申请日2014.09.11
公开(公告)日2014.12.03
IPC分类号C02F9/06; C02F1/467
摘要
本发明涉及一种难降解有机废水电化学处理装置及方法，设计了一种类似于固态聚合物电解质燃料电池技术的“零极距”的SPE电氧化污水处理电解槽。本装置利用离子交换膜分隔开阳极室和阴极室，并利用端板将(钛基尺寸稳定)阳极、离子交换膜和(镍)阴极压紧，形成“零极距”的SPE电氧化污水处理电解槽。本装置在电解运行时，废水在阳极发生电氧化，使水中有机物及氨氮得到矿化降解;阴极室通入自来水(或废水)，阴极电解析氢得到回收。本装置的优势在于无需额外再添加支持电解质，“零”电极间距可大幅降低电氧化的槽压和能耗，同时解决了电解过程析出的氧(氯)、氢混合的问题。此外，不使用碳材料，避免由碳腐蚀所导致的电流效率的下降，提高污水处理装置的可靠性与稳定性;阴极利用连续水流，可极大地减缓了离子交换膜阴极侧的结垢和堵塞可能性。
权利要求书
1.一种低能耗的难降解有机废水电化学处理装置，其特征在于：包括预处 理装置和SPE电解槽组，所述SPE电解槽组包括至少一个SPE电解槽，当所述 SPE电解槽组包括两个以上所述SPE电解槽时，所述SPE电解槽之间并列设置; 所述预处理装置的进水口连通待处理废水源，所述预处理装置的出水口连通到 每个所述SPE电解槽;
所述SPE电解槽包括离子交换膜和在所述离子交换膜两侧的阳极室和阴极 室;
所述阳极室包括阳极端板、多孔阳极支撑材料和阳极催化层，所述阳极端 板上，面向所述离子交换膜的一侧设有阳极流场槽，所述阳极流场槽的进水端 设有阳极进水口，所述阳极流场槽的出水端设有阳极出水口;所述阳极催化层 和所述多孔阳极支撑材料密封设置在所述阳极端板与所述离子交换膜之间;所 述阳极催化层位于所述离子交换膜与所述多孔阳极支撑材料之间，并且紧贴在 所述多孔阳极支撑材料上;所述多孔阳极支撑材料上设有阳极集流体，所述阳 极集流体密封伸出所述阳极端板与所述离子交换膜之外;
所述阴极室包括阴极端板和多孔阴极催化材料，所述阴极端板上，面向所 述离子交换膜的一侧设有阴极流场槽，所述阴极流场槽的进水端设有阴极进水 口，所述阴极流场槽的出水端设有阴极出水口;所述多孔阴极催化材料密封设 置在所述阴极端板与所述离子交换膜之间;所述多孔阴极催化材料上设有阴极 集流体，所述阴极集流体密封伸出所述阴极端板与所述离子交换膜之外;
所述预处理装置的出水口连通到每个所述SPE电解槽阳极进水口，每个所 述SPE电解槽阳极出水口连通到处理水出口;
每个所述SPE电解槽的阴极进水口连通到自来水源或待处理废水源;每个 所述SPE电解槽的阴极出水口连通到处理水集水槽。
2.根据权利要求1所述的低能耗的难降解有机废水电化学处理装置，其特 征在于：所述多孔阳极支撑材料为耐腐蚀的金属丝编制网，目数为50-400目; 金属丝的直径为10-500微米;所述金属丝编制网的厚度为100微米-1000微米， 所述金属丝编制网为孔隙率>40%，孔径>1微米的多孔金属板或为孔径>1×2毫 米的冲孔金属网;
所述阳极催化层为RuO2-TiO2，PbO2，SnO2-Sb2O3，Nb2O5-SnO2，SnO2-In2O3， IrO2-Ta2O5，或者稀土金属氧化物/Sb2O5-SnO2中的一种或者多种的混合物;
所述阴极端板为镍或不锈钢镀镍制成;
