一种三维扇形转盘式电Fenton反应器及其生产方法与应用与流程

本发明涉及一种三维扇形转盘式电Fenton反应器及其生产方法与应用，属于污水处理的技术领域。

背景技术：

电Fenton作为一种环境友好型高级氧化技术，可以高效的处理难生物降解有机污染物。虽然电Fenton被认为是一种有前途的环境修复技术，但它在应用中仍遇到了一些困难。例如氧气的利用效率低(往往小于0.1％)，搅拌和曝气需要消耗过多能源等。气体扩散电极是改善氧气传输效率的一种常用装置，虽然气体扩散电极有优异的H₂O₂生成能力，但是长期运行稳定性不佳。因此，它是开发一种性能高效，运行经济的反应器至关重要。

中国专利CN201410239633.8U公开了一种转盘式电Fenton反应器及其应用，包括电解反应池、石墨转盘电极、普通石墨电极、饱和甘汞参比电极、直流电机、转动轴、导电圆环、联轴器和隔板，直流电机通过联轴器与转动轴连接，转动轴通过导电圆环与外部电源连接，转动轴与石墨转盘电极固定连接，通过石墨转盘电极在中空容器内的机械转动进行充氧曝气生成过氧化氢，过氧化氢再与反应液中的Fe²⁺同时作用对反应液进行降解。该装置取消了传统的曝气装置，使用机械方式进行充氧曝气，节省了能源消耗，且该装置结构简单，使用方便，实验使用效果良好，对四环素等有机物具有较高的去除率。该反应器的阴极为转盘式电极，电极材料为石墨。该转盘式电Fenton反应器的工作电极为平面规整圆盘工作电极，传质过程不很理想，溶解氧的利用效率低。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提供一种三维扇形转盘式电Fenton反应器。

本发明还提供一种上述三维扇形转盘式电Fenton反应器中三维扇形碳毡电极的生产方法。

本发明还提供一种利用上述三维扇形转盘式电Fenton反应器降解废水中四环素的方法。

本发明的技术方案为：

一种三维扇形转盘式电Fenton反应器，包括电解反应池、三维扇形碳毡电极、阳电极、饱和甘汞参比电极、电机、转动轴；所述电解反应池为一顶部开口的中空容器；阳电极和饱和甘汞参比电极固定设置在电解反应池内；转动轴转动设置在电解反应池内；转动轴的一端与电机的驱动轴连接，另一端套接有导电滑环，转动轴与导电滑环转动连接；三维扇形碳毡电极与转动轴垂直固定连接；阳电极、饱和甘汞参比电极和导电滑环与电化学工作站电连接。本装置工作电极为三维扇形碳毡电极，在保证三维扇形碳毡电极最大导电效率的同时，提升了搅拌反应液的效率，增强了反应液中四环素以及溶解氧等物质在溶液中的传质(传质是由于物质浓度不均匀质量转移，化学工业领域，应用气-液系统，发生质量转移过程)。三维扇形碳毡电极在本装置中用作阴极电极；饱和甘汞参比电极用作参比电极；铂片电极用作阳极电极。铂片阳极、饱和甘汞参比电极和三维扇形碳毡电极三者构成传统的三电极体系。

优选的，所述三维扇形碳毡电极包括四个扇叶，相邻扇叶的夹角为30°；扇叶偏离圆形电极所在平面30°。此设计的好处在于，便于溶液向三维扇形碳毡电极对侧转移，增强反应物在液相和气相的传质过程，提高溶解氧的利用效率，使2电子的氧还原反应更多地进行，进而提高H₂O₂产率。

进一步优选的，所述三维扇形碳毡电极的半径为50毫米，厚度为5毫米。此设计的好处在于，在成本相同的情况下，此规格的三维扇形碳毡电极工作效率最高。

优选的，电机的驱动轴通过联轴器与转动轴连接；所述转动轴水平设置。

优选的，所述电解反应池为长方体结构，转动轴贯通设置在电解反应池的左、右侧壁上，转动轴与电解反应池的左、右侧壁转动连接；导电滑环与电解反应池的外侧壁固定连接。

进一步优选的，电解反应池的规格为长10厘米，宽5厘米，高7厘米；三维扇形碳毡电极设置在电解反应池的一条对称轴上，阳电极和饱和甘汞参比电极设置在转动轴的两侧；阳电极、饱和甘汞参比电极和三维扇形碳毡电极两两之间的距离为1.5厘米。

