申请日2018.04.11
公开(公告)日2018.06.29
IPC分类号C02F1/461; C02F1/72
摘要
本发明公开了一种内循环式电催化氧化反应器及污水净化处理方法，包括至少一个循环装置，循环装置包括一个反应舱，反应舱包括由内层壳体围成的内反应舱和由外层壳体围成的外反应舱，内反应舱内部设有内层电极板，内反应舱嵌置于外反应舱的内部，内反应舱与外反应舱之间设置有填料层;以内层电极板和内层壳体作为阴极，以外层壳体作为阴极，通电后的内层电极板与内层壳体之间形成第一电催化反应区，通电后的外层壳体与内层壳体之间形成第二电催化反应区。本发明利用三维电极有效开环断链和二维电极能效高的特性，共同降解污染物，电催化效率高;该污水净化处理方法实现了对污水在循环装置内的多次循环的多级外循环净化，保证出水的达标排放。
权利要求书
1.一种内循环式电催化氧化反应器，其特征在于，包括至少一个循环装置，所述循环装置包括一个循环水箱(2)、一个进水泵(3)和一个反应舱(100)，所述循环水箱(2)设有进水管(1)，所述循环水箱(2)、所述进水泵(3)和所述反应舱(100)之间通过管道连通;
所述反应舱(100)包括内反应舱(11)和外反应舱(12)，其中，
所述内反应舱(11)是由内层壳体(6)和设置于内层壳体(6)底部的底板围成的腔体，所述内反应舱(11)的底部布设有内舱进水管(4)，所述内舱进水管(4)与所述进水泵(3)通过管道连通;所述内反应舱(11)的内部设置有内层电极板(5);
所述外反应舱(12)是由外层壳体(8)和设置于外层壳体(8)底部的底板围成的腔体，所述外反应舱(12)的底部与所述循环水箱(2)之间通过循环水管(9)连通，所述外反应舱(12)的顶部设有出水管(10);所述内反应舱(11)嵌置于所述外反应舱(12)的内部，所述内反应舱(11)与所述外反应舱(12)之间设置有填料层(7);
所述内层壳体(6)为内层电极，所述外层壳体(8)为外层电极，所述内层电极板(5)与所述外层壳体(8)的电极极性相同，所述内层电极板(5)与所述内层壳体(6)的电极极性相异，通电后的所述内层电极板(5)与所述内层壳体(6)之间形成第一电催化反应区，通电后的所述外层壳体(8)与所述内层壳体(6)之间形成第二电催化反应区。
2.如权利要求1所述的内循环式电催化氧化反应器，其特征在于，所述内层电极板(5)和所述外层壳体(8)为阴极，所述内层壳体(6)为阳极;
所述内层电极板(5)包括内层阴极基材板和内层阴极催化层，所述内层阴极催化层涂覆于所述内层阴极基材的正、反两个表面;
所述内层壳体(6)包括阳极基材壳体和阳极壳体催化层，所述阳极壳体催化层涂覆于所述阳极基材壳体的正、外层两个表面;
所述外层壳体(8)包括阴极基材壳体和阴极壳体催化层，所述阴极壳体催化层涂覆于所述阴极基材壳体的内层表面。
3.如权利要求2所述的内循环式电催化氧化反应器，其特征在于，所述阳极壳体催化层为一层厚度为1mm至2mm的均相石墨烯;所述内层阴极催化层和所述阴极壳体催化层均为一层镀有铂、铱、锰、锌或钯的金属氧化物。
4.如权利要求1所述的内循环式电催化氧化反应器，其特征在于，所述内反应舱(11)和所述外反应舱(12)的底板均为绝缘板，所述绝缘板为UPVC板、PVC板、PP板或聚四氟乙烯板。
5.如权利要求1所述的内循环式电催化氧化反应器，其特征在于，所述填料层(7)为一层蜂窝多孔填料层，所述蜂窝多孔填料层填充有粒径在2mm至6mm之间的球状颗粒，所述球状颗粒材质的介电常数大于100。
