一种管道式电催化与臭氧协同氧化处理污水的装置及方法
【专利摘要】本发明属于电化学污水处理【技术领域】，特别涉及一种管道式电催化与臭氧协同氧化处理污水的装置及方法。本发明装置在密闭管道式反应器中由外到内依次分别设置管状的阳极电极、阴极电极和曝气管；阳极电极、阴极电极和曝气管分别沿密闭管道式反应器的管道轴向设置，使密闭管道式反应器内的曝气分布均匀；本发明阳极电极通过将污水中的Cl-转化成HClO、ClO-等其他强氧化粒子对污水有机物直接或间接氧化处理；而曝气中的O2在阴极电极与水反应产生H2O2，H2O2与曝气中的O3反应生成羟基自由基·OH，与阳极电极协同降解有机物；本发明可应用于管道污水输送过程，占地面积小，效率高，无二次污染，可提高难降解污水的生化性且具有较高的脱氮功能。
【专利说明】一种管道式电催化与臭氧协同氧化处理污水的装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于电化学污水处理【技术领域】，特别涉及一种管道式电催化与臭氧协同氧化处理污水的装置及方法。
【背景技术】
[0002]在我国工业园区发展迅速，工业园区多采用集中式生化工艺模式来处理园区废水。含有难生化降解有机物的污水处理后的出水水质难以达标，复杂的水质，导致我国流域的水污染日益严重，因此，工业园区废水深度处理成为亟待解决的环境难题。
[0003]近年来，臭氧以及基于臭氧的高级氧化技术应用于生化尾水深度处理方面的研究被广泛关注，其主要应用O3本身的氧化性(2.07Vs)氧化有机物或基于臭氧的高级氧化(如
O3-H2O2)反应产生氧化性更强的氧化性粒子如.0Η氧化降解有机物。但O3的氧化能力有限以及对有机物的氧化具有一定的选择性，与H2O2反应产生羟基自由基受到如浓度、pH等环境条件限制，因此，O3氧化处理污水也受到一定的发展限制。
[0004]有学者将电化学与臭氧耦合处理污水，其主要利用02或03在电阴极以及附近产生氧化性强的羟基自由基来处理污水，如童少平等人利用电化学与臭氧耦合降解污水中硝基苯，耦合体系降解硝基苯去除率达96 % ;另外，日本株式会社申请了电化学与臭氧耦合处理污水工艺，但这些研究主要仅利用电阴极激发O2-O3发生反应产生单一的氧化性粒子羟基自由基，电阳极所能产生的多种氧化性粒子的优势并没有被开发利用，另外，这些研究所采用电极都是小型平板式，与需要密闭曝气的反应装置很不适宜，工程产业化应用推广受到限制。
【发明内容】
[0005]为了克服上述技术的缺点，本发明提供了一种管道式电催化与臭氧协同氧化处理污水的装置及方法，能够利用电阴极激发O2-O3产生强氧化性粒子羟基自由基，同时在电阳极上产生多种氧化性粒子，充分利用电阴阳双极，提高对工业园区复杂的污水水质的处理效果；另外，电阴阳电极改制成污水管道形状的圆柱形，便于在污水输送过程中即可处理污水，节省处理空间，便于工程化的推广。
[0006]一种管道式电催化与臭氧协同氧化处理污水的装置，在密闭管道式反应器中由外到内依次分别设置管状阳极电极、管状阴极电极和曝气管；阳极电极、阴极电极和曝气管分别沿密闭管道式反应器的管道轴向设置；阳极电极、阴极电极和曝气管的两端分别与密闭管道式反应器对应的端部固定相连；相邻部件与密闭管道式反应器的两端之间分别构成管状腔体；阳极电极和阴极电极通过彼此绝缘的内套式接法使管式反应器形成密闭系统；阳极电极和阴极电极分别与直流电源相连；密闭管道式反应器的底部管壁上设置进水口，密闭管道式反应器的顶部管壁上设置出水口和臭氧尾气排气口。