所述阴极流场槽设计与所述阳极流场槽一致，为横向或纵向蛇形、梳裝凹 槽排布，槽宽1-3毫米，槽深0.5-2.0毫米，两条或三条流道槽并行设置，流 场槽道从进水口开始至出水口结束;
所述多孔阴极催化材料为适用于碱性水电解槽中的析氢阴极电催化材料。
3.根据权利要求2所述的低能耗的难降解有机废水电化学处理装置，其特 征在于：所述耐腐蚀的金属丝包括钨丝、钛丝、钼丝或铌丝;所述析氢阴极电 催化材料包括Ni，Raney Ni，Ni-S，Ni-Mo，或者Ni-Mo-S。
4.根据权利要求2所述的低能耗的难降解有机废水电化学处理装置，其特 征在于：所述耐腐蚀的金属丝编制网为钛网，厚度为300微米-2000微米;或者 所述耐腐蚀的金属丝编制网为多孔钛板或冲孔钛金属网，所述多孔钛板的厚度 为500微米-3000微米，孔隙率大于40%;所述冲孔钛金属网的孔径大于1×2 毫米，厚度1-2毫米。
5.根据权利要求1所述的低能耗的难降解有机废水电化学处理装置，其特 征在于：所述阴极室与所述阳极室紧密相连，仅由所述离子交换膜阻隔分开， 所述离子交换膜材料的厚度为50微米-150微米;
所述离子交换膜材料为阳离子交换膜或者阴离子交换膜。
6.根据权利要求1所述的低能耗的难降解有机废水电化学处理装置，其特 征在于：还包括硅密封圈，所述阳极端板与所述离子交换膜之间通过所述硅胶 密封圈密封，所述阴极端板与所述离子交换膜之间也通过所述硅胶密封圈密封。
7.一种低能耗的难降解有机废水电化学处理方法，其特征在于，包括步骤 如下：
待处理污水经预处理工艺去除不溶性颗粒后，无需添加支持电解质，以固 定流速连续进入SPE电解槽组中各个SPE电解槽的阳极室;
每个SPE电解槽中的待处理污水以0.02-0.10毫升/(平方厘米·分钟)的流 速，经阳极流场槽流入阳极室，在外接工作电压为2-4V的直流电作用下，废 水中有机污染物及氨氮在阳极表面发生电化学氧化，在阳极的>1.6V高氧化电势 作用下，催化层表面产生包括羟基自由基和氯气的氧化剂，氧化降解废水中有 机污染物及氨氮;
废水经电极氧化处理后，经所述阳极流场槽流出所述阳极室;
同时，采用自来水连续循环进入阴极室，阴极电解产生氢气随阴极水流带 出阴极室;阴极水定期用部分自来水或预处理原水置换。
8.根据权利要求7所述的低能耗的难降解有机废水电化学处理方法，其特 征在于：所述待处理污水包括焦化、印染、化工或食品行业废水以及垃圾渗滤 液;
所述预处理工艺包括混凝和沉淀;
催化层表面产生氧化剂包括羟基自由基和氯气。
说明书
一种低能耗的难降解有机废水电化学处理装置及方法
技术领域
本发明涉及环境保护领域水处理工业技术领域，尤其是涉及一种低能耗的 难降解有机废水电化学处理装置及方法。
背景技术
水体污染日趋广泛，污染物的成分越来越复杂，性质多变，严重威胁生态 环境和人类的健康与安全。众多工业废水，如焦化，染料，制药，有机化学品 合成/造纸，钢铁，金属加工等行业废水及垃圾渗滤液，具有毒性高，浓度大且 难生物降解的特点，治理难度很大，利用传统的水处理技术对此类污水难以获 得满意的处理效果。电化学高级氧化技术是一种绿色的污水处理方法。电化学 氧化利用电极表面产生的自由基(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。