申请日2009.01.15
公开(公告)日2009.12.09
IPC分类号C02F1/72
摘要
易于生化处理，且处理效果好的用现场发生的芬顿试剂进行水处理的装置，设有依次相连的调节池(1)、混合器(2)、反应器(3)和固液分离器(4)，设有与所述混合器相连的过氧化氢现场发生器(5)和铁离子现场发生器(6)。本实用新型适合难以生化处理的废水的净化处理。
权利要求书
1、用现场发生的芬顿试剂进行水处理的装置，其特征是设有依次相连的调节池(1)、混合器(2)、反应器(3)和固液分离器(4)，设有与所述混合器相连的过氧化氢现场发生器(5)和铁离子现场发生器(6)。
2、如权利要求1所述的装置，其特征是所述过氧化氢现场发生器(5)由电解槽(51)、阴极液贮槽(52)、阳极液贮槽(53)、直流电源(54)和含氧气体发生器(55)组成;所述电解槽(51)由气室(511)、阴极室(513)和内置阳极(516)的阳极室(515)组成，气室(511)和阴极室(513)之间隔置有气体扩散阴极(512)，阴极室(513)和阳极室(515)之间隔置有隔膜(514);所述阳极液贮槽(53)经泵(57)与阳极室(515)的下接口相连，阳极室(515)的上接口与阳极液贮槽(53)相连;阴极液贮槽(52)经泵(56)与阴极室(513)的下接口相连，阴极室(513)的上接口与所述混合器(2)相连;含氧气体发生器(55)的出气口与气室(511)的上接口相连;直流电源(54)的正极与电解槽(51)的阳极(516)电连接，直流电源(54)的负极与电解槽(51)的气体扩散阴极(512)电连接。
3、如权利要求1所述的装置，其特征是所述的铁离子现场发生器(6)为化学法的或电化学法的铁离子现场发生器;
所述化学法的铁离子现场发生器由液体贮槽(64)和填充式反应器(62)组成，填充式反应器(62)内填充有含铁物料(61)，液体贮槽(64)经泵(63)与填充式反应器(62)的下接口相连，填充式反应器(62)的上接口与所述混合器(2)相连;
所述电化学法的铁离子现场发生器由内置阴极(601)和铁阳极(606)的电解槽(602)、酸液贮槽(604)和直流电源(605)组成，酸液贮槽(604)经泵(603)与电解槽(602)的下接口相连，电解槽(602)的上接口与混合器(2)连接;直流电源(605)的正极与电解槽(602)的铁阳极(606)电连接，直流电源(605)的负极与电解槽(602)的阴极(601)电连接。
4、如权利要求2所述的装置，其特征是所述的阳极(516)是镍、铁、不锈钢、铂、钌钛、钌铱钛、钛载铂、石墨中的至少一种;所述的隔膜(514)是陶瓷隔膜、聚合物纤维隔膜、玻璃纤维隔膜、离子交换膜中的至少一种;所述的碳是石墨、乙炔黑、碳黑、活性炭中的至少一种。
5、如权利要求3所述的装置，其特征是所述含铁物料(61)是铁、碳素钢、合金钢、铁矿石、硫酸亚铁、氧化亚铁、氧化铁中的至少一种，所述的含铁物料(61)的形状是板、粒、屑、块、杆、丝、网中的至少一种。
6、如权利要求3所述的装置，其特征是所述铁阳极(606)是铁、碳素钢、合金钢中的至少一种，所述铁阳极(606)的形状是板、粒、屑、块、杆、丝、网中的至少一种。
7、如权利要求1所述的装置，其特征是所述混合器(2)是机械搅拌混合器、水力混合池、管道静态混合器、水泵混合器中的至少一种。
8、如权利要求1所述的装置，其特征是所述反应器(3)是隔板反应池、涡流反应池、机械反应池、折板反应池中的至少一种。
9、如权利要求1所述的装置，其特征是所述固液分离器(4)是沉降池、滤池、压力滤罐、微滤机、板框压滤机中的至少一种。
说明书
用现场发生的芬顿试剂进行水处理的装置
技术领域
本实用新型涉及一种水处理的装置，具体地说涉及一种用现场发生的芬顿试剂进行水处理的装置，属于环境保护领域。
背景技术
当前，在现有的废水处理装置中，对于易生化处理的废水用生化处理装置是成本最低、效果最好的一种装置。然而，有很多废水其生化性是达不到生化处理的要求的，比如印染废水、焦化废水、含酚废水、制药废水、垃圾渗沥液等，这些含高浓度难降解有机物的废水中含有抑制微生物生长，甚至对微生物有毒有害的成分，微生物在这样的环境下基本无法生存，也就是无法用生化装置来处理这样的废水。对于这样的废水，采用新兴的“高级氧化技术”及其装置取得了不错的效果，并于最近得到了非常迅猛的发展，深受环保工作者的重视。
