一种复极性三维电催化氧化反应装置及应用的制作方法

本发明涉及一种复极性三维电催化氧化反应装置及应用。

背景技术：

随着近代化学工业的飞速发展，废水中有机物的种类越来越多。而其中毒性大、难降解的持久性有机污染物(pops)浓度高且难以生化降解，深度氧化技术作为治理此类有机污染物的一条重要途径受到了广泛关注，该技术主要是通过氧化性极强的羟基自由基(·oh)与有机物之间的加合、取代和电子转移等使污染物矿化。目前，羟基自由基产生的主要方法有化学氧化法、电化学方法、光氧化及超声法。由于电化学法深度氧化工艺具有比较容易控制，易建立密闭性循环和无二次污染等显著优点，可望成为一种很有发展前景的高效有机废水处理技术。

电催化氧化是一种典型的电化学深度氧化技术，该技术工程应用时设备简单、成本低、二次污染小、后处理简单。20世纪60年代末，随着传质理论、材料化学及电力工业的迅速发展，在传统二维电极的基础上提出了三维电极的概念。与传统二维电极相比，三维电极在电解槽内增加了无数的微电极，能够增大电解槽的面体比，缩短了反应物的迁移距离，增大物质传质速度，提高了电流效率和处理效率。常用的颗粒电极材料主要有金属导体、金属氧化物、镀有金属层的玻璃球和塑料球、石墨粒子、γ-al2o3颗粒、碳纤维材料、活性炭颗粒以及钢渣等。传统的颗粒电极电阻较大、导电率低，使其在废水处理中电流效率低、稳定性不够、寿命短、电极材料成本较高，限制了颗粒电极材料的发展，因此，复极性三维电极的发展受到越来越多学者的重视。

然而在实际应用中，复极性三维电极反应器中由于绝缘粒子和导电粒子的密度、粒径的差异，在长期运行中绝缘粒子和导电粒子逐渐分开，导致短路电流增加，电流效率降低。其次，由于颗粒电极表面的污染问题，使得有效电极面积逐渐下降，电流效率也会随之降低。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种复极性三维电催化氧化反应装置及应用。

本发明所采取的技术方案是：

一种复极性三维电催化氧化反应装置，包括电源装置和反应槽，反应槽由颗粒电极承托层分为上部的反应区和下部的曝气区，颗粒电极承托层设有若干个气孔；反应区的底部设有进水口，反应区的顶部设有出水口；反应区内设有垂直于颗粒电极承托层的电极组，电极组包括若干对复极性阳极板和复极性阴极板，每对相邻的复极性阳极板和复极性阴极板之间填充颗粒电极，电极组与电源装置相连接；曝气区设有曝气管。

反应槽为长方体，其长度、宽度和深度的比例为(2～3)：1：(0.5～1)。

复极性阳极板为负载金属氧化物的活性炭纤维。

复极性阴极板为活性炭纤维。

金属氧化物为ruo2，iro2，sno2，pbo2中的至少一种。

颗粒电极为绝缘颗粒或其负载、改性衍生品中的至少一种。

绝缘颗粒为玻璃球、塑料球、γ-al2o3颗粒中的至少一种。

电源装置为直流稳压电源，提供电压为10～30v。

曝气的气水比控制为(1～1.5)：1。

一种复极性三维电催化氧化方法，是使用上述的复极性三维电催化氧化反应装置进行水处理。

本发明的有益效果是：

本发明提供的装置可以有效降低反应器内短路电流及防止颗粒电极表面污染，并且延长电极材料的使用寿命，使电催化降解废水中有机污染物的处理效率显著提高。

装置可以连续运行，也可以根据有机污染物降解难易程度采用间歇运行方式，可用于饮用水中微量有机污染物的氧化去除，也可用于废水中难生化降解有机污染物的氧化去除。

附图说明

图1为复极性三维电催化氧化反应装置示意图；

图2为本发明装置电催化氧化rhb效果图。

具体实施方式

一种复极性三维电催化氧化反应装置，包括电源装置和反应槽，反应槽由颗粒电极承托层分为上部的反应区和下部的曝气区，颗粒电极承托层设有若干个气孔；反应区的底部设有进水口，反应区的顶部设有出水口；反应区内设有垂直于颗粒电极承托层的电极组，电极组包括若干对复极性阳极板和复极性阴极板，每对相邻的复极性阳极板和复极性阴极板之间填充颗粒电极，电极组与电源装置相连接；曝气区设有曝气管。

