申请日2018.03.09
公开(公告)日2018.07.06
IPC分类号C02F1/72; C02F1/461; C02F1/32; C02F101/38
摘要
本发明公开了一种光电‑Fenton偶氮染料废水处理反应器及使用方法，属于污水处理领域。所述反应器包括电解槽、光反应槽和水泵;所述的电解槽包括液路进出模块、阳极、液室模块、阴极、气室模块以及电源;液路进出模块、液室模块和气室模块依次连接;液路进出模块和液室模块具有第一共用面，所述阳极嵌入至第一共用面中;所述的液路进出模块设有废水流入液室模块的管路，液室模块中设有废水流回液路进出模块的管路;液室模块和气室模块具有第二共用面，所述阴极嵌入至第二共用面中，所述气室模块的气体能够通过阴极渗入液室模块，该装置能够高效产生过氧化氢气体，高效去除废水中偶氮染料，无生物毒性物质残留，且整个装置构造简单，利于推广。
权利要求书
1.一种光电-Fenton偶氮染料废水处理反应器，其特征在于：包括电解槽、光反应槽(12)和水泵;所述的电解槽与光反应槽(12)相连通;光反应槽(12)中的废水通过水泵进入电解槽，所述电解槽中的废水能够流回光反应槽(12)，形成循环回路。
2.根据权利要求书1所述的光电-Fenton偶氮染料废水处理反应器，其特征在于：所述的电解槽包括气室模块(4)、阴极(5)、液室模块(6)、阳极(7)、液路进出模块(8)、电源(11);所述的气室模块(4)、液室模块(6)和液路进出模块(8)依次连接;液路进出模块(8)和液室模块(6)具有第一共用面(17)，阳极(7)嵌入至第一共用面(17);液室模块(6)和气室模块(4)具有第二共用面(18)，阴极(5)嵌入至第二共用面(18)，所述的液路进出模块(8)设有废水流入液室模块(6)的管路，液室模块(6)中设有废水流回液路进出模块(8)的管路;所述气室模块(4)的气体通过阴极(5)渗入液室模块(6);废水通过水泵进入液路进出模块(8)，再通过液路进出模块(8)流回光反应槽(12)。
3.根据权利要求书2所述的光电-Fenton偶氮染料废水处理反应器，其特征在于：所述的气室模块(4)包括气泵(15)、第一气室模块(401)、第二气室模块(402)，所述的第二气室模块(402)位于第一气室模块(401)内部，所述第二气室模块(402)为第一气室模块(401)等比例缩小的结构;所述的气泵(15)将空气(404)泵入气室模块(4)。
4.根据权利要求书2或3所述的光电-Fenton偶氮染料废水处理反应器，其特征在于：所述的液室模块(6)包括第一液室模块(601)、第二液室模块(602)，所述的第二液室模块(602)位于第一液室模块(601)内部，所述第二液室模块(602)为第一液室模块(601)等比例缩小的结构;所述的第二液室模块(602)内设置竖直隔板(606)和水平隔板(605)。
5.根据权利要求书4所述的光电-Fenton偶氮染料废水处理反应器，其特征在于：所述的第一共用面(17)为内部中空的第一橡胶垫板(2);所述的阳极(7)密封嵌入至第一橡胶垫板(2)的中空结构。
6.根据权利要求书2或5所述的光电-Fenton偶氮染料废水处理反应器，其特征在于：所述的第二共用面(18)为内部中空的第二橡胶垫板(19);所述的阴极(5)密封嵌入至第二橡胶垫板(19)的中空结构。
7.根据权利要求书2或3所述的光电-Fenton偶氮染料废水处理反应器，其特征在于：所述的阴极(5)为黑炭-聚四氟乙烯电极，所述的阳极(7)为铂电极，所述的阴极(5)和阳极(7)间距为0.8～2.0cm。
8.根据权利要求书7所述的光电-Fenton偶氮染料废水处理反应器，其特征在于：所述的电解槽还包括位于最外两侧的第一固定钢板(1)、第二固定钢板(10)，所述的第一固定钢板(1)、第二固定钢板(10)用于固定电解槽。
9.根据权利要求书4所述的光电-Fenton偶氮染料废水处理反应器，其特征在于：所述的光反应槽(12)包括内部含有光源的中空石英管(13)和搅拌器(14);所述中空石英管(13)内部的光源为低压汞灯、中高压汞灯和无电极灯中的任意一种。
10.根据权利要求书2所述的光电-Fenton偶氮染料废水处理反应器的使用方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)调节偶氮染料废水pH至酸性，将废水 倒入光反应槽(12)，然后加入FeSO4及Na2SO4;
2)打开水泵，设置水泵流速为0.5～3.0L/min;
3)待液室模块(6)充满Na2SO4溶液后开起电源(11)，设置电流密度为10～80mA/cm2，同时开启光反应槽(12)装置，进行废水处理。