[0007]所述密闭管道式反应器一端通过彼此绝缘的内套式接法，另一端通过密封法兰形成S闭系统。
[0008]所述阳极电极和阴极电极分别通过内外螺旋方式与密闭管道式反应器(I)两端的绝缘盘连接进行固定。
[0009]所述阳极电极和阴极电极之间彼此层层内套，层数根据密闭管道式反应器内径大小和水质多层女装。
[0010]所述阳极电极和阴极电极分别为网状结构。
[0011]所述阳极电极和阴极电极的间距为1mm?20mm。
[0012]所述阳极电极的材质为钛，其表面涂覆有惰性复合材料，所述惰性复合材料中Sn、Ru和Sb的摩尔比为Sn:Ru:Sb = 80?90:5?10:5?10。
[0013]在所述阳极电极上涂覆惰性复合材料的方法为:通过对钛基板打磨、超声、碱洗(质量分数为30%?50%的NaOH水溶液)去除表面的氧化物、污垢及油脂，再通过酸洗(质量分数为40%?60%的HCl水溶液)去除氧化层、改善其导电性；按照上述SruRi^P Sb的摩尔比配置的涂覆液(将SnC14、SbC13和RuC13按上述比例浸泡于异丙醇中，滴加质量分数为40%?60%的HCl水溶液，并不断搅拌直至溶解)进行涂覆，先在100°C?110°C下烘干，后在450°C?550°C进行热分解；上述涂覆、烘干、热分解过程依次重复进行20次以上。
[0014]所述阴极电极的材质为碳。
[0015]所述曝气管上设置多个线状曝气口。
[0016]一种使用上述管道式电催化与臭氧协同氧化处理污水的装置处理污水的方法，所述管道式电催化与臭氧协同氧化处理污水的装置在污水输送过程中通过直流电源通电进行污水处理；所述曝气管所产生的曝气为臭氧发生器产生的O2和O3的混合气体，其中O3体积分数大约为5%?10% ;曝气扩散至阴极电极表面，其中O2被阴极电极还原溶解得到H2O2，所得H2O2与O3反应生成氧化性更强的.0H，进而氧化降解污水有机物；所述阳极电极表面直接氧化降解污水有机物，或产生氧化性离子对污水有机物进行氧化降解，其中污水中含有的氯离子被氧化为C1—对污水有机物进行氧化降解。
[0017]所述阳极电极表面产生的氧化性离子为03、.0H、C10_和.0。
[0018]本发明的有益效果为:
[0019]本发明装置在电催化法中，O2在碳阴极上可产生H2O2，可与O3发生协同氧化作用。本发明结合污水输送管道，设计了阴阳电极为网状管道式电催化反应器，在污水输送过程中就可直接对污水进行氧化处理。充分利用以制取O3为目的所产生的混合气体为反应气体，利用O2和O3混合气体中的O2在电催化反应器的碳阴极上面发生催化反应，产生H2O2,而H2O2又与混合气体中的O3反应产生氧化性强的.0H羟基自由基粒子，从而氧化去除难生化降解有机物；利用具有较高析氧电位和较低析氯电位的电阳极产生氧化性离子03、-0H, * O等以及HC10、ClO-等含氯的氧化性粒子同步氧化降解难生化有机物，从而有效实现电催化与03、Cl—等的协同作用。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1为本发明管道式电催化与臭氧协同氧化处理污水的装置的结构示意图；
[0021]图2为本发明管道式电催化与臭氧协同氧化处理污水的装置的横向剖面图；
[0022]图3为本发明管道式电催化与臭氧协同氧化处理污水的装置的纵向剖面图；
[0023]图中标号:1_密闭管道式反应器、2-阴极电极、3-阳极电极、4-密封法兰、5-直流电源、6-曝气管。
【具体实施方式】
