申请日2017.12.20
公开(公告)日2018.05.29
IPC分类号C02F1/04; C02F1/469; C02F1/76; C02F1/72; C02F101/30
摘要
一种利用低品位热能氧化降解有机废水的方法属于有机废水高级氧化降解领域，包括两个过程：通过分离器将低品位热能转换为工作溶液的化学势能;再利用逆向电渗析RED电池堆内阳极处的氧化反应和阴极处的还原反应将溶液的化学势能转换为有机废水氧化降解能并输出电能;溶液化学势能转换为有机废水氧化降解能和电能后，浓溶液浓度下降，稀溶液浓度升高，两者流出RED电堆后混合为中间浓度溶液，中间浓度溶液经溶液预热交加热升温后进入分离器被低品位热能再次加热分离，完成一个循环。本发明的优势是：低品位热能可以得到充分、连续、梯级利用;系统简单、可靠，容量配置灵活、运行安全;可以有效降解难以生化降解的各种高浓度有机废水。
权利要求书
1.一种新型低品位热能氧化降解有机废水方法，其特征在于包括以下步骤：
第一步，低品位热能转换成溶液化学势能;
低品位热能加热蒸馏器(2)内的工作溶液，工作溶液中部分低沸点组分受热气化流出蒸馏器(2)进入冷凝器(1)内，被冷却介质冷凝成具有电导率的稀溶液;分离出部分低沸点组分后的工作溶液为浓溶液;浓溶液与稀溶液之间具有化学势能差;
第二步，逆向电渗析RED电池堆(5)将化学势能转换成有机废水氧化降解能和电能;
浓溶液流出蒸馏器(2)经浓溶液泵(4)加压后，引入RED电池堆(5)中各浓溶液流道(7a);冷凝器(1)内凝结而成的稀溶液经稀溶液泵(3)加压后引入RED电池堆(5)中各稀溶液流道(8a);浓溶液中阴离子和阳离子通过RED电堆(5)内交错布置的阴离子交换膜(7)和阳离子交换膜(8)迁移至稀溶液流道(8a)内，形成定向离子流并产生内电流;
有机废水通过有机废水循环泵(13)加压后流经阳电极室(6a)，在溶液化学势差作用下，由构成阳电极室(6a)的阴离子交换膜(7)迁移而来的Cl-离子在阳极(6)处发生氧化反应放出电子生成Cl2气;Cl2气与水作用生成次氯酸HOCl氧化降解废水中的有机物质，生成CO2、水和中间产物并流出阳电极室(6a)，电子通过外电路从阳极(6)转移到阴极(10);空气泵(9)将空气泵入有机废水中并流经在阴电极室(10a)，在酸性的氛围下废水中的H+离子在阴极(10)处获得电子并与O2发生还原反应，生成过氧化氢H2O2;H2O2与催化剂Fe2+离子发生反应，产生·OH羟基自由基和Fe3+离子，·OH氧化废水 中的有机物作用，生成CO2、水和中间产物，反应后产生的Fe3+从阴极(10)处获得一个电子再次被还原成Fe2+;达到氧化降解要求后的部分有机废水通过调节阀(11)离开系统进行后处理，部分有机废水流回有机废水罐(14)与待处理有机废水流股(14a)混合，再经有机废水循环泵(13)加压在RED电池堆(5)的阳、阴电极室(6、10)内作循环流动，废水中的有机物被氧化降解;外电路中因电子迁移而产生电流输出电能驱动外负载(15);
溶液化学势能转换为有机废水氧化降解能和电能后，流经浓溶液流道(7a)的浓溶液浓度下降，流经稀溶液流道(8a)的稀溶液浓度升高，两者流出RED电池堆(5)并混合为中间浓度溶液，中间浓度溶液经溶液预热器(12)加热升温后进入蒸馏器(2)被低品位热能流股(2a)再次加热分离，完成一个有机废水降解和发电循环，放出热量后的低品位热能流股(2b)流出系统;
