申请日2015.05.11
公开(公告)日2015.07.22
IPC分类号C02F9/08
摘要
本发明涉及一种基于改性气体扩散电极的光电芬顿氧化反应处理垃圾渗滤液的方法及装置，以2-乙基蒽醌改性气体扩散电极作为阴极，在通电、通氧的条件下可高效、连续地产生H2O2;通过外部加入亚铁盐，引发电芬顿反应，产生强氧化性的羟基自由基作为主要氧化剂氧化水体中的有机污染物;阳极在通电条件下产生氧气的同时也可产生羟基自由基，起到搅拌以及氧化有机物的作用;借助紫外光实现光催化以及亚铁离子循环的协同作用。本发明将电催化、芬顿技术、电化学氧化技术以及光催化技术相结合，组成光电芬顿体系，提高了垃圾渗滤液中有机废物的降解效率。
权利要求书
1.一种基于改性气体扩散电极的光电芬顿氧化反应处理垃圾渗滤液的方法，其特征在于，以2-乙基蒽醌改性的气体扩散电极为阴极构建光电芬顿反应装置，该气体扩散电极安装于反应装置的液体室和气体室之间，将垃圾渗滤液置于反应装置的液体室中，在气体室中通入含氧气体，并用紫外光照射，加入Fe2+离子引发芬顿反应，降解垃圾渗滤液中的有机废物。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的垃圾渗滤液既是未经处理的垃圾渗滤液或是经过预处理后的垃圾渗滤液，反应前其初始pH值调节至酸性范围。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述2-乙基蒽醌改性的气体扩散电极包括泡沫镍、炭黑、聚四氟乙烯乳液、2-乙基蒽醌,其中泡沫镍为电极的集流体层,炭黑、聚四氟乙烯构成电极的扩散层涂覆于集流体层上，其中炭黑与聚四氟乙烯的质量比为(0.5～4.0)：1,炭黑、聚四氟乙烯和2-乙基蒽醌构成电极的催化层涂覆于扩散层上，其中炭黑与聚四氟乙烯的质量比为(0.5～4.0)：1，2-乙基蒽醌与炭黑的和聚四氟乙烯的总质量比为2～40%。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所采用的电流密度为1～100毫安/平方厘米，反应过程中实时调节体系pH值在酸性范围。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，光电芬顿氧化反应在二级或者多级反应装置连续进行。
6.一种基于改性气体扩散电极的光电芬顿氧化反应处理垃圾渗滤液的装置，其特征在于，该装置包括：搅拌装置，电解槽液体室，阳极，紫外灯，2-乙基蒽醌改性的气体扩散电极，电解槽气体室，进气口，出气口，直流电源，含氧气体;所述的阳极以及2-乙基蒽醌改性的气体扩散电极分别与直流电源相连接，将紫外灯置于电解槽液体室中并固定，电解槽液体2中盛放垃圾渗滤液。
说明书
一种基于改性气体扩散电极的光电芬顿氧化反应处理垃圾渗滤液的方法及装置
技术领域
本发明属于污水处理领域，特别涉及一种基于改性气体扩散电极的光电芬顿氧化反应处理垃圾渗滤液的方法。
背景技术
垃圾渗滤液是伴随垃圾填埋场而产生的二次污染物，主要来源于降水和垃圾本身的内含水，其性质会随填埋场运行时间发生很大变化。垃圾渗滤液的不当处置，不但影响地表水的质量，还会危及地下水及人类的安全，因此对垃圾渗滤液的适当处理是十分必要的。
目前垃圾渗滤液的处理方法仍然沿用城市污水处理的方法，包括生物法和物化法。但是垃圾渗滤液不同于传统城市污水，其特点是水质水量变化大、污染物浓度高、色度大、毒性强，难于生物降解，不仅含有大量有机污染物，还含有各种重金属污染物。导致单一的处理技术出水达不到排放要求，必须采用组合工艺。因此，垃圾渗滤液的无害化处理是世界范围的一大难题。