说明书
一种光电-Fenton偶氮染料废水处理反应器及使用方法
技术领域
本发明属于污水处理领域，涉及一种光电-Fenton偶氮染料废水处理反应器及使用方法。
背景技术
随着染料化学工业的发展，合成染料被广泛应用于纺织、皮革、食品等行业中。合成染料中约50%以上是偶氮染料，偶氮染料在有氧条件下不易分解而长期稳定存在于环境中，在厌氧状态下易被微生物还原成更难分解的芳香胺和其它中间产物，这类还原物质及中间体对水生生物造成严重危害[1]，其中部分具有三致毒性。因此，印染废水必须得到有效的处理。
偶氮染料废水具有COD值高、色度大、耐光性、稳定性的特点，难以从水体中去除。目前，国内外偶氮染料废水的处理方法主要有物理法、化学法和生物法等。物理处理方法有电凝法、吸附法等，由于印染废水中除染料外，还含有各种辅助添加剂，这些物质性质差异较大，物理法往往适应性较差，除此之外被吸附或截留下来的污染物难以回收利用，对处理后的固体或液体还需二次处理增加费用。化学处理法包括微电解法、臭氧氧化法、Fenton法、光催化降解等。其优点是降解速度较快、有些方法能将偶氮染料彻底降解为CO2和水，无二次污染;但其缺点也较为显著，即消耗大量试剂、能量利用率低、成本较高，有些试验在小试或中试尚可，但一旦用于实际偶氮染料废水处理时效果较差;生物处理技术主要包括好氧法和厌氧法，由于偶氮废水可生化性较差，普通生物法包括厌氧工艺处理时间过长、去除效果不佳，且难以降低其毒性，甚至造成许多毒性更大的产物。
近几年，电-Fenton技术的研究和应用已成为环境科技工作者关注的热点之一。在电-Fenton体系中引入光源协同降解有机污染物，形成光电-Fenton协同技术。光电协同作用不仅可以促进Fenton反应中Fe3+向Fe2+的转化，也可原位产生H2O2，在光照作用下H2O2产生·OH的效率大大提高，增强了Fenton试剂的氧化能力;有机物在紫外光辐射下，电子吸收光能跃迁到激发态，化学键能减小，降低了发生反应所需要的活化能，从而使化学反应更容易发生。Brillas比较了4种方法(直接氧化、二氧化钛光催化、电Fenton和光电Fenton)在酸性溶液中对苯胺的降解效果。结论表明：光电Fenton法无论是降解速率还是TOC去除，均优于其他3种方法。
经检索，现有技术已经公布了相关的申请案，如中国专利申请号CN201620402157.1，公开日期为2012.12.19的申请案公开了一种处理难降解有机废水的光/电Fenton装置，所述装置包括电解槽，为一顶端敞口的反应槽，是光电Fenton装置的主体结构，反应器的阴阳极分别与直流稳压电源的正负极相连，分置于反应槽两端;反应器阴极采用ACF电极，将活性纤维布裹在金属铁板上，反应槽置于磁力搅拌器上，爆气机不断向阴极输入空气。紫外灯管插入反应槽中央，铁棒也插入反应槽中置于紫外灯管与阳极之间。
如中国专利申请号CN201620402157.1，公开日期为2016.09.21的申请案公开了一种试验用电化学反应器，该装置公开了一种试验用电化学反应器，包括电解槽、两块电极板、直流稳压电源、紫外线高压汞灯、石英管、汞灯电源和曝气系统，曝气系统包括空气压缩机、曝气头、橡胶管和转子流量计，紫外线高压汞灯设置于两块电极板之间并经导线接至汞灯电源，石英管的低端封闭且内部设置有紫外线高压汞灯，石英管设置于两块电极板之间且石英管的底部悬空，空气压缩机通过橡胶管与曝气头连接，曝气头设置于电解槽中，橡胶管上设置有转子流量计。
本发明设计和制作光电-Fenton反应器高效产生H2O2，使偶氮染料废水能完全达标排放，且无生物毒性物质残留。
发明内容
1.发明要解决的技术问题
针对于现有技术中的光电-Fenton反应器处理废水效率不高、耗能大的特点，本发明旨在提供一种高效产生H2O2、废水处理效率高、同时能减小能耗的光电-Fenton反应器。
2.技术方案
为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
本发明提供了一种光电-Fenton偶氮染料废水处理反应器，其特征在于：包括电解槽、光反应槽和水泵;所述的电解槽与光反应槽相连通;光反应槽中的废水通过水泵进入电解槽，所述电解槽中的废水能够流回光反应槽，形成循环回路。
作为本发明更进一步的改进，所述的电解槽包括气室模块、阴极、液室模块、阳极、液路进出模块、电源;所述的气室模块、液室模块和液路进出模块依次连接;液路进出模块和液室模块具有第一共用面，阳极嵌入至第一共用面;液室模块和气室模块具有第二共用面，阴极嵌入至第二共用面，所述的液路进出模块设有废水流入液室模块的管路，液室模块中设有废水流回液路进出模块的管路;所述气室模块的气体通过阴极渗入液室模块;废水通过水泵进入液路进出模块，再通过液路进出模块流回光反应槽。
