申请日2016.08.24
公开(公告)日2017.01.04
IPC分类号C02F1/36; C02F1/32; C02F1/461; C02F1/72
摘要
本发明的目的在于提供一种超声波强化光电催化处理含重金属及难降解有机污染物废水的装置，包括电解槽、超声发生装置、直流电源、曝气装置，电解槽里竖直安装有石英管、阳极电极板和阴极电极板，电解槽里横向设置有布孔气板，石英管的底部与电解槽的底板相连，石英管的顶部穿过布孔气板并伸出电解槽，阳极电极板和阴极电极板位于布孔气板上方并连接直流电源，石英管里安装紫外灯或日光灯，紫光灯和日光灯伸出石英管并与外界电源相连，布孔气板上方填充粒子电极，曝气装置的出口连通电解槽并位于布孔气板的下方，超声发生装置设置在电解槽外部，超声发生装置的探头伸入至粒子电极中。本发明可以高效去除水中污染物。
摘要附图
权利要求书
1.一种超声波强化光电催化处理含重金属及难降解有机污染物废水的装置，其特征是：包括电解槽、超声发生装置、直流电源、曝气装置，电解槽里竖直安装有石英管、阳极电极板和阴极电极板，电解槽里横向设置有布孔气板，石英管的底部与电解槽的底板相连，石英管的顶部穿过布孔气板并伸出电解槽，阳极电极板和阴极电极板位于布孔气板上方并连接直流电源，石英管里安装紫外灯或日光灯，紫光灯和日光灯伸出石英管并与外界电源相连，布孔气板上方填充粒子电极，曝气装置的出口连通电解槽并位于布孔气板的下方，超声发生装置设置在电解槽外部，超声发生装置的探头伸入至粒子电极中。
2.根据权利要求1所述的一种超声波强化光电催化处理含重金属及难降解有机污染物废水的装置，其特征是：直流电源电压为5～20V，电流密度10～30mA/m2。
3.根据权利要求1或2所述的一种超声波强化光电催化处理含重金属及难降解有机污染物废水的装置，其特征是：阳极电极板和阴极电极板采用钛基涂层电极板，钛基是钛板、钛网或泡沫钛中的一种，涂层采用MnO2、PbO2、Pt、SnO2、RuO2中的一种;阴极电极板与相邻阳极电极板之间的距离为50～100mm。
4.根据权利要求1或2所述的一种超声波强化光电催化处理含重金属及难降解有机污染物废水的装置，其特征是：粒子电极采用表面负载具有光催化活性纳米半导体材料的颗粒活性炭或碳纳米管，纳米半体材料为TiO2、ZnO、SnO2、Cu2O、ZnS、CdS中的一种或两种，粒子电极的颗粒粒径为3～4mm，粒子电极的填充体积为反应器的1/3～1/2。
5.根据权利要求3所述的一种超声波强化光电催化处理含重金属及难降解有机污染物废水的装置，其特征是：粒子电极采用表面负载具有光催化活性纳米半导体材料的颗粒活性炭或碳纳米管，纳米半体材料为TiO2、ZnO、SnO2、Cu2O、ZnS、CdS中的一种或两种，粒子电极的颗粒粒径为3～4mm，粒子电极的填充体积为反应器的1/3～1/2。
说明书
一种超声波强化光电催化处理含重金属及难降解有机污染物废水的装置
技术领域
本发明涉及的是一种污水处理装置。
背景技术
随着工业技术的发展，重金属污染已成为水环境面临的重要污染问题。重金属污染主要来自冶炼、电解、农药、医药、油漆、染料等工业废水。被重金属污染的水体可造成人体及动物细胞内蛋白质及酶变形失活。重金属在人体器官中的累计，能对人体造成严重损害甚至危及生命安全。目前，重金属离子的主要去除手段有吸附法、絮凝沉淀法、膜分离技术、生物方法等，这些方法均对重金属离子的去除有一定的效果，但吸附法将重金属污染物富集于吸附材料表面，絮凝沉淀法将重金属污染物富集于污泥中，膜分离技术得到浓度较高的重金属污染物废水，生物方法将重金属污染物富集在生物体内。这些方法都无法真正达到去除重金属污染物的目的。
目前工业废水和生活污水的种类和排放量的增加，污水中成分更加复杂，水中不仅存在重金属污染，还存在着一些难降解的有机污染物。这些难降解的有机污染物是常规处理工艺无法去除的，而这些有机物具有致癌、致畸、致突变等作用，对环境和人类有巨大的威胁。目前，对于难降解有机污染物的主要去除手段是高级氧化的方法，高级氧化又分为化学氧化，电化学氧化，光催化氧化等，化学氧化与后两者相比需要投加氧化剂，效果虽好但需要不断投加药剂，增加了投资，影响了在实际工程中的应用。因此处理水中的重金属污染和难降解有机污染成为当前的两大难题。