生物法是处理垃圾渗滤液的常用方法，它是依靠处理系统中微生物的新陈代谢作用以及微生物絮体对污染物的吸附作用来去除废水中有机污染物的一种废水处理方法。其处理效果较好，成本较低，但是处理效率低，处理时间通常需数十天。当气温降低时处理效率还会进一步降低。处理效率低导致每天新产生的渗滤液不能及时得到处理。且其运行效果受渗滤液水质及气候条件影响较大。
物化法是利用物理吸附或者化学氧化的方法除去垃圾渗滤液中有机物的方法，包括(1)化学氧化：利用氯气、臭氧、过氧化氢、高锰酸钾等氧化剂氧化水体中的有机物。(2)吸附：利用活性炭、膨润土等作为吸附药剂吸附水体中的有机物。(3)混凝：利用硫酸铝、硫酸亚铁、三氯化铁等混凝剂将水体中的有机物沉淀分离出来。(4)吹脱：常用于除去垃圾渗滤液中高浓度的氨氮。上述方法处理对象较单一，处理效果不理想，仅能作为预处理或者后处理步骤。此外物化法还包括膜分离技术。它是利用不同孔径的滤膜(微孔膜、超滤膜、纳滤膜和反渗透膜)对污染物进行物理分离从而达到排放要求。相对其他方法来说，这种方法处理效果最好，但是存在如下缺点：首先，处理过程仅为单纯物理分离过程，不能真正除去有机物，且会形成难于处理的浓缩液;其次，膜组件对处理对象的理化性质(如悬浮颗粒物浓度)要求严格，设备和运行成本均很高，膜组件需要频繁更换等等。
此外，处理垃圾渗滤液的方法中还包括芬顿氧化法。芬顿反应是一种高级氧化技术，它是以产生羟基自由基来氧化水体中有机物的反应。通过外加芬顿试剂H2O2和Fe2+发生芬顿反应生成羟基自由基，由于羟基自由基的氧化性极强，其氧化电位高达2.8V(相对于标准氢电极)，是水体中仅次于氟的第二强氧化剂，且氧化无选择性，因此可以快速、无选择地氧化水体中绝大多数有机物。与生物法相比，芬顿法的处理过程仅需数小时，处理速率很高;且其处理成本比与膜技术低，对处理对象无选择性，处理效率高。因此它是一种非常有效的处理方法。但是传统芬顿技术存在很多缺点，包括反应试剂H2O2成本较高，运输危险，需要投加大量芬顿试剂，处理废水后形成大量难处理的含铁污泥，降解效率随Fe2+的消耗而降低等。
普通电芬顿方法虽然能用废水中的溶解氧在电极表面还原产生过氧化氢，但用普通阴极材料作阴极，所产生过氧化氢的效率极低，用于处理垃圾渗滤液不能达到实用的目的。即使采用光电芬顿反应，靠可见光提高了电芬顿的反应效率，废水中的溶解氧产生的过氧化氢过少的问题仍然难于解决。本发明提出的基于改性气体扩散电极的光电芬顿氧化反应处理垃圾渗滤液的方法就是为了解决上述方法的不足。
发明内容
为解决垃圾渗滤液处理的效率低、效果差、处理成本高的问题，本发明提出一种基于改性气体扩散电极的光电芬顿氧化反应处理垃圾渗滤液的方法。
光电芬顿技术是将传统芬顿技术与光催化、电化学氧化技术相结合产生的，对于垃圾渗滤液有很好的降解效果。不同于传统芬顿技术，光电芬顿技术利用电化学方法在阴极连续产生反应物H2O2，既降低了反应物成本又可以控制降解反应速率。
本发明的原理是采用电催化、电化学氧化、芬顿技术、光催化结合组成光电芬顿体系降解垃圾渗滤液中的有机废物。在通电条件下，利用改性气体扩散电极中2-乙基蒽醌催化剂的电催化作用，在阴极连续产生芬顿反应物H2O2，通过外加亚铁离子的方式驱动芬顿反应开始。加以紫外光可实现亚铁离子的循环、光催化H2O2分解产生羟基自由基、光降解有机物。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于改性气体扩散电极的光电芬顿氧化反应处理垃圾渗滤液的方法，以2-乙基蒽醌改性的气体扩散电极为阴极构建光电芬顿反应装置，该气体扩散电极安装于反应装置的液体室和气体室之间，将垃圾渗滤液置于反应装置的液体室中，在气体室中通入含氧气体，并用紫外光照射，加入Fe2+离子引发芬顿反应，降解垃圾渗滤液中的有机废物。
