申请日2018.03.16
公开(公告)日2018.09.28
IPC分类号C02F1/461; C02F1/467; C02F101/34; C02F101/36; C02F101/38
摘要
本发明公开了一种过滤式电化学反应器和水处理装置以及水处理方法，所述过滤式电化学反应器包括从内到外依次嵌套的布水管、多层管状多孔电极、管状反应器壁，所述管状多孔电极和管状反应器壁的两端开口采用密封结构封装，所述布水管穿过所述密封结构，所述布水管设有进水口，最外层的所述管状多孔电极与管状反应器壁组成的腔体设有出水口;所述布水管和管状反应器壁采用导电材料制成，所述布水管和管状反应器壁设置为阴极;多层所述管状多孔电极从内到外交替设置为阳极和阴极;所述管状多孔电极的孔隙率大于等于45%。有机废水经过管状多孔电极后，一步实现过滤和电化学氧化降解污染物，污水净化时间短、效率高;而且，多孔电极能够提高水流紊动，提高电化学氧化反应效率，使得本发明的过滤式电化学反应器具有电化学氧化效率高、能耗低的特点。
权利要求书
1.一种过滤式电化学反应器，其特征在于，包括从内到外依次嵌套的布水管(3)、多层管状多孔电极(2)、管状反应器壁(1)，所述管状多孔电极(2)和管状反应器壁(1)的两端开口采用密封结构(4)封装，所述布水管(3)穿过所述密封结构(4)，所述布水管(3)设有进水口，最外层的所述管状多孔电极(2)与管状反应器壁(1)组成的腔体设有出水口(5);
所述布水管(3)和管状反应器壁(1)采用导电材料制成，所述布水管(3)和管状反应器壁(1)设置为阴极;多层所述管状多孔电极(2)从内到外交替设置为阳极和阴极;所述管状多孔电极(2)的孔隙率大于等于45%。
2.根据权利要求1所述的过滤式电化学反应器，其特征在于，所述管状多孔电极(2)的孔隙率为45%~80%。
3.根据权利要求2所述的过滤式电化学反应器，其特征在于，所述管状多孔电极(2)的孔隙率为45%~60%。
4.根据权利要求1所述的过滤式电化学反应器，其特征在于，所述管状多孔电极(2)的过滤精度从内到外依次提高。
5.根据权利要求1或4所述的过滤式电化学反应器，其特征在于，所述管状多孔电极(2)的过滤精度为0.02~100μm。
6.一种电化学水处理装置，其特征在于，包括权利要求1~5任一项所述的过滤式电化学反应器(7)、直流电源(8)、增压泵(11)。
7.一种电化学水处理方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1. 在有机废水中添加支持电解质;
S2. 将权利要求1~5任一项所述的过滤式电化学反应器(7)接通直流电源，将S1.的有机废水通入所述布水管(3)，有机废水经处理后从所述出水口(5)流出。
说明书
一种过滤式电化学反应器和水处理装置以及水处理方法
技术领域
本发明涉及污水处理技术领域，更具体地，涉及一种过滤式电化学反应器和水处理装置以及水处理方法。
背景技术
随着我国经济的快速发展，进入水环境中的有机污染物的种类和数量不断增加，有机废物造成的水环境污染问题日益严重。例如，卤代有机物(例如，氯仿、全氟化合物等)常作为溶剂、表面活性剂等在人类生产和生活中广泛使用，近年来其在各种环境介质中不断被检测到。多数卤代有机物在环境中具有强滞留性、难降解性和高毒性，已有研究证明，长时间接触低剂量的卤代有机物也会对水生生物造成长期伤害。因此，探索难降解有机废水的高效处理技术是近年来环境领域研究的热点之一。
近年来，电化学氧化在有机废水治理中已有广泛研究，其机理主要是利用高效阳极来直接氧化有机物，或者利用电极表面生成的活性氧物种(如、HO∙、O2‾)来间接氧化有机物。电化学氧化技术无需添加氧化剂，具有反应条件温和、设备简单、使用方便等优点，已成为环境领域处理毒害有机物的有效手段之一。
