申请日2016.07.22
公开(公告)日2016.10.12
IPC分类号C02F1/461; C02F1/72; C02F1/469; H02S10/00
摘要
本发明提供了一种太阳能供电的高盐有机废水处理装置，其特征在于包括：至少一个电化学氧化电解槽105;电容去离子脱盐装置110;太阳能供电装置103，其中，每个所述电解槽105包括电化学阳极202、电化学阴极206及槽体，所述电容去离子脱盐装置110包括至少一组电容去离子单元301，太阳能供电装置103，用于向电解槽105和电容去离子脱盐装置110提供电力，作为电解槽和电容去离子脱盐装置的直流电源。还提供了基于上述装置的高盐有机废水处理方法。
权利要求书
1.一种太阳能供电的高盐有机废水处理装置，其特征在于包括：
至少一个电化学氧化电解槽(105)，
电容去离子脱盐装置(110)，
太阳能供电装置(103)，
其中，
每个所述电解槽(105)包括电化学阳极(202)、电化学阴极(206)及槽体，
所述电容去离子脱盐装置(110)包括至少一组电容去离子单元(301)，
所述太阳能供电装置(103)用于向电解槽(105)和电容去离子脱盐装置(110)提供电力，作为电解槽和电容去离子脱盐装置的直流电源。
2.根据权利要求1所述的太阳能供电的高盐有机废水处理装置，其特征在于：
每个所述电容去离子单元(301)包括依次设置的用于起支撑作用的第一端板(302)、第一垫片(303)、用于汇集电流的第一集流体(304)、碳基电容第一电极(305)、第一隔膜(306)、带有脱盐室的硅胶密封圈(307)、第二隔膜(316)、碳基电容第二电极(315)、用于汇集电流的第二集流体(314)、第二垫片(313)、起支撑作用的第二端板(312)，
每个所述电解槽(105)进一步包括：
设置在所述电化学阳极(202)和所述电化学阴极(206)之间的离子交换膜(205)，
第一电解槽端板(201)和第二电解槽端板(231)，用于将电化学阳极(202)、第一硅胶密封圈(203)、离子交换膜(205)、第二硅胶密封圈(204)和电化学阴极(206)压紧，形成紧凑型的固态电解质电解槽，
形成在第一电解槽端板(201)与电化学阳极(202)之间的阳极室(104)，其具有阳极进水口(211)和阳极出水口(212)，
形成在在第二电解槽端板(231)与电化学阴极(206)之间的阴极室(106)，其具有阴极进水口(213)和阴极出水口(214)。
3.根据权利要求2所述的太阳能供电的高盐有机废水处理装置，其特征在于：
电化学阳极(202)包括：
基底，其以从钛和钼基材料中选出的一种材料制成的，并具有从多孔板、无孔板、丝网中选出的一种形式;以及
覆盖在基底上的金属氧化物电催化涂层，
其中，
所述金属氧化物电催化涂层是从Ti/RuO2，Ti/SnO2-Sb2O3，Ti/Nb2O5-SnO2，Ti/PbO2，Ti/IrO2中选出的一种的涂层，
所述金属氧化物电催化涂层采用热解、电沉积、溶胶-凝胶等制备方法中选出的一种方法制备而成，
电化学阴极(206)具有从以下形式中选出的一种形式：
以从镍和不锈钢中选出的一种材料作为基材的多孔板、无孔板、金属网，以及
以从碳布、碳纸、石墨纤维膜、碳膜中选出的一种材料作为基底材料的多孔板、无孔板、网，
其中，
所述电化学阴极(206)负载纳米粉体催化剂，所述纳米粉体催化剂是从Pt/C、碳纳米管、Ni、Raney Ni、Ni-S、Ni-Mo、或者Ni-Mo-S的纳米粉体催化剂中选出的至少一种。
4.根据权利要求2所述的太阳能供电的高盐有机废水处理装置，其特征在于：
所述第一端板(302)和第二端板(312)用非导电材料制成，
所述第一集流体(304)包括第一极耳(321)，第二集流体(314)包括第二极耳(322)，
所述第一集流体(304)和第二集流体(314)用从铜、铝、钛箔、石墨片中选出的一种材料制成，
所述第一集流体(304)与碳基电容第一电极(305)紧密接触，
所述第二集流体(314)与碳基电容第二电极(315)紧密接触。
5.根据权利要求2-4之一所述的太阳能供电的高盐有机废水处理装置，其特征在于：