6.如权利要求1-5任一项所述的内循环式电催化氧化反应器，其特征在于，所述内循环式电催化氧化反应器包括两个以上循环装置，每个前置的循环装置的出水管(10)与后置的循环装置的进水管(1)相连通。
7.一种污水净化处理方法，采用权利要求6所述的内循环式电催化氧化反应器，其特征在于，所述污水净化处理方法包括以下步骤：
步骤1：污水从进水管(1)流入循环水箱(2)，并于循环水箱(2)内混合均质;
步骤2：混合均质的污水经进水泵(3)抽入至内舱进水管(4);
步骤3：污水经内舱进水管(4)流入内反应舱(11)，以内层电极板(5)作为阴极，以内层壳体(6)作为阳极，阴极和阳极通电后，内层电极板(5)与内层壳体(6)之间形成第一电催化反应区，污水经第一电催化反应区的电催化作用，污水中的难降解有机物得到初步处理;
步骤4：污水继续上涨，直至漫过内反应舱(11)流入外反应舱(12)，以内层壳体(6)作为阳极，以外层壳体(8)作为阴极，阴极和阳极通电后，外层壳体(8)与内层壳体(6)之间形成第二电催化反应区;
步骤5：污水中的大分子有机物在填料层(7)内富集，经第二电催化反应区的裂化开环电催化作用，污水中难降解有机物的环链被进一步打开;
步骤6：外反应舱(12)内的污水流穿整个填料层(7)，从高向低流到外反应舱(12)的底部;
步骤7：位于外反应舱(12)的底部的污水经循环水管(9)，重新流入循环水箱(2)，形成一个循环装置内的污水循环;
步骤8：重复步骤2至步骤7，重复循环装置内的污水循环，直到污水漫至外反应舱(12)的出水管(10)，上层清液水经出水管(10)从反应舱(100)的顶部溢流排出;
步骤9：检测从循环装置的出水管(10)流出的污水中的污染物含量，若还未达标，污水继续流入后置的循环装置的的进水管(1);
步骤10：重复步骤1至步骤9，直到污水中的污染物含量达标。
8.如权利要求7所述的污水净化处理方法，其特征在于，在所述步骤2至所述步骤7的过程中，所述循环装置内的污水循环的回流比控制在3:1至5:1之间，污水在内循环式电催化氧化反应器中的停留时间控制在0.5h至1h。
说明书
一种内循环式电催化氧化反应器及污水净化处理方法
技术领域
本发明涉及水处理设备，具体涉及一种内循环式电催化氧化反应器及污水净化处理方法。
背景技术
电催化氧化技术是一种高效清洁的新型废水处理技术，许多国内外学者将其运用于难降解的有机废水处理。电催化氧化是利用具有催化性能的金属氧化物电极，通过电化学过程产生具有强氧化能力的羟基自由基(.OH)或其它自由基和基团攻击废水溶液中的有机物，使得其分解为二氧化碳、水和简单有机物。在整个电催化氧化过程中，由于羟基自由基(.OH)无选择地直接与废水溶液中的有机物反应，因而电催化氧化技术具有去污效率高、杀菌及抑菌活性强、副产物少、毒害作用低、环境友好、适应性强、操作简单、可控性好、易实现自动化控制等显著优点，近年来在水处理领域引起广泛关注。
虽然电催化氧化技术具有这些诸多的优点，且已在水处理领域展现出了诱人的前景，并被认为是当前最具有开发前景的水处理技术，但是目前电催化氧化技术仍处于实验室阶段，究其原因，目前的电催化氧化反应器存有的缺陷是，现有电催化技术较为常见的是采用单独的无填料的二维电极或者有填料的三维电极，电催化效率低下。应用目前的电催化氧化反应器来处理污废水，降低排出水中污染物的浓度，保证出水的达标排放，需要消耗大量的电能。
