申请日2014.11.06
公开(公告)日2015.02.04
IPC分类号C02F1/72; C02F1/461
摘要
本发明属于电化学污水处理技术领域，特别涉及一种管道式电催化与臭氧协同氧化处理污水的装置及方法。本发明装置在密闭管道式反应器中由外到内依次分别设置管状的阳极电极、阴极电极和曝气管;阳极电极、阴极电极和曝气管分别沿密闭管道式反应器的管道轴向设置，使密闭管道式反应器内的曝气分布均匀;本发明阳极电极通过将污水中的Cl-转化成HClO、ClO-等其他强氧化粒子对污水有机物直接或间接氧化处理;而曝气中的O2在阴极电极与水反应产生H2O2，H2O2与曝气中的O3反应生成羟基自由基·OH，与阳极电极协同降解有机物;本发明可应用于管道污水输送过程，占地面积小，效率高，无二次污染，可提高难降解污水的生化性且具有较高的脱氮功能。
权利要求书
1.一种管道式电催化与臭氧协同氧化处理污水的装置，其特征在于：在密 闭管道式反应器(1)中由外到内依次分别设置管状阳极电极(3)、管状阴极电 极(2)和曝气管(6);阳极电极(3)、阴极电极(2)和曝气管(6)分别沿密 闭管道式反应器(1)的管道轴向设置;阳极电极(3)、阴极电极(2)和曝气 管(6)的两端分别与密闭管道式反应器(1)对应的端部固定相连;相邻部件 与密闭管道式反应器(1)的两端之间分别构成管状腔体;阳极电极(3)和阴 极电极(2)通过彼此绝缘的内套式接法使管式反应器(1)形成密闭系统;阳 极电极(3)和阴极电极(2)分别与直流电源(5)相连;密闭管道式反应器(1) 的底部管壁上设置进水口，密闭管道式反应器(1)的顶部管壁上设置出水口和 臭氧尾气排气口。
2.根据权利要求1所述的一种管道式电催化与臭氧协同氧化处理污水的装 置，其特征在于：所述密闭管道式反应器(1)一端通过彼此绝缘的内套式接法， 另一端通过密封法兰(4)形成密闭系统。
3.根据权利要求1所述的一种管道式电催化与臭氧协同氧化处理污水的装 置，其特征在于：所述阳极电极(3)和阴极电极(2)分别通过内外螺旋方式 与密闭管道式反应器(1)两端的绝缘盘连接进行固定。
4.根据权利要求1所述的一种管道式电催化与臭氧协同氧化处理污水的装 置，其特征在于：所述阳极电极(3)和阴极电极(2)分别为网状结构。
5.根据权利要求1所述的一种管道式电催化与臭氧协同氧化处理污水的装 置，其特征在于：所述阳极电极(3)和阴极电极(2)的间距为10mm～20mm。
6.根据权利要求1所述的一种管道式电催化与臭氧协同氧化处理污水的装 置，其特征在于：所述阳极电极(3)的材质为钛，其表面涂覆有惰性复合材料， 所述惰性复合材料中Sn、Ru和Sb的摩尔比为Sn：Ru：Sb=80～90：5～10：5～10。
7.根据权利要求6所述的一种管道式电催化与臭氧协同氧化处理污水的装 置，其特征在于，在所述阳极电极3上涂覆惰性复合材料的方法为：通过对钛 基板打磨、超声、碱洗去除表面的氧化物、污垢及油脂，再通过酸洗去除氧化 层;按照权利要求6所述的Sn、Ru和Sb的摩尔比配置的涂覆液进行涂覆，先 在100℃～110℃下烘干，后在450℃～550℃进行热分解;上述涂覆、烘干、 热分解过程依次重复进行20次以上。
8.根据权利要求1所述的一种管道式电催化与臭氧协同氧化处理污水的装 置，其特征在于：所述阴极电极(2)的材质为碳。
9.根据权利要求1所述的一种管道式电催化与臭氧协同氧化处理污水的装 置，其特征在于：所述曝气管(6)上设置多个线状曝气口。
10.一种使用权利要求1～9任意一项权利要求所述的管道式电催化与臭氧 协同氧化处理污水的装置处理污水的方法，其特征在于：所述管道式电催化与 臭氧协同氧化处理污水的装置在污水输送过程中通过直流电源(5)通电进行污 水处理;所述曝气管(6)所产生的曝气为臭氧发生器产生的O2和O3的混合气 体;曝气扩散至阴极电极(2)表面，其中O2被阴极电极(2)还原溶解得到 H2O2，所得H2O2与O3反应生成·OH，氧化降解污水有机物;所述阳极电极(3) 表面直接氧化降解污水有机物，或产生氧化性离子对污水有机物进行氧化降解， 其中污水中含有的氯离子被氧化为HClO、ClO-对污水有机物进行氧化降解。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于：所述阳极电极(3)表面 产生的氧化性离子为O3、·OH、HClO、ClO-和·O。
说明书
一种管道式电催化与臭氧协同氧化处理污水的装置及方法
技术领域
本发明属于电化学污水处理技术领域，特别涉及一种管道式电催化与臭氧 协同氧化处理污水的装置及方法。
背景技术
在我国工业园区发展迅速，工业园区多采用集中式生化工艺模式来处理园 区废水。含有难生化降解有机物的污水处理后的出水水质难以达标，复杂的水 质，导致我国流域的水污染日益严重，因此，工业园区废水深度处理成为亟待 解决的环境难题。