光催化技术是一种环境友好型水处理技术，是在半导体光催化剂的作用下，利用光能将有机污染物分解为无毒的小分子物质(如CO2，H2O等)，将有毒重金属污染物氧化或还原为无毒或毒性较小的物质。光催化技术的基本原理是：当半导体受到大于其禁带宽度能量的光子辐照时，价带中的电子(e-)就会受激发而从价带跃迁到导带，同时在价带产生相应的空穴(h+)，部分光生载流子(光致空穴和电子)在粒子内部重新复合，剩余部分则可以扩散至半导体表面。在半导体表面，空穴可与吸附在半导体表面的物质(电子供体)发生氧化反应，电子则易被吸附在半导体表面的氧及其他物质(电子受体)所捕获发生还原反应。光催化剂在反应器中的存在形式主要可以分为两类：悬浮型和负载型。悬浮性是指半导体主要以粉末状存在，悬浮在水中。粉末状的半导体颗粒细微，与污染物接触面积大，因此活性高，反应速率较大，但是粉末态在水溶液中易于失活和凝聚、不易沉降，难以回收，使得活性损失成分较大，在流动体系中使用受到很大限制。负载型是指将半导体固定在载体上。操作简单,水可循环处理,催化剂连续使用，可实现催化与分离一体化;部分载体可与半导体发生相互作用，有利于电子/空穴对的分离并增加反应物的吸附;有时负载型半导体也提高了光源利用率。但负载型半导体也存在着与污染物接触面积受到现在，反应速率较低的问题。
电催化技术是利用外加电场的作用，在特定的电化学反应器内，通过一系列的化学反应、电化学过程或物理过程，达到预期的去除水中污染物或回收有用物资的目的。整个反应过程可以分为直接电化学过程和间接电化学过程。直接电化学过程是指在电极处发生的直接氧化或还原的过程。间接电化学过程是指利用电极产生的强氧化活性物质，如羟基自由基等，使污染物发生氧化还原反应的过程。电催化技术处理水中污染物存在着两个难点：废水在反应器中的停留时间，这是由电化学反应的反应速率决定的;电极的寿命问题，即电极的稳定性如何提高。对于这两个问题，要从研制高效的电极材料和有效的反应器入手。目前，开发出的各种新型电极材料增强了二维电极的处理效果，但由于二维电极有效面积小，传质问题等还不能得到根本解决，存在电流效率低，能耗高等问题。三维电极就可以一定程度的解决上述问题。三维电极是一种新型的电化学反应器，它是在传统二维电解槽电极间装填粒状或其他碎屑状工作电极材料，并是装填工作电极材料表面带电，成为第三极，在工作电极材料表面能发生电化学反应。
三维电极光电催化体系中，光催化和电催化技术联合使用，可以达到一定的协同作用。在电催化过程中不可避免会存在电解水的副反应，生成氢气和氧气，而在光催化过程中氧气作为一种良好的电子载体，可以很好的捕获光生电子-空穴，降低了其复合速度，对光催化过程有促进作用，并且生成过氧化氢，避免了羟基自由基存在时间过短的问题。
三维电极光电反应体系中加入超声波能够起到强化作用。在单独使用三维电极光电反应体系时，重金属离子的还原反应会形成重金属单质沉积在粒子电极表面，造成光电反应效率的降低。加入超声波后，超声波本身的空化效应可以分解水产生羟基自由基降解有机物，而且空化效应产生的微射流能够起到清洗电极的作用，加速固液传质。因此，超声波能够对于光电协同催化过程具有一定的强化作用，进一步提高该技术的处理效果。
发明内容
本发明的目的在于提供高效去除水中污染物的一种超声波强化光电催化处理含重金属及难降解有机污染物废水的装置。
本发明的目的是这样实现的：
本发明一种超声波强化光电催化处理含重金属及难降解有机污染物废水的装置，其特征是：包括电解槽、超声发生装置、直流电源、曝气装置，电解槽里竖直安装有石英管、阳极电极板和阴极电极板，电解槽里横向设置有布孔气板，石英管的底部与电解槽的底板相连，石英管的顶部穿过布孔气板并伸出电解槽，阳极电极板和阴极电极板位于布孔气板上方并连接直流电源，石英管里安装紫外灯或日光灯，紫光灯和日光灯伸出石英管并与外界电源相连，布孔气板上方填充粒子电极，曝气装置的出口连通电解槽并位于布孔气板的下方，超声发生装置设置在电解槽外部，超声发生装置的探头伸入至粒子电极中。
本发明还可以包括：
1、直流电源电压为5～20V，电流密度10～30mA/m2。
2、阳极电极板和阴极电极板采用钛基涂层电极板，钛基是钛板、钛网或泡沫钛中的一种，涂层采用MnO2、PbO2、Pt、SnO2、RuO2中的一种;阴极电极板与相邻阳极电极板之间的距离为50～100mm。
3、粒子电极采用表面负载具有光催化活性纳米半导体材料的颗粒活性炭或碳纳米管，纳米半体材料为TiO2、ZnO、SnO2、Cu2O、ZnS、CdS中的一种或两种，粒子电极的颗粒粒径为3～4mm，粒子电极的填充体积为反应器的1/3～1/2。
本发明的优势在于：本发明利用超声波强化三维电极光电催化反应体系，将电催化反应、光催化反应和超声波作用结合在一起。电催化和光催化存在协同作用，在电催化过程中不可避免会存在电解水的副反应，生成氢气和氧气，而在光催化过程中氧气作为一种良好的电子载体，可以很好的捕获光生电子-空穴，降低了其复合速度，对光催化过程有促进作用，并且生成过氧化氢，避免了羟基自由基存在时间过短的问题。而超声空化作用产生的微射流能够清洗电极表面，避免了被还原出的金属单质在粒子电极表面的沉积，延长了粒子电极的使用寿命;超声的空化作用会分解水生产羟基自由基，增强了反应体系的处理效果。本发明具有不需投加氧化剂或还原剂即可得到较好的氧化还原效果，可以同时去除水中的重金属离子和难降解有机污染物。而且本专利可以根据要去除的污染物的性质不同采用不同的运行参数进行控制，以达到更好的处理效果。