“高级氧化技术”是通过化学或者物理化学的方法将水体中的污染物直接氧化成无机物，或将其转化为低毒的易生物降解的中间产物。随着制药及精细化工工业的迅猛发展，一些高浓度难降解有毒有害有机废水的处理一直是困扰着环保科技工作者的难题。因此，采用“高级氧化技术”及其装置解决这些水污染问题已成为当今国内外水处理研究领域的热点课题。
水处理的“高级氧化技术”包括化学氧化、湿式(催化)氧化、光化学(催化)氧化等。“高级氧化技术”的一个典型特征就是在水处理过程中产生了羟基自由基(OH·)。OH·是一种很强的氧化剂，在酸性溶液中(pH=0)的标准电势为在碱性溶液(pH=14)中为就是连因具有极强氧化性能而为人所熟知的臭氧在酸性溶液中的标准电势也仅为在碱性溶液中为所以，OH·甚至有比臭氧更强的氧化性，也就是说，它比臭氧更易于与有机物发生反应，这对于破坏水体中的有机污染物分子，使其降解并最后矿化成二氧化碳和水是非常有利的，换言之，在水处理方面它比臭氧有更好的处理能力与性能。
OH·是一种非常强有力的氧化试剂，它可以以氢取代反应的方式(1)、氧化还原反应的方式(2)，或者π键上亲电加成反应的方式(3)去氧化有机物分子。
RH+OH·→R·+H2O (1)
RX+OH·→RX+·+OH- (2)
这些反应的结果都生成了有机自由基，如果反应体系中有溶解氧的话，分子氧就可以加成到有机分子上去，成为过氧基团(方程4和5)，过氧基团可引起碳链断裂降解的链式反应，最终导致降解成二氧化碳和水。
R·+O2→RO2· (4)
也就是说，OH·既可以降解芳香族化合物，也可以降解脂肪族化合物，这种方法降解能力很强，而且不会给环境遗留新的问题。现在，问题的关键是如何找到一种即廉价方便，又能得到足够量的OH·的装置用于水处理。
在这些“高级氧化技术”中，从所需的装置角度来看，湿式(催化)氧化需在高温(150～350℃)高压(0.5～20MPa)下进行，操作条件苛刻，对设备要求高。光化学(催化)氧化必须在水体中配置相当数量的紫外光源，设备要求高，由于目前紫外光灯的光密度低，难以处理大量的废水。由于受到装置的限制，这些技术并在实际生产中得到应用。化学氧化由于反应条件温和，对设备要求不高，反应速度快而得到青睐。依据氧化剂不同，化学氧化法可分为臭氧氧化、二氧化氯氧化、高锰酸钾氧化及芬顿试剂(Fenton’sreagent)氧化等。在这些氧化剂中，芬顿试剂的氧化性最强，处理效果最好，因此受到最大的关注，对芬顿试剂及其装置在水处理中的应用研究也最为热门。
芬顿试剂就是过氧化氢和Fe2+的组合，过氧化氢在Fe2+的催化作用下产生OH·，这个反应称作为芬顿反应：
H2O2+Fe2+→Fe3++OH-+OH· (6)
因此，芬顿试剂氧化法(简称芬顿氧化法或芬顿法)的实质就是过氧化氢和Fe2+，即芬顿试剂，通过芬顿反应产生了OH·，利用OH·的强氧化性来氧化降解水体中的有机污染物或还原性的有毒无机物。显然，在这些“高级氧化技术”中，芬顿试剂通过反应式(6)得到OH·从装置上讲是一种最方便也最有应用前景的方法。
实际上，芬顿氧化法用以降解难氧化废水已经在环境保护领域得到广泛应用，如刘发强等的中国专利ZL 96110517.8就用该方法处理高浓度难氧化有机废水。但是，市售的过氧化氢和硫酸亚铁因价格较高，直接用于水处理的成本太高而无法得到推广应用。另一方面，众所周知，过氧化氢是一种不稳定的氧化剂，与有机物或还原剂接触都有爆炸的隐患，其运输和贮存都是一个严重的问题。同样地，硫酸亚铁也是一个不稳定的化合物，在空气中会被氧化成硫酸铁而失去催化作用。
为了解决芬顿试剂的运输和贮存难题，并降低处理成本，一种现场发生芬顿试剂的技术及其装置应运而生。该技术及其装置是在待处理水中用电化学的方法直接生成过氧化氢和Fe2+离子，称之为电-芬顿氧化法或电-芬顿法。具体的做法是将待处理的水加入一定量的硫酸钠或氧化钠作为导电盐，以提高水的电导率，并调节水的pH值在3.0左右，然后将调节pH值之后的水通入一内置铁阳极和石墨阴极的电解槽内，并在阴极附近通入空气，当在阴阳极上通入直流电后，阳极发生铁溶出反应得到Fe2+：