由于大规模实现工业化污水处理的电耗太高，倘若将电催化氧化技术应用于工业化生产，会使得一般企业难以承受，因此，提高目前电催化氧化反应器的污废水处理的效率，降低电催化氧化反应器的电能消耗，成了目前电催化氧化反应器研究的热点和难点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种内循环式电催化氧化反应器及污水净化处理方法，用以解决现有电催化氧化反应器的污水处理效率低的问题。
为实现上述目的，本发明的技术方案为，提供一种内循环式电催化氧化反应器，所述内循环式电催化氧化反应器包括至少一个循环装置，所述循环装置包括一个循环水箱、一个进水泵和一个反应舱，所述循环水箱设有进水管，所述循环水箱、所述进水泵和所述反应舱之间通过管道连通;
所述反应舱包括内反应舱和外反应舱，其中，
所述内反应舱是由内层壳体和设置于内层壳体底部的底板围成的腔体，所述内反应舱的底部布设有内舱进水管，所述内舱进水管与所述进水泵通过管道连通;所述内反应舱的内部设置有内层电极板;
所述外反应舱是由外层壳体和设置于外层壳体底部的底板围成的腔体，所述外反应舱的底部与所述循环水箱之间通过循环水管连通，所述外反应舱的顶部设有出水管;所述内反应舱嵌置于所述外反应舱的内部，所述内反应舱与所述外反应舱之间设置有填料层;
所述内层壳体为内层电极，所述外层壳体为外层电极，所述内层电极板与所述外层壳体的电极极性相同，所述内层电极板与所述内层壳体的电极极性相异，通电后的所述内层电极板与所述内层壳体之间形成第一电催化反应区，通电后的所述外层壳体与所述内层壳体之间形成第二电催化反应区。
优选地，所述内层电极板和所述外层壳体为阴极，所述内层壳体为阳极;所述内层电极板包括内层阴极基材板和内层阴极催化层，所述内层阴极催化层涂覆于所述内层阴极基材的正、反两个表面;所述内层壳体包括阳极基材壳体和阳极壳体催化层，所述阳极壳体催化层涂覆于所述阳极基材壳体的正、外层两个表面;所述外层壳体包括阴极基材壳体和阴极壳体催化层，所述阴极壳体催化层涂覆于所述阴极基材壳体的内层表面。
优选地，所述阳极壳体催化层为一层厚度为1mm至2mm的均相石墨烯;所述内层阴极催化层和所述阴极壳体催化层均为一层镀有铂、铱、锰、锌或钯的金属氧化物。
优选地，所述内反应舱和所述外反应舱的底板均为绝缘板，所述绝缘板为UPVC板、PVC板、PP板或聚四氟乙烯板。
优选地，所述填料层为一层蜂窝多孔填料层，所述蜂窝多孔填料层填充有粒径在2mm至6mm之间的球状颗粒，所述球状颗粒材质的介电常数大于100。
作为另一种优选的技术方案，所述内循环式电催化氧化反应器包括两个以上循环装置，每个前置的循环装置的出水管与后置的循环装置的进水管相连通。
本发明还公开了一种污水净化处理方法，采用上述的内循环式电催化氧化反应器，所述污水净化处理方法包括以下步骤：
步骤1：污水从进水管流入循环水箱，并于循环水箱内混合均质;
步骤2：混合均质的污水经进水泵抽入至内舱进水管;
步骤3：污水经内舱进水管流入内反应舱，以内层电极板作为阴极，以内层壳体作为阳极，阴极和阳极通电后，内层电极板与内层壳体之间形成第一电催化反应区，污水经第一电催化反应区的电催化作用，污水中的难降解有机物得到初步处理;
步骤4：污水继续上涨，直至漫过内反应舱流入外反应舱，以内层壳体作为阳极，以外层壳体作为阴极，阴极和阳极通电后，外层壳体与内层壳体之间形成第二电催化反应区;