但是现有电氧化反应体系效率低，这主要是由于电极有效利用效率低和污染物与电极的传质速率慢所致，这使得水处理成本大大提高，阻碍了该技术大规模使用。电化学氧化技术在实际中应用的关键是提高电化学氧化效率、节约能耗。目前，现有针对提高电化学氧化效率的国内专利主要是对电极材料进行改性，例如硼掺杂金刚石电极、稀土掺杂氧化物电极、钛基掺聚偏二氟乙烯二氧化铅阳极，这些电极多数制备复杂、成本高、难以在实际废水的治理中应用。虽然也有专利报道对电化学装置进行改进，但只是改变反应装置形态以强化水流紊动、或者简单组装电絮凝/电气浮和电氧化连用设备，从而强化其装置对污染物的去处效果，其操作步骤复杂，效率低。
现有的电化学反应器及水处理装置存在电化学氧化效率低、能耗高的问题，急需设计出电化学氧化效率更高、能耗更低的电化学反应器及水处理装置。
发明内容
本发明为克服上述现有技术所述的缺陷，提供一种过滤式电化学反应器，能够同时进行多级过滤和电化学氧化去除有机污染物。
本发明的另一目的在于提供一种电化学水处理装置。
本发明的还一目的在于提供一种电化学水处理方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种过滤式电化学反应器，包括从内到外依次嵌套的布水管、多层管状多孔电极、管状反应器壁，所述管状多孔电极和管状反应器壁的两端开口采用密封结构封装，所述布水管穿过所述密封结构，所述布水管设有进水口，最外层的所述管状多孔电极与管状反应器壁组成的腔体设有出水口;
所述布水管和管状反应器壁采用导电材料制成，所述布水管和管状反应器壁设置为阴极;多层所述管状多孔电极从内到外交替设置为阳极和阴极;所述管状多孔电极的孔隙率大于等于45%。
在过滤式电化学反应器中，管状多孔电极既具有电化学氧化单元的作用，也具有过滤单元的作用，将电化学氧化单元和过滤单元有机地结合在一起，废水经过管状多孔电极后，一步实现过滤和电化学氧化降解污染物，污水净化时间短、效率高;而且，利用增压泵，多孔电极能够提高水流紊动，降低电化学氧化边层厚度，强化传质效率，提高电化学氧化反应效率，使得本发明的过滤式电化学反应器具有电化学氧化效率高、能耗低的特点。
另外，上述过滤式电化学反应器操作方便、绿色安全，不需要曝气和添加化学试剂即可实现污水的连续动态处理。
在过滤式电化学反应器中，管状多孔电极的孔隙率需大于等于45%，孔隙率越低，通过多孔电极所需要的压力就越高，若孔隙率低于45%，当水通过时会致使电化学反应器中压力急剧增大，长时间使用后容易导致电化学反应器的密封结构破裂。
优选地，所述管状多孔电极的孔隙率为45%~80%。
当废水流过电极表面时，孔隙率越高，废水越容易通过，有机物与电极接触的时间就越少，相应的污水处理的时间就越短，因此优选的选择管状多孔电极的孔隙率为45%~80%。
更优选地，所述管状多孔电极的孔隙率为45%~60%。
优选地，所述管状多孔电极的过滤精度从内到外依次提高。
有机废水从布水管的进水口进入，从内到外依次经过布水管、多层管状多孔电极，通过多层管状多孔电极逐级过滤，实现电化学氧化去除有机污染物的同时实现多级过滤。
优选地，所述管状多孔电极的过滤精度为0.02~100μm。
有机废水在逐级过滤中，过滤精度越高，废水通过多孔电极所需的压力就越高，当反应器的过滤精度小于0.02 μm时，反应器内压力急剧增大，不利于反应器的长时间使用;当过滤精度大于100 μm时，会致使废水中的有机物很容易穿过多孔电极，大大降低过滤和电氧化效果。
优选地，所述过滤式电化学反应器包括三层管状多孔电极，从内到外依次为第一管状多孔电极、第二管状多孔电极、第三管状多孔电极。第一管状多孔电极和第三管状多孔电极为阳极，第二管状多孔电极为阴极。
优选地，设置为阳极的所述管状多孔电极采用具备高析氧电位的钛基氧化物电极或导电陶瓷电极。采用具备高析氧电位的钛基氧化物电极或导电陶瓷电极，能够抑制析氧副反应的发生和提高电化学氧化效率。