[0024]本发明提供了一种管道式电催化与臭氧协同氧化处理污水的装置及方法，下面结合附图和【具体实施方式】对本发明的具体技术方法和装置进行详细、完整的描述说明，所描述的【具体实施方式】仅是本发明的部分事例，而不是全部实例。本领域技术人员没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实例，都属于本发明的保护范围。
[0025]一种管道式电催化与臭氧协同氧化处理污水的装置，在密闭管道式反应器I中由外到内依次分别设置管状阳极电极3、管状阴极电极2和曝气管6 ;阳极电极3、阴极电极2和曝气管6分别沿密闭管道式反应器I的管道轴向设置；阳极电极3、阴极电极2和曝气管6的两端分别与密闭管道式反应器I对应的端部固定相连；相邻部件与密闭管道式反应器I的两端之间分别构成管状腔体；阳极电极3和阴极电极2通过彼此绝缘的内套式接法使管式反应器I形成密闭系统；阳极电极3和阴极电极2分别与直流电源5相连；密闭管道式反应器I的底部管壁上设置进水口，密闭管道式反应器I的顶部管壁上设置出水口和臭氧尾气排气口。
[0026]所述密闭管道式反应器I 一端通过彼此绝缘的内套式接法，另一端通过密封法兰4形成密闭系统。
[0027]所述阳极电极3和阴极电极2分别通过内外螺旋方式与密闭管道式反应器I两端的绝缘盘连接进行固定。
[0028]所述阳极电极3和阴极电极2之间彼此层层内套，层数根据密闭管道式反应器I内径大小和水质可多层安装。
[0029]所述阳极电极3和阴极电极2分别为网状结构。
[0030]所述阳极电极3和阴极电极2的间距为1mm?20mm。
[0031]所述阳极电极3的材质为钛，其表面涂覆有惰性复合材料，所述惰性复合材料中Sn、Ru 和 Sb 的摩尔比为 Sn:Ru:Sb = 80 ?90:5 ?10:5 ?10。。
[0032]在所述阳极电极3上涂覆惰性复合材料的方法为:通过对钛基板打磨、超声、碱洗(质量分数为30%?50%的NaOH水溶液)去除表面的氧化物、污垢及油脂，再通过酸洗(质量分数为40%?60%的HCl水溶液)去除氧化层、改善其导电性；按照上述SruRi^P Sb的摩尔比配置的涂覆液(将SnC14、SbC13和RuC13按上述比例浸泡于异丙醇中，滴加质量分数为40%?60%的HCl水溶液，并不断搅拌直至溶解)进行涂覆，先在100°C?110°C下烘干，后在450°C?550°C进行热分解；上述涂覆、烘干、热分解过程依次重复进行20次以上。
[0033]所述阴极电极2的材质为碳。
[0034]所述曝气管6上设置多个线状曝气口。
[0035]所述管道式电催化与臭氧协同氧化处理污水的装置在污水输送过程中通过直流电源5通电进行污水处理，从而节省污水处理空间；所述曝气管6所产生曝气为臭氧发生器产生的O2和O3的混合气体；曝气扩散至碳阴极电极2表面，在直流电场中，碳阴极电极2在污水溶液中形成固-液-气三相界面，O2被碳阴极电极2还原溶解得到H2O2,所得H2O2与O3反应生成氧化性更强的.0Η，氧化降解污水有机物；所述钛阳极电极3表面直接氧化降解污水有机物，或产生氧化性离子对污水有机物进行氧化降解，其中污水中含有的氯离子被氧化为HCLO、C1—对污水有机物进行氧化降解。
[0036]臭氧发生器制造的O2和O3的混合气体经曝气管6均匀曝气，所得曝气与碳阴极电极2均匀接触发生反应，产生的氧化性粒子在管道内分布均匀，有利于氧化降解有机物。
【权利要求】