近年来，臭氧以及基于臭氧的高级氧化技术应用于生化尾水深度处理方面 的研究被广泛关注，其主要应用O3本身的氧化性(2.07Vs)氧化有机物或基于 臭氧的高级氧化(如O3-H2O2)反应产生氧化性更强的氧化性粒子如·OH氧化降 解有机物。但O3的氧化能力有限以及对有机物的氧化具有一定的选择性，与 H2O2反应产生羟基自由基受到如浓度、pH等环境条件限制，因此，O3氧化处 理污水也受到一定的发展限制。
有学者将电化学与臭氧耦合处理污水，其主要利用O2或O3在电阴极以及附 近产生氧化性强的羟基自由基来处理污水，如童少平等人利用电化学与臭氧耦 合降解污水中硝基苯，耦合体系降解硝基苯去除率达96%;另外，日本株式会 社申请了电化学与臭氧耦合处理污水工艺，但这些研究主要仅利用电阴极激发 O2-O3发生反应产生单一的氧化性粒子羟基自由基，电阳极所能产生的多种氧化 性粒子的优势并没有被开发利用，另外，这些研究所采用电极都是小型平板式， 与需要密闭曝气的反应装置很不适宜，工程产业化应用推广受到限制。
发明内容
为了克服上述技术的缺点，本发明提供了一种管道式电催化与臭氧协同氧 化处理污水的装置及方法，能够利用电阴极激发O2-O3产生强氧化性粒子羟基自 由基，同时在电阳极上产生多种氧化性粒子，充分利用电阴阳双极，提高对工 业园区复杂的污水水质的处理效果;另外，电阴阳电极改制成污水管道形状的 圆柱形，便于在污水输送过程中即可处理污水，节省处理空间，便于工程化的 推广。
一种管道式电催化与臭氧协同氧化处理污水的装置，在密闭管道式反应器 中由外到内依次分别设置管状阳极电极、管状阴极电极和曝气管;阳极电极、 阴极电极和曝气管分别沿密闭管道式反应器的管道轴向设置;阳极电极、阴极 电极和曝气管的两端分别与密闭管道式反应器对应的端部固定相连;相邻部件 与密闭管道式反应器的两端之间分别构成管状腔体;阳极电极和阴极电极通过 彼此绝缘的内套式接法使管式反应器形成密闭系统;阳极电极和阴极电极分别 与直流电源相连;密闭管道式反应器的底部管壁上设置进水口，密闭管道式反 应器的顶部管壁上设置出水口和臭氧尾气排气口。
所述密闭管道式反应器一端通过彼此绝缘的内套式接法，另一端通过密封 法兰形成密闭系统。
所述阳极电极和阴极电极分别通过内外螺旋方式与密闭管道式反应器(1) 两端的绝缘盘连接进行固定。
所述阳极电极和阴极电极之间彼此层层内套，层数根据密闭管道式反应器 内径大小和水质多层安装。
所述阳极电极和阴极电极分别为网状结构。
所述阳极电极和阴极电极的间距为10mm～20mm。
所述阳极电极的材质为钛，其表面涂覆有惰性复合材料，所述惰性复合材 料中Sn、Ru和Sb的摩尔比为Sn：Ru：Sb=80～90：5～10：5～10。
在所述阳极电极上涂覆惰性复合材料的方法为：通过对钛基板打磨、超声、 碱洗(质量分数为30%～50%的NaOH水溶液)去除表面的氧化物、污垢及油脂， 再通过酸洗(质量分数为40%～60%的HCl水溶液)去除氧化层、改善其导电性; 按照上述Sn、Ru和Sb的摩尔比配置的涂覆液(将SnCl4、SbCl3和RuCl3按上 述比例浸泡于异丙醇中，滴加质量分数为40%～60%的HCl水溶液，并不断搅拌 直至溶解)进行涂覆，先在100℃～110℃下烘干，后在450℃～550℃进行热 分解;上述涂覆、烘干、热分解过程依次重复进行20次以上。
所述阴极电极的材质为碳。
所述曝气管上设置多个线状曝气口。
一种使用上述管道式电催化与臭氧协同氧化处理污水的装置处理污水的方 法，所述管道式电催化与臭氧协同氧化处理污水的装置在污水输送过程中通过 直流电源通电进行污水处理;所述曝气管所产生的曝气为臭氧发生器产生的O2和O3的混合气体，其中O3体积分数大约为5%～10%;曝气扩散至阴极电极表面， 其中O2被阴极电极还原溶解得到H2O2，所得H2O2与O3反应生成氧化性更强 的·OH，进而氧化降解污水有机物;所述阳极电极表面直接氧化降解污水有机 物，或产生氧化性离子对污水有机物进行氧化降解，其中污水中含有的氯离子 被氧化为ClO-对污水有机物进行氧化降解。
所述阳极电极表面产生的氧化性离子为O3、·OH、ClO-和·O。
本发明的有益效果为：
本发明装置在电催化法中，O2在碳阴极上可产生H2O2，可与O3发生协同 氧化作用。本发明结合污水输送管道，设计了阴阳电极为网状管道式电催化反 应器，在污水输送过程中就可直接对污水进行氧化处理。充分利用以制取O3为 目的所产生的混合气体为反应气体，利用O2和O3混合气体中的O2在电催化反 应器的碳阴极上面发生催化反应，产生H2O2，而H2O2又与混合气体中的O3反 应产生氧化性强的·OH羟基自由基粒子，从而氧化去除难生化降解有机物; 利用具有较高析氧电位和较低析氯电位的电阳极产生氧化性离子O3、·OH、·O 等以及HClO、ClO-等含氯的氧化性粒子同步氧化降解难生化有机物，从而有效 实现电催化与O3、Cl-等的协同作用。