优选的，电解反应池的外侧壁上设置有电机平台，所述电机固定设置在电机平台上。

优选的，所述电解反应池的顶部开口固定设置有隔板，阳电极和饱和甘汞参比电极分别垂直固定设置在隔板上。

进一步优选的，隔板上设置有固定孔，阳电极和饱和甘汞参比电极嵌入设置在所述固定孔内。

优选的，所述阳电极为铂片电极或石墨电极。

优选的，阳电极和饱和甘汞参比电极的顶端分别连接有铜棒；阳电极、饱和甘汞参比电极通过铜棒与电化学工作站电连接。

一种上述三维扇形碳毡电极的生产方法，包括步骤如下：

A1)选用碳毡作为电极材料，将其加工成半径为2厘米，厚度0.5厘米的圆形电极板；将圆形电极板浸泡在丙酮溶液，超声处理20分钟后再浸泡12小时；浸泡完成后，使用去离子水反复冲洗5～8次，在80℃的气温条件下干燥8～12小时；

A2)将处理后的圆形电极板与不锈钢网组成电极，电极的组成依次为圆形电极/不锈钢网骨架/圆形电极；使用粘结剂将圆形电极板粘结在不锈钢网骨架表面，并在10Mpa压力下压制4～6分钟成型，得到碳毡电极；

A3)将步骤A2)制备得到的碳毡电极进行加工，对称去掉圆心角为30°的三角形，使其具有四个均匀分布的扇叶，然后将扇叶偏离碳毡电极所在平面30°，得到三维扇形碳毡电极。

优选的，所述步骤A1)中将选用的碳毡电极材料进行加工前，还包括对碳毡电极材料进行去油污处理的步骤。

优选的，所述步骤A2)中的粘结剂为聚四氟乙烯。

一种利用上述三维扇形转盘式电Fenton反应器降解废水中四环素的方法，包括步骤如下：

B1)将含有Fe²⁺的废水注入到所述电解反应池中，调节废水的pH值，使废水的pH＝5；

B2)启动电机，电机带动转动轴转动，与转动轴连接的三维扇形碳毡电极在废水中旋转进行传质；

B3)启动电化学工作站，阳电极、饱和甘汞参比电极和导电滑环通电；

B4)通过调节电机的电源电压调节电机转速，进而改变转动轴转速，三维扇形碳毡电极在废水中旋转，氧气在废水和空气的之间传质，并在三维扇形碳毡电极表面发生2电子的还原反应，生成H₂O₂。调节电机转速的目的在于优化转速，采用使降解效果最佳的转速值。

优选的，所述步骤B1)中，电解反应池中废水达到的水位为三维扇形碳毡电极的中心位置处。首先，放在中心位置是考虑三电极体系成立的前提下工作电极与电解质溶液有最大的接触面积，导电性最好，电子传递速率最高；其次，工作电极与电解液接触面积最大时液面搅动最剧烈，有助于提高电解液中的溶解氧含量。

优选的，所述步骤B1)中，调节废水的pH值的具体方法，使用缓冲溶液调节废水的pH值。

本发明的有益效果为：

1、本发明所述三维扇形转盘式电Fenton反应器，对阴极进行了改进创新，采用三维扇形碳毡电极作为阴极，同时也取消了传统的曝气装置，通过三维扇形碳毡的机械转动，在扇叶表面形成一层薄水膜，氧气扩散进入水膜，从而在水膜表面发生还原反应，生成H₂O₂；较传统的曝气方法，曝气效率更高；

2、本发明所述三维扇形碳毡电极，采用碳毡材质作为阴极，碳毡具有较大的比表面积和孔隙度，本身就可以吸附去除废水中的四环素，同时碳毡作为多孔材料，首先将溶液中的污染物富集到电极表面，进而被电极表面活性自由基氧化降解，从而提高降解效果；另外，用碳毡为电极材料，其与气体扩散电极相比具有更高的机械强度，应用操作性优良；