步骤5：污水中的大分子有机物在填料层内富集，经第二电催化反应区的裂化开环电催化作用，污水中难降解有机物的环链被进一步打开;
步骤6：外反应舱内的污水流穿整个填料层，从高向低流到外反应舱的底部;
步骤7：位于外反应舱的底部的污水经循环水管，重新流入循环水箱，形成一个循环装置内的污水循环;
步骤8：重复步骤2至步骤7，重复循环装置内的污水循环，直到污水漫至外反应舱的出水管，上层清液水经出水管从反应舱的顶部溢流排出;
步骤9：检测从循环装置的出水管流出的污水中的污染物含量，若还未达标，污水继续流入后置的循环装置的的进水管;
步骤10：重复步骤1至步骤9，直到污水中的污染物含量达标。
优选地，在所述步骤2至所述步骤7的过程中，所述循环装置内的污水循环的回流比控制在3:1至5:1之间，污水在内循环式电催化氧化反应器中的停留时间控制在0.5h至1h。
本发明具有如下优点：
(1)本发明涉及的一种应用内循环式电催化氧化反应器的污水净化处理方法，该污水净化处理方法采用内循环式电催化氧化反应器，用于进行污水净化处理：污水进入循环水箱均质后，通过进水泵抽至反应舱内的内舱进水管，污水经内舱进水管流入内反应舱，以内层电极板为阴极，以内层壳体作为内层电极，阴阳电极通电后，内层电极板与内层壳体之间形成无填料层的二维电极的第一电催化反应区，经第一电催化反应区的电催化作用，污水中的难降解有机物得到初步处理。污水在被电催化处理的同时，污水继续上涨，当污水漫过内反应舱后，污水慢入外反应舱。填料层的蜂窝多孔结构，增大了与污水的接触面积，利于大分子有机物在填料层内富集，同时外层壳体与内层壳体通电后，外层壳体和内层壳体之间形成有填料层的三维电极的第二电催化反应区，污水中富集于填料层内的有机大分子裂化开环电催化作用，进一步打开污水中难降解有机物的环链，大部分污水经循环水管流入循环水箱中，形成一个内循环的回路，上层清液水经出水管从反应舱顶部溢流排出。检测从出水管流出的液体中的污染物含量，若还未达标，再次流入第二个循环装置，经以上循环后，再次检测第二个循环装置中出水管的流出的水质，若还未达标，再次流入第三个循环装置，直至达标，直接排放。该污水净化处理方法不仅实现了对污水在循环装置内的多次循环净化，还实现了污水在循环装置外的多级外循环净化，大大提高了内循环式电催化氧化反应器的污水净化能力，降低排出水中污染物的浓度，保证出水的达标排放。
(2)本发明涉及的内循环式电催化氧化反应器，不同与现有电催化技术中设计单独的无填料的二维电极或者有填料的三维电极，本发明将无填料的二维电极和有填料的三维电极鲜见地结合起来，通过循环装置内的二维电极和三维电极的循环作用，利用三维电极能够有效开环断链的特征，发挥二维电极能效高的特点，共同实现污染物的降解，大幅度地提高了电催化氧化反应器的电催化效率。
(3)本发明涉及的内循环式电催化氧化反应器将填料层设计为蜂窝多孔结构，增大了与污水的接触面积，利于污水中大分子有机物在填料层内富集，在第二电催化反应区内，经污水中富集于填料层内的有机大分子裂化开环电催化作用，进一步打开污水中难降解有机物的环链，进一步提高了内循环式电催化氧化反应器的污水净化能力和效率。
(4)本发明涉及的内循环式电催化氧化反应器设计合理，实用性强，改善了电催化氧化反应器的电催化效率，实现对电能的高效利用;该内循环式电催化氧化反应器的使用方法，用于进行净化污水处理，净水污水的能力强、效果好，解决了目前电催化氧化应用于污水处理研究的热点和难点问题。