第一隔膜(306)和第二隔膜(316)是用从无纺布和玻璃纤维中选出的一种材料制成的亲水性多孔膜，
第一垫片(303)、第二垫片(313)、第三垫片(307)对碳基电容第一电极(305)和碳基电容第二电极(315)形成密封，并把碳基电容第一电极(305)与碳基电容第二电极(315)的间距限制在1-3mm的范围内。
6.根据权利要求2-4之一所述的太阳能供电的高盐有机废水处理装置，其特征在于：
所述碳基电容第一电极(305)和碳基电容第二电极(315)由从以下材料中选出的一种材料制成：
100-1000m2/g比表面的活性炭和电容炭中选出的一种、导电炭黑以及粘结剂按质量比8:1:1的配比混合后，经300℃高温加热后，热压成1mm厚碳膜，以及
比表面400-1100m2/g、电导率10-100S/cm的碳气凝胶，
所述粘结剂为从聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚乙烯醇和羧甲基纤维素钠中选出的一种，
所述碳基电容第一电极(305)和碳基电容第二电极(315)负载(请核对“修饰.....材料”的表述在此处是否合适)从碳纳米管和石墨烯中选出的一种导电碳材料，以加大其导电性，
所述离子交换膜(205)是从质子交换膜和阴离子交换膜中选出的一种，
所述太阳能供电的高盐有机废水处理装置进一步包括连接在所述至少一个电化学氧化电解槽(105)的上游的废水预处理装置，用于去除待处理废水中的不溶解性悬浮颗粒物。
7.根据权利要求2-4之一所述的太阳能供电的高盐有机废水处理装置，其特征在于：
所述太阳能供电的高盐有机废水处理装置包括多个并联设置的电解槽(105)，
电容去离子脱盐装置(110)包括多组并联设置的电容去离子单元(301)，且
所述电容去离子脱盐装置(110)进一步包括设置在碳基电容第一电极(305)和碳基电容第二电极(315)之间的阳离子交换膜(331)和阴离子交换膜(332)，构成了膜电容去离子脱盐装置，
所述阳离子交换膜和阴离子交换膜之间添加有填料，该填料是从导电树脂和活性炭中选出的至少一种材料，以增加脱盐和电流效率。
8.根据权利要求2-4之一所述的太阳能供电的高盐有机废水处理装置，其特征在于进一步包括：
与所述太阳能供电装置(103)配套的蓄电池(113)，其连接到太阳能供电装置(103)，以接收和储存太阳能供电装置(103)产生的多余电能，并在缺乏阳光的时段提供电化学氧化电解槽(105)和电容去离子脱盐装置(110)的运行所需的电力。
9.基于根据权利要求2-8之一所述的太阳能供电的高盐有机废水处理装置的高盐有机废水处理方法，其特征在于包括：
A)使待处理的废水通过阳极进水口(211)和阴极进水口(213)分别连续进入所述电解槽(105)的阳极室(104)和阴极室(106)，
B)在通过阳极集流体(208)和阴极集流体(209)施加的外接直流电(2-4V)的作用下，以恒流充电模式对阳极室(104)中的所述待处理的废水进行电解，
C)使阳极室(104)中的废水分别经阳极出水口(212)和阴极出水口(214)流出电解槽(105)，进入电容去离子脱盐装置(110)，
D)使来自电化学氧化电解槽(105)的出水，通过中空的硅胶密封圈(307)上的进水口(308)，进入硅胶密封圈(307)内部的脱盐室，并把在脱盐室中处理之后的水从硅胶密封圈(307)上的出水口(309)引出，而作为电容去离子脱盐装置(110)的出水，
E)向碳基电容第一电极(305)与碳基电容第二电极(315)施加1.0-1.5V直流电进行电容吸附去离子，并把电容去离子脱盐装置(110)的出水作为脱盐水输出，
F)当所述电容去离子脱盐装置(110)的出水的电导率不断由低升高并接近进水的电导率时，停止向电容去离子脱盐装置(110)的供电，把电容去离子脱盐装置的碳基电容第一电极(305)和碳基电容第二电极(315)两极短接和/或反向直流接通，释放电容吸附离子，并把电容去离子脱盐装置(110)的出水作为浓盐水(112)输出，
G)当所述电容去离子脱盐装置(110)的出水电导率由高不断降低至进水电导率时，再次接通1.0-1.5V直流电，进行脱盐，