但目前电化学方法但存在诸多问题：水处理 过程中废水的挥发量达，得水率低;电极间距大，导致电解槽压高，能耗大; 废水处理同时，阴阳极分别会析氯析氧和析氢，传统电解槽两种气体容易出现 混合，存在极大的安全隐患;废水处理过程中为了增加废水的电导率，降低电 解槽压和能耗，往往需要在废水中加入支持电解质，这既增加了水处理的药剂 成本，处理水需继续脱盐。最近，加拿大科技工作者PCT专利(WO2012/167375) 设计了一种基于固态聚合物电解质(solid polymer electrolyte,SPE)燃料电 池技术的污水处理电解槽，在无需添加支持电解质的情况下，大幅地降低污水 处理的槽压和能耗，解决了电解过程析出的氧、氢混合的问题。但是该技术还 存在诸多问题没有解决：
1.该发明所用碳/石墨基底的阳极非稳定阳极，在长期的电氧化过程会发生 较为严重的碳腐蚀，降低电极寿命、稳定性和电流效率，并严重影响电 解槽的污水处理效率;
2.需要采用价格昂贵的Pt等作为阴极催化剂，增加了反应器的成本;
3.电解槽阴极为气体扩散电极，无水流过，极易发生阳离子Ca2+、Mg2+等产 碱(如Ca(OH)2、Mg(OH)2等)结垢堵塞电极，长期运行带来阴极极化与能 耗的增加，降低阴极寿命。
发明内容
本发明的目的在于设计一种新型的低能耗的难降解有机废水电化学处理装 置，解决上述问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种低能耗的难降解有机废水电化学处理装置，包括预处理装置和SPE电 解槽组，所述SPE电解槽组包括至少一个SPE电解槽，当所述SPE电解槽组包 括两个以上所述SPE电解槽时，所述SPE电解槽之间并列设置;所述预处理装 置的进水口连通待处理废水源，所述预处理装置的出水口连通到每个所述SPE 电解槽;
所述SPE电解槽包括离子交换膜和在所述离子交换膜两侧的阳极室和阴极 室;
所述阳极室包括阳极端板、多孔阳极支撑材料和阳极催化层，所述阳极端 板上面向所述离子交换膜的一侧设有阳极流场槽，所述阳极流场槽的进水端设 有阳极进水口，所述阳极流场槽的出水端设有阳极出水口;所述阳极催化层和 所述多孔阳极支撑材料密封设置在所述阳极端板与所述离子交换膜之间;所述 阳极催化层位于所述离子交换膜与所述多孔阳极支撑材料之间，并且紧贴在所 述多孔阳极支撑材料上;所述多孔阳极支撑材料上设有阳极集流体，所述阳极 集流体密封伸出所述阳极端板与所述离子交换膜之外;
所述阴极室包括阴极端板和多孔阴极催化材料，所述阴极端板上面向所述 离子交换膜的一侧设有阴极流场槽，所述阴极流场槽的进水端设有阴极进水口， 所述阴极流场槽的出水端设有阴极出水口;所述多孔阴极催化材料密封设置在 所述阴极端板与所述离子交换膜之间;所述多孔阴极催化材料上设有阴极集流 体，所述阴极集流体密封伸出所述阴极端板与所述离子交换膜之外;
所述预处理装置的出水口连通到每个所述SPE电解槽阳极进水口，每个所 述SPE电解槽阳极出水口连通到处理水出口;
每个所述SPE电解槽的阴极进水口连通到自来水源或待处理废水源;每个 所述SPE电解槽的阴极出水口连通到处理水集水槽或者循环至阴极进水。
所述多孔阳极支撑材料为耐腐蚀的金属丝编制网，目数为50-400目;金属 丝的直径为10-500微米;所述金属丝编制网的厚度为100微米-1000微米，所述 金属丝编制网为孔隙率>40%，孔径>1微米的多孔金属板或为孔径>1×2毫米的 冲孔金属网;