优选地，所述钛基氧化物电极包括钛基锡锑氧化物电极、钛基二氧化铅电极、钛基二氧化铱电极。
优选地，设置为阴极的所述管状多孔电极采用所述导电材料制成。
优选地，设置为阴极的电极数量比设置为阳极的电极数量多1个。阴极的数量比阳极多一个，能够提高阳极利用率。
优选地，所述布水管的位于所述过滤式电化学反应器内部的部分设有通孔。
优选地，所述通孔的孔径为0.5~2.0mm。
优选地，所述导电材料包括不锈钢、铜、钛。不锈钢、铜、钛的导电性良好，适于制备电化学反应器的阴极。设置为阴极的布水管、管状多孔电极和管状反应器壁均可以采用不锈钢、铜、钛制成的不锈钢管、铜管、钛管。
优选地，所述密封结构为有机玻璃法兰。
所述管状反应器壁和所述管状多孔电极的两端开口均采用有机玻璃法兰封装。所述有机玻璃法兰通过螺栓锁紧。
优选地，与所述布水管相邻的所述管状多孔电极与所述布水管的距离为0.5~2.5cm。
优选地，所述管状多孔电极之间的距离为0.5~2.5cm。
优选地，与所述管状反应器壁相邻的所述管状多孔电极与所述管状反应器壁的距离为0.5~2.5cm。
一种电化学水处理装置，包括直流电源、增压泵、上述过滤式电化学反应器。直流电源向过滤式电化学反应器供电。增压泵能够为进入所述电化学水处理装置的有机废水提供动力，配合管状多孔电极，能够进一步提高水流紊动，降低电化学氧化边界层厚度，强化传质效率，提高电化学氧化反应效率。
优选地，所述电化学水处理装置还包括进水管，所述进水管与所述布水管连接。
优选地，所述电化学水处理装置还包括出水管，所述出水管与所述过滤式电化学反应器的出水口连接。
优选地，所述电化学水处理装置还包括流量计，所述流量计与所述进水管或出水管连接。
优选地，所述电化学水处理装置还包括进水压力表，所述进水压力表设置于所述增压泵与所述过滤式电化学反应器之间的管路中。
优选地，所述电化学水处理装置还包括出水压力表，所述出水压力表与所述出水管连接。
优选地，所述电化学水处理装置还包括进水槽，所述进水槽与所述进水管连接。
优选地，所述电化学水处理装置，包括上述过滤式电化学反应器、直流电源、进水槽、增压泵、流量计、进水压力表和出水压力表，所述进水槽的出水口、增压泵、流量计、进水压力表、过滤式电化学反应器的进水口依次通过管道连接，所述过滤式电化学反应器的出水口、出水压力表、进水槽的进水口依次通过管道连接。
一种电化学水处理方法，包括如下步骤：
S1. 在有机废水中添加支持电解质;
S2. 将上述过滤式电化学反应器接通直流电源，过滤式电化学反应器的进水与出水的压强差为0.4~10.5MPa，将S1.的有机废水通入所述布水管，有机废水经处理后从所述出水口流出。
压强差与管状多孔电极孔隙率和过滤精度有密切相关，用管子连接后，反应器是一个相对密封的装置，过小的压力使水扩散慢，传质差，不利于降解;过大的压力说明反应器内压力过高，不利于长时间使用。
优选地，所述支持电解质为NaClO4、NaCl、NaNO3或Na2SO4。
优选地，所述支持电解质的浓度为10~80 mM。
优选地，电流密度为2~30mA/cm2。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明的过滤式电化学反应器中，管状多孔电极既具有电化学氧化单元的作用，也具有过滤单元的作用，将电化学氧化单元和过滤单元有机地结合在一起，废水经过管状多孔电极后，一步实现过滤和电化学氧化降解污染物，污水净化时间短、效率高;而且，多孔电极能够提高水流紊动，降低电化学氧化边层厚度，强化传质效率，提高电化学氧化反应效率，使得本发明的过滤式电化学反应器具有电化学氧化效率高、能耗低的特点。
而且，本发明的过滤式电化学反应器操作方便、绿色安全，不需要曝气和添加化学试剂即可实现污水的连续动态处理。