H)重复上述步骤E)至G)。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：
所述步骤A)中废水的流量为0.01-0.20ml/cm2·分钟，
电化学阳极(202)的的电流密度在5-50mA/cm2范围，
其中，
阳极(202)上的金属氧化物电催化覆层的表面产生包括羟基自由基、氯气和臭氧的氧化剂，废水中溶解性有机污染物及氨氮在所述电化学阳极表面发生氧化，使难降解有机物得到矿化降解，氨氮得到硝化。
说明书
一种太阳能供电的高盐有机废水处理装置
技术领域
本发明涉及一种太阳能供电的高盐有机废水处理装置，属于环境保护领域的水处理技术。
背景技术
高含盐难降解有机废水，如焦化、制革、造纸、化工、食品和氯碱工业的废水及垃圾渗滤液，含有大量有毒害难降解有机污染物和无机盐,如Cl-,SO42-,Na+,Ca2+等离子,若未经处理或仅去除有机物，高盐有机物废水势必会对水体生物、工农业生产用水水质产生极大的影响。在水资源日益紧张、含盐废水排放量日益增多，寻求经济、高效的高盐有机废水处理技术极为重要。
利用传统的生化处理技术对高含盐难降解有机废水难以获得满意的处理效果。高盐度有机废水具有良好的电导率,因而采用电化学方法处理是一个合适的选择。利用电化学氧化过程所产生的自由基(如羟基自由基)或生成的氧化剂(如次氯酸)，可有效氧化降解水中有机污染物。此外，废水脱盐是高盐废水回用的必不可少环节，含盐量是工业废水回用主要限定指标之一，仅去除有机物不能满足高含盐有机废水的回用与排放标准。多效蒸发和基于膜的渗透技术的脱盐技术的高能耗限制其广泛应用。近年来发展的电容去离子(capacitive deionization，CDI)脱盐是一种新型水处理脱盐技术，具有高除盐率、低能耗、无需化学再生及抗污染能力强等优点。电容去离子技术的工作原理是建立在双电层电容理论之上，在电场作用下,溶液中的阳离子被吸附在负极表面,同时阴离子被吸附在正极表面,随着离子不断被吸附,溶液的离子浓度逐渐降低,从而实现溶液脱盐。
但电化学技术的主要问题是需要耗费大量电能，这成了制约相关技术开发的一个关键因素。此外，高含盐难降解有机废水的处理常常需要在野外进行，现场往往并不具备电力供应条件。再者，装置的紧凑化、便携化也是迫切的实际要求。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种太阳能供电的高盐有机废水处理装置，其特征在于包括：
至少一个电化学氧化电解槽，
电容去离子脱盐装置，
太阳能供电装置，
其中，
每个所述电解槽包括电化学阳极、电化学阴极及槽体，
所述电容去离子脱盐装置包括至少一组电容去离子单元，
所述太阳能供电装置用于向电解槽和电容去离子脱盐装置提供直流电力，作为电解槽和电容去离子脱盐装置的直流电源。
根据本发明的一个进一步的方面，提供了一种高盐有机废水处理方法，其特征在于包括：
A)使待处理的废水通过阳极进水口和阴极进水口分别连续进入所述电解槽的阳极室和阴极室，
B)在通过阳极集流体和阴极集流体施加的外接直流电(2-4V)的作用下，以恒流充电模式对阳极室和阴极室中的所述待处理的废水进行电解，
C)使阳极室和阴极室中的废水分别经阳极出水口和阴极出水口流出电解槽，进入电容去离子脱盐装置，
D)使来自电化学氧化电解槽的出水，通过中空的第三垫片上的进水口，进入第三垫片内部的脱盐室，并把在脱盐室中处理之后的水从第三垫片上的出水口引出，而作为电容去离子脱盐装置的出水，
E)向碳基电容第一电极与碳基电容第二电极施加1.0-1.5V直流电进行电容吸附去离子，并把电容去离子脱盐装置的出水作为脱盐水输出，
F)当所述电容去离子脱盐装置的出水的电导率不断由低升高并接近进水的电导率时，停止向电容去离子脱盐装置的供电，把电容去离子脱盐装置的碳基电容第一电极和碳基电容第二电极两极短接和/或反向直流接通，释放电容吸附离子，并把电容去离子脱盐装置的出水作为浓盐水输出，
G)当所述电容去离子脱盐装置的出水电导率由高不断降低至进水电导率时，再次接通1.0-1.5V直流电，进行脱盐，
H)重复上述步骤E)至G)。