所述阳极催化层为RuO2-TiO2，PbO2，SnO2-Sb2O3，Nb2O5-SnO2，SnO2-In2O3， IrO2-Ta2O5，或者稀土金属氧化物/Sb2O5-SnO2中的一种或者多种的混合物;
所述阴极端板为镍或不锈钢镀镍制成;
所述阴极流场槽设计与所述阳极流场槽一致，为横向或纵向蛇形、梳状凹 槽排布，槽宽1-3毫米，槽深0.5-2.0毫米，两条或三条流道槽并行设置，流 场槽道从进水口开始至出水口结束;
所述多孔阴极催化材料为适用于碱性水电解槽中的析氢阴极电催化材料。
所述耐腐蚀的金属丝包括钨丝、钛丝、钼丝或铌丝;所述析氢阴极电催化 材料包括Ni，Raney Ni，Ni-S，Ni-Mo，或者Ni-Mo-S。
所述耐腐蚀的金属丝编制网为钛网，厚度为300微米-2000微米;或者所述 耐腐蚀的金属丝编制网为多孔钛板或冲孔钛金属网，所述多孔钛板的厚度为500 微米-3000微米，孔隙率大于40%;所述冲孔钛金属网的孔径大于1×2毫米， 厚度1-2毫米。
所述阴极室与所述阳极室紧密相连，仅由所述离子交换膜阻隔分开，所述 离子交换膜材料的厚度为50微米-150微米;
所述离子交换膜材料为阳离子交换膜或者阴离子交换膜。
还包括硅密封圈，所述阳极端板与所述离子交换膜之间通过所述硅胶密封 圈密封，所述阴极端板与所述离子交换膜之间也通过所述硅胶密封圈密封。
一种低能耗的难降解有机废水电化学处理方法，包括步骤如下：
待处理污水经预处理工艺去除不溶性颗粒后，无需添加支持电解质，以固 定流速连续进入SPE电解槽组中各个SPE电解槽的阳极室;
每个SPE电解槽中的待处理污水以0.02-0.10毫升/(平方厘米˙分钟)的 流速，经阳极流场槽流入阳极室，在外接工作电压为2-4V的直流电作用下， 废水中有机污染物及氨氮在阳极表面发生电化学氧化，在阳极的>1.6V高氧化 电势作用下，催化层表面产生包括羟基自由基、臭氧和氯气的氧化剂，氧化降 解废水中有机污染物及氨氮;
废水经电极氧化处理后，经所述阳极流场槽流出所述阳极室;
同时，采用自来水连续循环进入阴极室，阴极电解产生氢气随阴极水流带 出阴极室;阴极水定期用部分自来水或预处理原水置换。
所述待处理污水包括焦化、印染、化工或食品行业废水以及垃圾渗滤液;
所述预处理工艺包括混凝和沉淀;
催化层表面产生氧化剂包括羟基自由基和氯气。
本发明所谓的SPE，即solid polymer electrolyte,固态聚合物电解质。
本发明专利的目的在于克服现有技术中的不足，从而提供一种新型高效低 能耗的难降解污水电化学处理方法和装置，降低难降有机污水的处理成本，提 高污水处理装置的可靠性和稳定性。
本发明的有益效果可以总结如下：
1)本发明中的污水处理装置完全避免使用碳材料，可避免由于碳材料腐 蚀导致的污水处理效率的下降，电流效率的下降，提高污水处理装置 的可靠性与稳定性;
2)本发明中采用Ni网代替了SPE电解槽中阴极的Pt等贵金属催化剂， 以Ti基端板代替石墨端板等，可大幅降低污水处理装置的成本;
3)阴极引入水流，极大的减缓了离子交换膜阴极侧的结垢现象，避免了 阴极堵塞的问题，提高污水处理装置的稳定性;
4)本发明中污水处理槽堆中采用了单个电解池的分别进水方式，分别出 水的方式，这种布水方式的优点在于若处理槽堆中某个电解槽出现问 题，只需停止给出现问题的电解池供水，并把该电解槽的正负极直接 短接即可保证该电解槽堆的其他电解槽的正常运行，无需因某个电解 槽的问题而拆卸整个电解槽，从而提高电解槽的污水处理能力和效率。