3、本发明所述三维扇形转盘式电Fenton反应器，取消了传统的搅拌装置，通过三维扇形碳毡电极的转动，带动电解液搅动，促进了电解液中四环素等物质传质，提高了反应速率，节省能源消耗，从而节约成本；

4、本发明所述三维扇形转盘式电Fenton反应器，采用三维扇形碳毡电极代替传统的固定电极作为阴极，由于三维扇形电极在旋转的过程中，整个叶片表面都浸有水膜，使得阴极的反应面积不仅仅局限于电解液中的部分，相比传统的电极而言，增大了反应器阴极的比表面积，有利于反应速率的提高；

5.本发明所述三维扇形碳毡电极通过旋转实现氧气的传输扩散，在电极表面形成的液膜，可降低氧气从气相扩散到液相的传质阻力；

6、本发明所述三维扇形转盘式电Fenton反应器，外形小巧，结构简单，使用方便，实验使用效果良好，对四环素等物质具有较高的去除率。

附图说明

图1为本发明所述三维扇形转盘式电Fenton反应器的侧视图；

图2为本发明所述三维扇形转盘式电Fenton反应器的俯视图；

图3a为实施例11所述圆形电极板的结构示意图；

图3b为实施例11所述三维扇形碳毡电极的结构示意图；

图4为利用本发明所述三维扇形转盘式电Fenton反应器对四环素的降解图；；

图5为利用本发明所述三维扇形转盘式电Fenton反应器对四环素废水COD去除效果图；

其中：1、电解反应池；2、底座；3、电机；4、联轴器；5、转动轴；6、导电滑环；7、饱和甘汞参比电极；8、三维扇形碳毡电极；9、平台；10、阳电极；11、隔板；12、凹槽；13、铜棒；14、反应液。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对本发明做进一步说明，但不限于此。

实施例1

如1-2图所示。

一种三维扇形转盘式电Fenton反应器，包括电解反应池1、三维扇形碳毡电极8、阳电极10、饱和甘汞参比电极7、电机3、转动轴5；所述电解反应池1为一顶部开口的中空容器；阳电极10和饱和甘汞参比电极7固定设置在电解反应池1内；转动轴5转动设置在电解反应池1内；转动轴5的一端与电机3的驱动轴连接，另一端套接有导电滑环6，转动轴5与导电滑环6转动连接；三维扇形碳毡电极8与转动轴5垂直固定连接；阳电极10、饱和甘汞参比电极7和导电滑环6与电化学工作站电连接。本装置工作电极为三维扇形碳毡电极8，在保证三维扇形碳毡电极8最大导电效率的同时，提升了搅拌反应液的效率，增强了反应液中四环素以及溶解氧等物质在溶液中的传质(传质是由于物质浓度不均匀质量转移，化学工业领域，应用气-液系统，发生质量转移过程)。三维扇形碳毡电极8在本装置中用作阴极电极；饱和甘汞参比电极7用作参比电极；铂片电极用作阳极电极。铂片阳极、饱和甘汞参比电极7和三维扇形碳毡电极8三者构成传统的三电极体系。电解反应池1的材质为有机玻璃。

实施例2

如图3b所示。

如实施例1所述的一种三维扇形转盘式电Fenton反应器，所不同的是，所述三维扇形碳毡电极8包括四个扇叶，相邻扇叶的夹角为30°；扇叶偏离圆形电极所在平面30°。此设计的好处在于，便于溶液向三维扇形碳毡电极8对侧转移，增强反应物在液相和气相的传质过程，提高溶解氧的利用效率，使2电子的氧还原反应更多地进行，进而提高H₂O₂产率。

实施例3

如实施例2所述的一种三维扇形转盘式电Fenton反应器，所不同的是，所述三维扇形碳毡电极的半径为50毫米，厚度为5毫米。此设计的好处在于，在成本相同的情况下，此规格的三维扇形碳毡电极工作效率最高。

实施例4

如实施例1所述的一种三维扇形转盘式电Fenton反应器，所不同的是，电机3的驱动轴通过联轴器4与转动轴5连接；所述转动轴5水平设置。

实施例5

如实施例1所述的一种三维扇形转盘式电Fenton反应器，所不同的是，所述电解反应池1为长方体结构，转动轴5贯通设置在电解反应池1的左、右侧壁上，转动轴5与电解反应池1的左、右侧壁转动连接；导电滑环6与电解反应池1的外侧壁固定连接。