1.一种管道式电催化与臭氧协同氧化处理污水的装置，其特征在于:在密闭管道式反应器(I)中由外到内依次分别设置管状阳极电极(3)、管状阴极电极(2)和曝气管(6);阳极电极(3)、阴极电极(2)和曝气管(6)分别沿密闭管道式反应器(I)的管道轴向设置；阳极电极(3)、阴极电极(2)和曝气管(6)的两端分别与密闭管道式反应器(I)对应的端部固定相连；相邻部件与密闭管道式反应器(I)的两端之间分别构成管状腔体；阳极电极(3)和阴极电极(2)通过彼此绝缘的内套式接法使管式反应器(I)形成密闭系统；阳极电极(3)和阴极电极(2)分别与直流电源(5)相连；密闭管道式反应器(I)的底部管壁上设置进水口，密闭管道式反应器(I)的顶部管壁上设置出水口和臭氧尾气排气口。
2.根据权利要求1所述的一种管道式电催化与臭氧协同氧化处理污水的装置，其特征在于:所述密闭管道式反应器(I) 一端通过彼此绝缘的内套式接法，另一端通过密封法兰(4)形成密闭系统。
3.根据权利要求1所述的一种管道式电催化与臭氧协同氧化处理污水的装置，其特征在于:所述阳极电极(3)和阴极电极(2)分别通过内外螺旋方式与密闭管道式反应器(I)两端的绝缘盘连接进行固定。
4.根据权利要求1所述的一种管道式电催化与臭氧协同氧化处理污水的装置，其特征在于:所述阳极电极(3)和阴极电极(2)分别为网状结构。
5.根据权利要求1所述的一种管道式电催化与臭氧协同氧化处理污水的装置，其特征在于:所述阳极电极⑶和阴极电极⑵的间距为1mm?20mm。
6.根据权利要求1所述的一种管道式电催化与臭氧协同氧化处理污水的装置，其特征在于:所述阳极电极(3)的材质为钛，其表面涂覆有惰性复合材料，所述惰性复合材料中Sn、Ru 和 Sb 的摩尔比为 Sn:Ru:Sb = 80 ?90:5 ?10:5 ?10。
7.根据权利要求6所述的一种管道式电催化与臭氧协同氧化处理污水的装置，其特征在于，在所述阳极电极3上涂覆惰性复合材料的方法为:通过对钛基板打磨、超声、碱洗去除表面的氧化物、污垢及油脂，再通过酸洗去除氧化层；按照权利要求6所述的Sn、Ru和Sb的摩尔比配置的涂覆液进行涂覆,先在100°C?110°C下烘干,后在450°C?550°C进行热分解；上述涂覆、烘干、热分解过程依次重复进行20次以上。
8.根据权利要求1所述的一种管道式电催化与臭氧协同氧化处理污水的装置，其特征在于:所述阴极电极(2)的材质为碳。
9.根据权利要求1所述的一种管道式电催化与臭氧协同氧化处理污水的装置，其特征在于:所述曝气管(6)上设置多个线状曝气口。
10.一种使用权利要求1?9任意一项权利要求所述的管道式电催化与臭氧协同氧化处理污水的装置处理污水的方法，其特征在于:所述管道式电催化与臭氧协同氧化处理污水的装置在污水输送过程中通过直流电源(5)通电进行污水处理；所述曝气管(6)所产生的曝气为臭氧发生器产生的O2和O3的混合气体；曝气扩散至阴极电极(2)表面，其中O2被阴极电极(2)还原溶解得到H2O2，所得H2O2与O3反应生成.0H，氧化降解污水有机物；所述阳极电极(3)表面直接氧化降解污水有机物，或产生氧化性离子对污水有机物进行氧化降解，其中污水中含有的氯离子被氧化为HC10、C10—对污水有机物进行氧化降解。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于:所述阳极电极(3)表面产生的氧化性离子为 O3>.0H、HC10、ClO-和.0。
【文档编号】C02F1/72GK104326530SQ201410645142
【公开日】2015年2月4日 申请日期:2014年11月6日 优先权日:2014年11月6日
【发明者】王凯军, 常风民 申请人:清华大学