67%，与传统三维电解设备相比较，处理吨水节约0.5kw.h电能。
【主权项】
1.一种在超高电压条件下运行的电催化氧化装置，其特征在于，包括多级串联球形粒子活性电极反应装置和与之串联的一套能够产生超高电压的直流稳压电源装置； 所述的多级串联球形粒子活性电极反应装置包括绝缘的反应器装置外壳，反应装置外壳顶部设置有排气管和出水管;所述反应装置外壳的底部设置有集泥斗，集泥斗底部设置进水管和排泥管;所述反应装置内部通过定位销固定有一套多级串联球形粒子活性电极反应系统，该多级串联球形粒子活性电极反应系统包含A行B列C层球形粒子活性电极;所述球形粒子活性电极载体为球形钛金属球，外层涂覆Ir02、Ru02复合贵金属氧化物涂层，中间有三条过球心且相互垂直的孔道，每条孔道中分别穿有定位绝缘塑料棒，通过定位绝缘塑料棒将AXBXC个粒子电极固定成等距离的A行B列C层，并使任何一个粒子电极与其上下左右四个相邻电极间保持相同距离并保证互不接触，其中第一个球形粒子活性电极连接所述能够产生超高电压的直流稳压电源装置的正极，第AXBXC个球形粒子活性电极连接能够产生超高电压的直流稳压电源装置的负极，保证电流能够流经所有的球形粒子活性电极； 所述的能够产生超高电压的直流稳压电源装置包括转子式摩擦起电器，转子式摩擦起电器由两个贴有金属铝片的转向相反的塑料起电圆盘和铜刷构成，起电圆盘通过转轮连接可变频电机;转子式摩擦起电器的导线分别与2组超级电容相连，使得摩擦起电器产生的正电荷和负电荷通过导线分别储存在2组超级电容中；2组超级电容分别连接稳压器的两端，稳压器的两端还与所述的多级串联球形粒子活性电极系统的第I个球形粒子活性电极和第AXBX C个球形粒子活性电极相连接。2.根据权利要求1所述的在超高电压条件下运行的电催化氧化装置，其特征在于，所述的稳压器还并联连接有电压表，稳压器与多级串联球形粒子活性电极反应装置之间串联连接有电流表。3.根据权利要求1所述的在超高电压条件下运行的电催化氧化装置，其特征在于，所述的多级串联球形粒子活性电极反应装置的反应器装置外壳为长方体形，材质为PPR或PVDF。4.根据权利要求1所述的在超高电压条件下运行的电催化氧化装置，其特征在于，所述的球形粒子活性电极球径为l-5cm，相邻两个球形粒子活性电极间距离为0.l-5cm，且通过其球心有三条相互垂直的孔道，孔道直径为球形粒子活性电极球径的1/5-1/2;所用的定位绝缘塑料棒材质为PVDF，且其直径为球形粒子活性电极中间孔道直径的1/3。5.根据权利要求1所述的在超高电压条件下运行的电催化氧化装置，其特征在于，所述的多级串联球形粒子活性电极反应系统包含A行B列C层球形粒子活性电极，其中A多10，B多1，d6.根据权利要求1所述的在超高电压条件下运行的电催化氧化装置，其特征在于，所述的一套能够产生超高电压的直流稳压电源装置所用的起电圆盘依靠可变频电机驱动，可变频电机的转速在0_3800r/min可调。7.根据权利要求1所述的在超高电压条件下运行的电催化氧化装置，其特征在于，所述2组超级电容器的每组超级电容均为并联形式，2组超级电容的容量S180000F。8.—种在超高电压条件下运行的电催化氧化处理废水的工艺方法，其特征在于，包括将废水经进水管进入多级串联球形粒子活性电极反应装置，在2000-50000V的超高直流电压条件下进行电催化氧化，水力停留时间为20min-40min，经多级串联球形粒子活性电极反应装置的出水管排出的出水实现达标排放。
【文档编号】C02F1/72GK105967282SQ201610446786
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年6月17日
【发明人】秦微, 谢陈鑫, 赵慧, 李肖琳, 钱光磊, 王震, 滕厚开, 张艳芳
【申请人】中海油天津化工研究设计院有限公司, 中海油能源发展股份有限公司