Fe→Fe2++2e (7)
同时，空气中的氧在阴极发生两电子还原反应得到过氧化氢：
O2+2H++2e→H2O2 (8)
于是，现场发生的H2O2和Fe2+通过芬顿反应产生了OH·，用于直接氧化降解一些顽固性有机物，如2，4-D(2，4-二氯苯乙酸)、苯胺、氯代苯胺、有机染料及其他芳香族化合物等。这些在实验室中都取得了非常好的效果，但在实际工业化应用中都遇到了不可克服的障碍。主要表现在三个方面：首先，过氧化氢是从待处理水中的溶解氧经两电子还原得到的，在大气压力下，水中与空气相平衡的溶解氧浓度大约只有10-4mol/L的数量级，即使在剧烈通气搅拌的实验条件下，电流密度也必须<10m A/cm2，产生过氧化氢和Fe2+的速度非常慢，效率也极低;其次，在电化学反应器中过氧化氢和Fe2+一生成就立即通过芬顿反应产生了OH·，该OH·必须马上与有机污染物反应，否则，OH·在很短的时间内就会被其他物质还原掉，这就要求待处理水直接通过电化学反应器。但是，如果待处理水直接从电化学反应器流过，待处理水中所含的成分复杂的有机物和无机物必然会污染电极，使电化学反应器很难长期保持稳定的工作;最后，由于实际待处理的水成分复杂且波动大，无法保持一个稳定的电化学体系，也就无法保证OH·的产生量能够保持稳定，使水处理的效果很不稳定，这对于实际生产是十分不利的。
综上所述，现有的电-芬顿装置都无法在实际生产中得到应用。
发明内容
本实用新型要解决现有的电-芬顿装置都是在水处理系统内经电化学方法现场得到过氧化氢和Fe2+，存在工作电流密度小、效率低、电极易污染且OH·产生量不稳定的问题。为此提供本实用新型的一种用现场发生的芬顿试剂进行水处理的装置。该装置不但可以高效率且快速地发生过氧化氢和Fe2+，而且过氧化氢和Fe2+的发生量稳定且可控，能够产生稳定的OH·，更重要的是电极不会受污染，可以长期稳定地工作，解决了现有电-芬顿装置无法在实际中应用的难题。
为解决上述问题，本实用新型提供的技术方案其特殊之处是设有依次相连的调节池、混合器、反应器和固液分离器，设有与所述混合器相连的过氧化氢现场发生器和铁离子现场发生器。
所述过氧化氢现场发生器由电解槽、阴极液贮槽、阳极液贮槽、直流电源和含氧气体发生器组成;所述电解槽由气室、阴极室和内置阳极的阳极室组成，气室和阴极室之间隔置有气体扩散阴极，阴极室和阳极室之间隔置有隔膜;所述阳极液贮槽经泵与阳极室的下接口相连，阳极室的上接口与阳极液贮槽相连;阴极液贮槽经泵与阴极室的下接口相连，阴极室的上接口与所述混合器相连;含氧气体发生器的出气口与气室的上接口相连;直流电源的正极与电解槽的阳极电连接，直流电源的负极与电解槽的阴极电连接。
所述的铁离子现场发生器可以是化学法的或电化学法的铁离子现场发生器;
所述化学法的铁离子现场发生器由液体贮槽和填充式反应器组成，填充式反应器内填充有含铁物料，液体贮槽经泵与填充式反应器的下接口相连，填充式反应器的上接口与所述混合器相连;
所述电化学当的铁离子现场发生器由内置阴极和铁阳极的电解槽、酸液贮槽和直流电源组成，酸液贮槽经泵与电解槽的下接口相连，电解槽的上接口与混合器连接;直流电源的正极与电解槽的铁阳极电连接，直流电源的负极与电解槽的阴极电连接。
所述的阳极是镍、铁、不锈钢、铂、钌钛、钌铱钛、钛载铂、石墨中的至少一种;所述的隔膜是陶瓷隔膜、聚合物纤维隔膜、玻璃纤维隔膜、离子交换膜中的至少一种;所述的碳是石墨、乙炔黑、碳黑、活性炭中的至少一种。
所述含铁物料是铁、碳素钢、合金钢、铁矿石、硫酸亚铁、氧化亚铁、氧化铁中的至少一种，所述的含铁物料的形状是板、粒、屑、块、杆、丝、网中的至少一种。
所述铁阳极是铁、碳素钢、合金钢中的至少一种，所述铁阳极的形状是板、粒、屑、块、杆、丝、网中的至少一种。
所述混合器是机械搅拌混合器、水力混合池、管道静态混合器、水泵混合器中的至少一种。
所述反应器是隔板反应池、涡流反应池、机械反应池、折板反应池中的至少一种。
所述固液分离器是沉降池、滤池、压力滤罐、微滤机、板框压滤机中的至少一种。