所述有机废水的PH值小于6，电导率大于5mS·cm-1;流经阴、阳电极室平均流速大于0.5cm·s-1，RED输出电压大于1.0V，循环流动的有机废水氧化降解处理的平均时长大于5mim;
所述阳极(6)采用钛基金属氧化物涂层电极;阴极(10)采用碳基气体扩散电极;所述催化剂Fe+2离子固化在阴极(10)内或添加在被处理的有机废水中。
2.根据权利要求1所述的一种新型低品位热能氧化降解有机废水方法，其特征在于：所述用于降解有机废水的逆向电渗析RED电池堆(5)中阴离子交换膜(7)比阳离子交换膜多一件。
3.根据权利要求1或2所述的一种新型低品位热能氧化降解有机废水方法，其特征在于：所述外负载(15)可以是各种电催化氧化有机废水降解反应器，此时系统能量全用于有机废水氧化降解，不对外输出电能。
4.根据权利要求1或2所述的一种新型低品位热能氧化降解有机废水方法，其特征在于：根据低品位热能温度等级，所述蒸馏器(2)可采用单效或多效分离。
5.根据权利要求3所述的一种新型低品位热能氧化降解有机废水方法，其特征在于：根据低品位热能温度等级，所述蒸馏器(2)可采用单效或多效分离。
6.根据权利要求1或2或5所述的一种新型低品位热能氧化降解有机废水方法，其特征在于：所述工作溶液为易被热分离的电解质溶液，受热分离出的低沸点组分含有少量电解质。
7.根据权利要求3所述的一种新型低品位热能氧化降解有机废水方法，其特征在于：所述工作溶液为易被热分离的电解质溶液，受热分离出的低沸点组分含有少量电解质。
8.根据权利要求4所述的一种新型低品位热能氧化降解有机废水方法，其特征在于：所述工作溶液为易被热分离的电解质溶液，受热分离出的低沸点组分含有少量电解质。
说明书
一种利用低品位热能氧化降解有机废水的方法
技术领域
本发明属于有机废水高级氧化降解领域，涉及一种新型的由低品位热能驱动的有机废水氧化降解方法。
背景技术
现有有机废水处理方法包括生化降解法和高级氧化降解法两大类。包括厌氧法和好氧法在内的生化降解法是借助多种微生物的协调合作以及自身代谢过程，在无氧或有氧的环境下将有机物分解为对环境无害的物质。这种方法已被广泛地用来处理低浓度有机废水并取得了良好的效果。然而，对于包括医药、农药、印染、炼化、焦化等生产过程所排放的有机废水，很难通过采用生化降解法对其进行有效处理。为此提出了包括：超临界水氧化法、等离子体高级氧化法、芬顿试剂或电芬顿氧化法、臭氧氧化法、光催化氧化法、超声辅助氧化法等有机废水高级氧化处理法。但这些有机废水处理方法需要消耗大量电能或化学试剂，导致有机废水处理费用较高。实际上在工业生产过程中，在产生大量的有机废水的同时往往伴随有大量的低品位热量需要排向环境。若利用各类废弃的或低价值的低品位热能作为有机废水处理的驱动能源，则可大大降低有机废水处理成本。
发明内容
针对现有生化和高级氧化降解有机废水处理技术的不足，本发明提出了一种利用低品位热能氧化降解有机废水方法;首先通过蒸馏器的蒸馏作用，将低品位热能转换为工作溶液的化学势能，再利用逆向电渗析(RED)电堆中阴、阳电极室内所产生的氧化还原作用，将工作溶液的化学势能转化为有机废水氧化降解能并产生一定量的电能，或对外输出，或驱动电催化氧化降解反应器等装置，用于有机废水的氧化降解。
为了达到上述目的，本发明的技术解决方案为：
一种新型低品位热能氧化降解有机废水方法，包括以下两个过程：
第一步：低品位热能转换成工作溶液化学势能的过程。