实施例6

如实施例5所述的一种三维扇形转盘式电Fenton反应器，所不同的是，电解反应池1的规格为长10厘米，宽5厘米，高7厘米；三维扇形碳毡电极8设置在电解反应池的一条对称轴上，阳电极10和饱和甘汞参比电极7设置在转动轴5的两侧；阳电极10、饱和甘汞参比电极7和三维扇形碳毡电极8两两之间的距离为1.5厘米。

实施例7

如实施例1所述的一种三维扇形转盘式电Fenton反应器，所不同的是，电解反应池1的外侧壁上设置有电机平台9，所述电机3固定设置在电机平台9上。

实施例8

如实施例1所述的一种三维扇形转盘式电Fenton反应器，所不同的是，所述电解反应池1的顶部开口固定设置有隔板11，阳电极10和饱和甘汞参比电极7分别垂直固定设置在隔板11上。

实施例9

如实施例8所述的一种三维扇形转盘式电Fenton反应器，所不同的是，隔板11上设置有固定孔，阳电极10和饱和甘汞参比电极7嵌入设置在所述固定孔内。

实施例10

如实施例1所述的一种三维扇形转盘式电Fenton反应器，所不同的是，阳电极10和饱和甘汞参比电极7的顶端分别连接有铜棒13；阳电极10、饱和甘汞参比电极7通过铜棒13与电化学工作站电连接。

实施例11

一种如实施例1-10所述的三维扇形碳毡电极的生产方法，包括步骤如下：

A1)选用碳毡作为电极材料，将其加工成半径为2厘米，厚度0.5厘米的圆形电极板(如图3a)；将圆形电极板浸泡在丙酮溶液，超声处理20分钟后再浸泡12小时；浸泡完成后，使用去离子水反复冲洗8次，在80℃的气温条件下干燥12小时；

A2)将处理后的圆形电极板与不锈钢网组成电极，电极的组成依次为圆形电极/不锈钢网骨架/圆形电极；使用聚四氟乙烯将圆形电极板粘结在不锈钢网骨架表面，并在10Mpa压力下压制6分钟成型，得到碳毡电极；

A3)将步骤A2)制备得到的碳毡电极进行加工，对称去掉圆心角为30°的三角形，使其具有四个均匀分布的扇叶，然后将扇叶偏离碳毡电极所在平面30°，得到三维扇形碳毡电极(如图3b)。

实施例12

如实施例11所述的三维扇形碳毡电极的生产方法，所不同的是，所述步骤A1)中将选用的碳毡电极材料进行加工前，还包括对碳毡电极材料进行去油污处理的步骤。

实施例13

一种利用实施例1-10所述三维扇形转盘式电Fenton反应器降解废水中四环素的方法，包括步骤如下：

B1)将Fe²⁺＝1.0毫摩尔/升的废水注入到所述电解反应池1中，反应池中的电解液为0.05摩尔/升的硫酸钠，调节废水的pH值，使废水的pH＝5；

B2)启动电机3，电机3带动转动轴5转动，与转动轴5连接的三维扇形碳毡电极8在废水中旋转进行传质；

B3)启动电化学工作站，阳电极10、饱和甘汞参比电极7和导电滑环通电；三维扇形碳毡电极8的电位为-0.70V；

B4)通过调节电机3的电源电压调节电机转速为180转/分钟，进而改变转动轴5转速，三维扇形碳毡电极8在废水中旋转，氧气在废水和空气的之间传质，并在三维扇形碳毡电极8表面发生2电子的还原反应，生成H₂O₂。对四环素的降解图如图4所示；对四环素废水COD去除效果图如图5所示。

实施例15

如实施例13所述的降解废水中四环素的方法，所不同的是，所述步骤B1)中，电解反应池1中废水达到的水位为三维扇形碳毡电极8的中心位置处。

实施例16

如实施例13所述的降解废水中四环素的方法，所不同的是，所述B1)中调节废水的pH值的具体方法，使用缓冲溶液调节废水的pH值。