申请日2009.09.23
公开(公告)日2010.03.17
IPC分类号C02F1/28; C02F1/469
摘要
本发明公开一种处理低浓度金属废水的生物质导电炭双流化床电极反应器，包括废水净化反应床和金属回收反应床，所述的废水净化反应床包括净化反应床床体、废水联箱、流化分布管以及第一直流电转换器;所述的金属回收反应床包括：金属回收反应床床体、风室联箱、流化风管以及第二直流电转换器。与现有技术相比，采用生物质导电炭代替传统的金属颗粒或者活性炭，且同时具有金属和活性炭的优点，一方面导电性能良好，用其作为导电介质形成的流化床电极反应器电流密度高;另一方面，导电炭的比表面积大，具有很强的吸附能力，可以先吸附金属离子后再将其进行还原，大大提高电流效率，对于低浓度的含金属离子废水尤其有效。
权利要求书
1、一种处理低浓度金属废水的生物质导电炭双流化床电极反应器，其特征在于：包 括废水净化反应床(48)和金属回收反应床(49)，所述的废水净化反应床(48)包括净 化反应床床体、废水联箱(2)、流化分布管(3)以及第一直流电转换器(11)，在所述的 净化反应床床体上内设置有第一绝缘渗透隔膜(6)，所述的净化反应床床体被所述的第一 绝缘渗透隔膜(6)分为废水净化阳极反应区(7)和废水净化阴极反应区(13)，在废水 净化阳极反应区(7)内设置有阳极(8)以及废水净化阳极区出口(10)，在废水净化阴 极反应区(13)内设置有阴极馈电极(12)、生物质导电炭颗粒(5)和废水净化阴极区出 口(15)，所述的阳极(8)与第一直流电转换器(11)的正极连接，所述的阴极馈电极(12) 与第一直流电转换器(11)的负极连接，在所述的净化反应床床体上还设置有流化分布管 入口、生物质导电炭颗粒入口、富集金属后生物质导电炭出口，所述的流化分布管(3) 与所述的流化分布管入口链接;所述的金属回收反应床(49)包括：金属回收反应床床体、 风室联箱(31)、流化风管(30)以及第二直流电转换器(47)，在所述的金属回收反应床 床体上内设置有第二绝缘渗透隔膜(44)，所述的金属回收反应床床体被所述的第二绝缘 渗透隔膜(44)分为金属回收阳极反应区(22)和金属回收阴极反应区(39)，在所述的 金属回收阳极反应区(22)内设置有阳极馈电极(46)、阳极反应区气体出口、生物质导 电炭回收口以及富集金属后流化介质入口，该富集金属后流化介质入口与所述的括废水净 化反应床(48)的富集金属后生物质导电炭出口连接，在所述的金属回收阴极反应区(39) 上设置有阴极馈电极(44)、回收金属出口、回收流化介质入口以及阴极反应区气体出口， 所述的阳极馈电极(46)与第二直流电转换器(47)的正极连接，所述的阴极馈电极(44) 与第二直流电转换器(47)的负极连接，在所述的金属回收反应床床体上还设置有流化风 管入口，所述的流化风管(30)与所述的流化风管入口链接。
2、根据权利要求1所述的处理低浓度金属废水的生物质导电炭双流化床电极反应器， 其特征在于：所述的生物质导电炭回收口与所述的生物质导电炭颗粒入口连接。
3、根据权利要求1所述的处理低浓度金属废水的生物质导电炭双流化床电极反应器， 其特征在于：所述的净化反应床床体的底板为倾斜式分布板(4)，倾斜式分布板(4)在 废水净化阴极反应区(13)底部，富集金属后的生物质导电炭在重力作用下聚集在倾斜式 分布板(4)下游处的聚集区(17)。
4、根据权利要求1所述的处理低浓度金属废水的生物质导电炭双流化床电极反应器， 其特征在于：所述的金属回收反应床床体的底板为倾斜式布风板(32)，倾斜式布风板(32) 在金属回收阴极反应区(39)的回收金属出口处形成金属颗粒长大后在倾斜式分布板下游 处的聚集区(33)
5、根据权利要求1所述的处理低浓度金属废水的生物质导电炭双流化床电极反应器， 其特征在于：所述的生物质导电炭的电阻率为0.01～0.5Ω·cm，比表面积为400～900 m2/g，孔隙率为0.13~0.18，密度为1.5~2.0。
说明书
一种处理低浓度金属废水的生物质导电炭双流化床电极反应器
技术领域：
本发明涉及一种处理低浓度金属废水的生物质导电炭双流化床电极装置和高效回收 金属的方法，特别适合处理金属离子含量低、金属回收价值高的工业废水。本发明属于流 化床电极电化学处理工业废水的技术领域。
背景技术：