作为本发明更进一步的改进，所述的气室模块包括气泵、第一气室模块、第二气室模块、气体入口，所述的第二气室模块位于第一气室模块内部，所述第二气室模块为第一气室模块等比例缩小的结构;所述的气泵将空气从气体入口泵入气室模块中的第二气室模块。
作为本发明更进一步的改进，所述的液室模块包括第一液室模块、第二液室模块、液体入口、液体出口，所述的第二液室模块位于第一液室模块内部，所述第二液室模块为第一液室模块等比例缩小的结构;所述的液体入口和液体出口设置于第二液室模块;第二液室模块内设置竖直隔板和水平隔板。
作为本发明更进一步的改进，所述的第一共用面为内部中空的第一橡胶垫板;所述的阴极密封嵌入至第一橡胶垫板的中空结构。
作为本发明更进一步的改进，所述的第二共用面为内部中空的第二橡胶垫板;所述的阳极密封嵌入至第二橡胶垫板的中空结构。
作为本发明更进一步的改进，所述的阴极为黑炭-聚四氟乙烯电极，所述的阳极为铂电极，所述的阴极5和阳极7间距为0.8～2.0cm。
作为本发明更进一步的改进，所述的电解槽还包括位于最外两侧的第一固定钢板、第二固定钢板，所述的第一固定钢板、第二固定钢板用于固定电解槽。
作为本发明更进一步的改进，所述的光反应槽包括内部含有光源的中空石英管和搅拌器;所述中空石英管内部的光源为低压汞灯、中高压汞灯和无电极灯中的任意一种。
作为本发明更进一步的改进，所述的光电-Fenton偶氮染料废水处理反应器的使用方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)调节偶氮染料废水pH至酸性，将废水倒入光反应槽，然后加入FeSO4及Na2SO4;
2)打开水泵、气泵，分别设置水泵流速为0.5～3.0L/min，气泵流速为1.0～5.0L/min;
3)待液室模块充满Na2SO4溶液后开起电源，设置电流密度为10～80mA/cm2，同时开启中空石英管内部的光源和搅拌器，进行废水处理。
3.有益效果
采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下有益效果：
(1)本发明的光电-Fenton偶氮染料废水处理反应器，不同于现有技术中的光电处理反应器将光源设置于电解槽的两个电极之间，其分别设置光反应槽与电解槽，并使光反应槽中与电解槽循环连接，有效克服了光源安装在电极之间时容易造成电阻过大，在电流恒定条件下造成电压大、耗能高的问题，本发明将电解槽和光反应槽为循环回路的连接方式同样能够达到较好的废水处理效果，能够有效节约能源，利于推广使用。
(2)本发明的光电-Fenton偶氮染料废水处理反应器，电解槽内电解过程持续不断的进行，有利于液室模块内的物质传递过程，循环回路使整个装置的H2O2浓度均匀分布;在光反应槽中，不断流入的H2O2以及Fenton试剂产生的羟基自由基等不断降解污染物，在光解作用下一些铁的三价形态通过光激发转变为二价形态，芬顿反应持续不断的进行，另外，光还可以激发更多的H2O2向羟基自由基转化，大大提高降解效率。
(3)本发明的光电-Fenton偶氮染料废水处理反应器，在阴极和阳极之间设置独立的气室模块、液室模块，通过气泵向气室模块曝入的空气，气室内的空气能够由渗入的方式进入液室形成气-液-固三相界面，在阴极上电解反应能够高效的产生H2O2，电流密度为60mA/cm2时，6L反应器中H2O2浓度达到260mg/L;此外，H2O2以及Fenton试剂产生的羟基自由基等不断降解污染物，在紫外光的作用下一些铁的三价形态通过光激发转变为二价形态，使芬顿反应持续不断的进行，此外，紫外光还可以激发更多的H2O2向羟基自由基转化，大大提高了降解效率。
(4)本发明的光电-Fenton偶氮染料废水处理反应器，气室模块中设置等比例缩小的第二气室模块，气体首先通过第二气室模块，再进入第一气室模块后再作用于阴极，避免较强气流直接作用于阴极，一方面防止阴极长时间受气流冲击产生变形，另一方面使气体均匀分布，由此通过阴极渗入液室模块的气体更加均匀，从而保证更为稳定的产生过氧化氢。
(5)本发明的光电-Fenton偶氮染料废水处理反应器，液室模块中设置等比例缩小的第二液室模块，且在第二液室模块设置水平隔板和竖直隔板，从而对进入液室模块的水流起到分散的作用，避免阴极直接受水流冲击而产生变形，对阴极起到有效保护作用。
(6)本发明的光电-Fenton偶氮染料废水处理反应器，能高效去除废水中的偶氮染料，无生物毒性物质残留，其中，电解20分钟条件下，甲基橙的脱色率可达100%;且整个装置构造简单，安装和拆卸方便，成本低廉，利于推广。