优选的，反应槽为长方体，其长度、宽度和深度的比例为(2～3)：1：(0.5～1)；进一步优选的，反应槽其长度、宽度和深度的比例为2：1：1。

优选的，反应槽的材质为塑料或有机玻璃。

优选的，颗粒电极承托层的气孔孔径为0.3～1mm；进一步优选的，颗粒电极承托层的气孔孔径为0.5mm。

优选的，每对相邻的复极性阳极板和复极性阴极板的间隔均为4～6cm；进一步优选的，每对相邻的复极性阳极板和复极性阴极板的间隔均为5cm。

优选的，复极性阳极板为负载金属氧化物的活性炭纤维。

优选的，复极性阴极板为活性炭纤维。

优选的，金属氧化物为ruo2，iro2，sno2，pbo2中的至少一种。

优选的，颗粒电极为绝缘颗粒或其负载、改性衍生品中的至少一种。

进一步的，绝缘颗粒为玻璃球、塑料球、γ-al2o3颗粒中的至少一种。

再进一步优选的，颗粒电极为γ-al2o3颗粒、γ-al2o3负载zif-8颗粒的至少一种；zif-8为zn(hmin)2沸石咪唑酯骨架，hmin为2-甲基咪唑。

优选的，颗粒电极的粒径范围为1～5mm。

优选的，进水口位于颗粒电极承托层高度，出水口位于反应槽内液面有效位置高度。

优选的，电源装置为直流稳压电源，提供电压为10～30v；进一步优选的，电源装置提供电压为20v。

优选的，曝气的气水比控制为(1～1.5)：1；进一步优选的，曝气的气水比控制为1.5：1。

一种复极性三维电催化氧化方法，是使用上述的复极性三维电催化氧化反应装置进行水处理。

以下通过具体的附图1对本发明的装置内容作进一步详细的说明。

附图1为复极性三维电催化氧化反应装置示意图，图1中1-直流稳压电源，2-反应槽，3-阳极板，4-阴极板，5-颗粒电极，6-曝气管，7-颗粒电极承托层，8-进水口，9-出水口。该反应装置，包括直流稳压电源(1)和反应槽(2)，反应槽(2)由颗粒电极承托层(7)分为上部的反应区和下部的曝气区；反应区的底部设有进水口(8)，反应区的顶部设有出水口(9)；反应区内设有置于颗粒电极承托层上方的电极组，电极组包括若干对复极性阳极板(3)和复极性阴极板(4)，每对相邻的复极性阳极板和复极性阴极板之间填充颗粒电极(5)，电极组与电源装置(1)相连接；曝气区设有曝气管(6)。

实施例：

装置为有机玻璃加工而成的长方体池型，其长宽深比例为长：宽：深＝2：1：1，反应槽承托层均匀布满直径为0.5mm的小孔，底部采用曝气管向反应槽内供应压缩空气，控制气水比为3：2，同时曝气气流起到搅拌作用，加强有机物在反应器内的传质速率。阳极板为表面涂布了高析氧电位ruo2的导电性活性炭纤维(acf)，阴极板为导电性较好的活性炭纤维。进水口位于承托层高度，出水口位于反应槽内液面有效位置高度。连续流运行时根据有机物降解速率确定水力停留时间；本装置也可以采用间歇运行方式，根据污染物降解速率确定处理时间。

在阴/阳极板之间分别进行未添加颗粒电极、填充γ-al2o3和填充γ-al2o3@zif-8颗粒电极进行对比研究，考察对目标污染物罗丹明b(rhb)的电催化氧化去除效果。在每次电催化氧化实验之前，将实验中相关电极材料预先在待处理浓度的罗丹明b溶液中浸泡24h，使得各种材料对罗丹明b达到吸附饱和，再进行电催化批次实验。

批次实验条件为：由直流稳压电源提供20v电压，各阴/阳极板间距为5cm，罗丹明b溶液浓度为20mg/l，加入8g/lna2so4作支持电解质，溶液初始ph值为3.0，分别在未添加颗粒电极、添加γ-al2o3、γ-al2o3@zif-8颗粒电极时，考察该装置对rhb的去除效果，结果如附图2所示。

从图2可见，在电催化应用中，与未添加颗粒电极相比，添加γ-al2o3和γ-al2o3@zif-8颗粒电极的电催化氧化去除rhb的性能都大大提高。在处理时间为15min时，γ-al2o3@zif-8组的去除率已经达到90％，γ-al2o3组在降解30min时达到90％去除率，未添加颗粒电极的实验组在45min后才达到90％的去除率。

该工艺方法不仅可以应用于一般染料废水处理，也可以用于水体中抗生素、内分泌干扰物等物质的氧化去除；另外，对于低碳氮比的河涌废水中氨氮去除也有较好的去除效果。