所述2-乙基蒽醌的电催化氧化作用在气体扩散电极上高效地、持续地产生过氧化氢，作为光电芬顿反应的反应物。
在本发明的优选的实施方案中，所述的垃圾渗滤液既是未经处理的垃圾渗滤液或是经过预处理后的垃圾渗滤液，反应前其初始pH值调节至酸性范围。
在本发明的优选的实施方案中，所述2-乙基蒽醌改性的气体扩散电极包括泡沫镍、炭黑、聚四氟乙烯乳液、2-乙基蒽醌,其中泡沫镍为电极的集流体层。炭黑、聚四氟乙烯构成电极的扩散层涂覆于集流体层上，其中炭黑与聚四氟乙烯的质量比为(0.5～4.0)：1,炭黑、聚四氟乙烯和2-乙基蒽醌构成电极的催化层涂覆于扩散层上，其中炭黑与聚四氟乙烯的质量比为(0.5～4.0)：1，2-乙基蒽醌与炭黑的和聚四氟乙烯的总质量比为2～40%。
在本发明的优选的实施方案中，所采用的电流密度为1～100毫安/平方厘米，反应过程中实时调节体系pH值在酸性范围。
在本发明的优选的实施方案中，光电芬顿氧化反应在二级或者多级反应装置连续进行。
本发明还保护基于2-乙基蒽醌改性的气体扩散电极的垃圾渗滤液的光电芬顿反应装置，具体如下：一种基于改性气体扩散电极的光电芬顿氧化反应处理垃圾渗滤液的装置，该装置包括：搅拌装置，电解槽液体室，阳极，紫外灯，2-乙基蒽醌改性的气体扩散电极，电解槽气体室，进气口，出气口，直流电源，含氧气体;所述的阳极以及2-乙基蒽醌改性的气体扩散电极分别与直流电源相连接，将紫外灯置于电解槽液体室中并固定，电解槽液体2中盛放垃圾渗滤液。
其工作过程为：电解槽液体室2中盛放垃圾渗滤液，在电解槽气体室通入含氧气体。开启直流电源以及紫外灯，照射电解槽中的垃圾渗滤液，加入亚铁离子，形成光电芬顿反应体系进行垃圾渗滤液的降解处理。采用紫外光的作用为：1.通过紫外光的催化作用实现亚铁离子的有效循环利用，只需在反应初期投加微量的亚铁离子就可以持续地维持芬顿反应，并且与传统的芬顿反应相比，几乎不产生含铁污泥;2.紫外光催化H2O2分解为强氧化剂羟基自由基，其强氧化作用有利于提高有机废物的降解效率;3.紫外光对垃圾渗滤液中的有机废物有直接的光降解作用。此方法处理垃圾渗滤液的最大优势是高效、低能耗、操作可行性好。
本发明相较于现有技术具有以下有益效果：
(1)本发明采用2-乙基蒽醌改性气体扩散电极通过阴极电催化的方式高效产生过氧化氢，避免了过氧化氢在运输、贮存过程中存在的危险性;同时本发明采用的气体扩散电极用气体室中的含氧气体为反应产物，解决了普通电芬顿反应中用溶液中的溶解氧为反应物，过氧化氢产率过低，芬顿反应难于维持的问题。相对于普通气体扩散电极，采用的2-乙基蒽醌改性气体扩散电极提高了过氧化氢产量的同时降低了体系槽压，使得能耗降低。
(2)本发明采用光电芬顿反应降解垃圾渗滤液，其反应效率高于普通的芬顿反应、光芬顿反应和电芬顿反应。
(3)本发明利用紫外光的光催化作用可使亚铁离子得到有效循环，只在反应初期投加微量亚铁离子引发，光电芬顿反应即可持续进行，因此相对于传统芬顿反应大大降低了亚铁离子的投加量，在降低成本的同时，有效减少了含铁污泥的产生量。
(4)本发明采用紫外光，与改性气体扩散电极高效产出的过氧化氢共同作用产生羟基自由基，对有机废物有高效氧化降解作用;紫外光还对垃圾渗滤液中的有机废物成分有直接的光降解作用。这些作用进一步提高了垃圾渗滤液中有机废物的降解效率，从而克服了生物降解效率低的问题，同时克服了膜技术产生浓缩液的问题。
(5)本发明的阳极在通电条件下还能产生氧气和羟基自由基，分别起到搅拌和氧化有机物的作用，进一步提高有机物降解反应效率。
(6)本发明提供的技术操作简单、经济实用，具有高效、低能耗的特点。