我国制造业发达，工业废水的排放量居全球之首。工业废水(如冶金、电镀、贵金属 加工、印染、制革等工业废水)中通常含有大量的金属离子，如金、银、铜、铅、镉、铬、 锌等。虽然这些金属离子在废水中的浓度很低，但由于其对环境和人类危害极大，在排放 前必须进行严格的净化处理，而且这些金属离子的回收价值很高，非常有必要开发新型高 效的无害化与资源化回收装置和方法。
目前，工业废水处理方法主要可以分为四大类：物理法、化学法、生物法和物理化学 法。物理法主要包括悬浮态污染物质分离(如除去油脂)、蒸发浓缩等，这些方法一般只 是作为其他处理方法中的一个环节。化学法是当前应用最广泛的方法，它主要是通过向废 水中加入相应的化学药剂，通过化学反应将污染物变成无害或低毒性的物质(如加入次氯 酸钠氧化氰离子、加入硫酸亚铁将六价铬还原成毒性较小的三价铬等)，或者将其变为容 易与污水分离的物质后采用物理方法去除(如加入碳酸钠将铜、镉、铬、铅等重金属沉淀 后分离)。这种方法操作简单、设备投资费用低、对高浓度金属离子的去除效果较为稳定， 但是当金属离子浓度降低到一定程度后，进一步去除的效果非常有限，另外，该方法还存 在严重的二次污染问题(如产生大量有毒有害污泥、可能会引入新的污染物等)，资源化 效果差，难以满足日益严格的排放要求。生物法是利用微生物的生命活动过程，将废水中 的污染物进行转移或转化，如用脱色杆菌厌氧处理含铬废水、用假单孢菌加活性污泥处理 含铬废水等，但是该方法仅限于单一菌株处理单一污染物，而且受其他污染物干扰很大， 净化效果非常不稳定。物理化学法是通过物理和化学的综合作用使废水得到净化的方法， 如离子交换法、活性炭吸附法、电化学法等。
离子交换法是将交换树脂中的离子与废水中的重金属离子进行交换，达到净化污水的 目的，其缺点是仅对某些特定的阴阳离子有较好的净化效果，且特别容易被污水中的其他 污染物污染，，加上交换树脂价格高，再生运行成本高，大规模推广难度较大。
活性碳吸附法主要是利用活性碳发达的微孔捕集、吸附污染物(包括重金属离子、固 体微粒、有机物等)，其缺点是对于污染物的脱除的选择性很差，难以进行资源化利用， 加上活性碳耗量大，再生效果不理想，废弃的活性碳需要作为危险废弃物处理，存在潜在 的二次污染。
电化学法不需要添加任何化学药剂，并且操作灵活、流程简单，不会产生二次污染(如 污泥、废渣等)，能够有效回收经济价值较高的金属(如金、银、铜、锌等)，故电化学 处理法又被称作清洁处理法。当前的电化学反应装置主要分为平板电极反应器和流态化电 极反应器两种。平板电极反应器的阴、阳电极为平行的成对布置的平板，该装置运行过程 中，污染物浓差极化大，电流密度小(一般最多只能达到200～300A/m3)，电流效率低(最 高只有80～85%)。流态化电极反应器是一个由隔膜将阴、阳两极隔开的化学电池，在一 个半电池内(阴极反应区)，插入馈电极，再加入导电颗粒(与拟回收的金属类型相同的金 属颗粒)，底部设置液体分布板，促使反应区内的颗粒呈流化状态，形成流态化电极。阴 极反应区内颗粒之间及与馈电极之间的碰撞频繁，促使颗粒带电;颗粒在阴极反应区内的 流态化运动大大加快液体与颗粒间的传质速率，使金属离子的浓差极化大大降低，可将电 化学反应的电流密度提高到1500～2500A/m3，将电流效率增加到95%以上，而且设备体 积大为减小。
目前的流化床电极反应器中普遍使用金属颗粒作为流化介质，其比表面积极小，对于 金属离子本身没有捕集能力，完全依靠金属离子还原成金属单质时沉积在金属表面。当金 属离子浓度很低，金属离子还原沉积的速率很慢，所以，常规的流化床电极在低浓度金属 废水的处理方面能力非常有限。
发明内容
本发明所解决的主要技术是针对上述现有技术的不足，提供一种提高低浓度的金属离 子废水的净化效果，同时提高废水回收金属纯度的生物质导电炭双流化床电极反应器。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种生物质导电炭双流化床电极反应器，包括废水净化反应床和金属回收反应床，所 述的废水净化反应床包括净化反应床床体、废水联箱、流化分布管以及第一直流电转换器， 在所述的净化反应床床体上内设置有第一绝缘渗透隔膜，所述的净化反应床床体被所述的 第一绝缘渗透隔膜分为废水净化阳极反应区和废水净化阴极反应区，在废水净化阳极反应 区内设置有阳极以及废水净化阳极区出口，在废水净化阴极反应区内设置有阴极馈电极、 生物质导电炭颗粒和废水净化阴极区出口，所述的阳极与第一直流电转换器的正极连接， 所述的阴极与直流电转换器的负极连接，在所述的净化反应床床体上还设置有流化分布管 入口、生物质导电炭颗粒入口、富集金属后生物质导电炭出口，所述的流化分布管与所述 的流化分布管入口链接;所述的金属回收反应床包括：金属回收反应床床体、风室联箱、 流化风管以及第二直流电转换器，在所述的金属回收反应床床体上内设置有第二绝缘渗透 隔膜，所述的金属回收反应床床体被所述的第二绝缘渗透隔膜分为金属回收阳极反应区和 金属回收阴极反应区，在所述的金属回收阳极反应区内设置有阳极馈电极、阳极反应区气 体出口、生物质导电炭回收口以及富集金属后流化介质入口，该富集金属后流化介质入口 与所述的括废水净化反应床的富集金属后生物质导电炭出口连接，在所述的金属回收阴极 反应区上设置有阴极馈电极、回收金属出口、回收流化介质入口以及阴极反应区气体出口， 所述的阳极馈电极与第二直流电转换器的正极连接，所述的阴极馈电极与第二直流电转换 器的负极连接，在所述的金属回收反应床床体上还设置有流化风管入口，所述的流化风管 与所述的流化风管入口链接。
所述的生物质导电炭回收口与所述的生物质导电炭颗粒入口连接。
所述的净化反应床床体的底板为倾斜式分布板，倾斜式分布板在废水净化阴极反应区 的富集金属后生物质导电炭出口处形成富集金属后的生物质导电炭颗粒在倾斜式分布板 下游处的聚集区。
所述的金属回收反应床床体的底板为倾斜式布风板，倾斜式布风板在金属回收阴极反 应区的回收金属出口处形成金属颗粒长大后在倾斜式分布板下游处的聚集区。
所述的生物质导电炭的电阻率为0.01～0.5Ω·cm，比表面积为400～900m2/g，孔 隙率为0.13~0.18，密度为1.5~2.0。
本发明采用专利申请《一种生物质导电炭的制取方法(200810023948.3)》中所述的 生物质导电炭作为喷动流化床电极的流化介质，该导电炭具有很好的导电性能(其电阻率 仅为0.01～0.5Ω·cm)、很大比表面积(400～900m2/g)和孔隙率(0.13~0.18)，而且 导电炭密度适中(1.5~2.0)，来源广泛且制备成本低(仅1000～2000元/吨)，是非常理 想的流化介质材料，表1是金属铜、活性碳和生物质导电炭的特性比较。
表1金属铜、活性碳及导电炭的特性比较
项目 铜 活性碳 生物质导电炭 电阻率，Ω·cm 1.7×10-6 1~10×103 0.01~5 比表面积， m2/g 4~8×10-3 500~~2000 300～500 密度，t/m3 ~8.9 1.9~2.7 2~3 价格元/吨 35000～60000 300～700 200～400
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
(1)、采用生物质导电炭代替传统的金属颗粒或者活性碳，且同时具有金属和活性碳 的优点，一方面导电性能良好，用其作为导电介质形成的流化床电极反应器电流密度高; 另一方面，导电炭的比表面积大，具有很强的吸附能力，可以先吸附金属离子后再将其进 行还原，大大提高电流效率，对于低浓度的含金属离子废水尤其有效。
(2)、本发明还采用了双流化床电极技术(包含废水净化流化床电极和金属回收流化 床电极)，废水净化流化床电极中将低浓度的金属富集在生物质导电炭中，由于金属密度 远大于导电炭，当生物质导电炭中吸附的金属质量达到一定程度时会主要沉积在净化流化 床电极的底部，通过螺旋输送机送入金属回收流化床电极内。在金属回收流化床电极内， 金属会在阳极的作用下进行电化学反应而溶解在溶液中，通过阴极反应而被再次还原，从 而回收。相对与普通的流化床电极来说，一方面将将低浓度的金属离子进行浓缩后，浓度 大大提高，采用金属颗粒作为阴极的流化介质可以大大提高电流效率，并利于回收利用; 另一方面，在废水净化流化床电极中，通过电极电压的控制，对需要回收的高价值的金属 进行了初步的有选择性的筛选和精炼，使得在金属回收流化床电极内的金属纯度很高，从 而提高回收金属产品的品位。直接利用现有的金属颗粒作为阴极的话，回收金属的纯度只 有60～70%，而采用本技术，回收金属的纯度达到90%以上。
(3)、此外，本发明中涉及的生物质导电炭的材料易得，价格便宜(200～400元/吨)， 而且硬度小，对隔膜的磨损小，同时具有良好的导电性能和吸附能力，是非常理想的流化 床电极的床料。