首先利用低品位热能(45℃以上)加热蒸馏器内的工作溶液，工作溶液中的部分低沸点组分从工作溶液中蒸发而被分离出来，并进入冷凝器被冷却介质冷凝成液态;分离出的低沸点组分蒸气中允许夹带少量工作溶液液滴用以增加低沸点组分冷凝后所形成的液体(稀溶液)的电导率;工作溶液因分离出部分低沸点组分使其浓度升高而成为浓溶液;浓溶液与稀溶液之间产生浓度差而使其具有化学势能差。
第二步：采用RED电池堆，将稀、浓溶液间的化学势能转换为有机废水氧化降解能和电能的过程。
浓溶液流出蒸馏器并被浓溶液泵加压泵入RED电池堆中的各浓溶液室;冷凝器内凝结而成的稀溶液流出冷凝器并被稀溶液泵加压泵入RED电池堆中的各稀溶液室;RED电池堆内的稀、浓溶液室交替排列，浓溶液室中的溶质阴、阳离子分别通过阴、阳离子交换膜迁移至相邻的稀溶液室内;在RED电池堆内的阴、阳离子交换膜之间因阴、阳离子的迁移形成定向离子流，并在RED电池堆的阴、阳两电极处产生电势。
经PH值和电导率调节后的有机废水通过有机废水循环泵加压后流经阳电极室，在工作溶液化学势差作用下，由构成阳电极室的阴离子交换膜迁移而来的Cl-离子在阳极处发生氧化反应，放出电子生成Cl2气;Cl2气与与流经阳电极室的有机废水作用生成具有强氧化性的次氯酸(HOCl)，HOCl氧化降解废水中的有机物质，生成CO2、水和有机物氧化降解后的中间产物并流出阳电极室，电子则通过外电路从阳极转移到阴极;流出阳电极室的有机废水在进入阴电极室前经空气泵加入空气或氧气后，与其一起流入阴电极室;在酸性的氛围下有机废水中的H+离子在阴极处获得电子并与溶解在有机废水中的O2发生还原反应，生成过氧化氢(H2O2);H2O2与催化剂Fe2+离子发生反应，产生具有强氧化性的羟基自由基(·OH)、氢氧根(OH-1)和Fe3+离子;·OH氧化废水中的有机物作用，生成CO2、水和有机物氧化降解后的中间产物，反应后产生的Fe3+从阴极处获得一个电子再次被还原成Fe2+;达到氧化降解要求后的部分有机废水通过调节阀离开系统进行后处理，部分有机废水流回有机废水罐与待处理有机废水流股混合，再经有机废水循环泵加压在RED电池堆的阳、阴电极室内作循环流动，废水中的有机物被氧化降解。在氧化降解有机废水时，外电路中因电子迁移而产生电流输出电能驱动外负载。
工作溶液化学势能转换为有机废水氧化降解能和电能后，流经浓溶液流道的浓溶液浓度下降，流经稀溶液流道的稀溶液浓度升高，两者流出RED电池堆并混合为中间浓度溶液，中间浓度溶液经溶液预热器加热升温后进入蒸馏器被低品位热能流股再次加热分离，完成一个有机废水降解和发电循环，放出热量后的低品位热能流股流出系统。
所述需氧化降解的有机废水，在常温下经PH值和电导率调节后，PH值小于6，电导率大于5mS·cm-1;流经阴、阳电极室平均流速大于0.5cm·s-1，RED输出电压大于1.0V，循环流动的有机废水氧化降解处理平均时长大于5mim，氧化降解后有机废水脱色率大于50%，COD去除率大于30%，且随RED输出电压升高和处理时长延长，脱色率和COD去除率相应增加。
所述外负载可以是各种电催化氧化有机废水降解反应器，此时系统能量全用于有机废水氧化降解，不对外输出电能。
所述催化剂Fe+2离子固化在阴极内或添加在被处理的有机废水中。所述阳极采用钛基金属氧化物涂层电极，阴极采用碳基气体扩散电极。
所述蒸馏器根据低品位热能温度等级可采用单效或多效分离。
所述工作溶液为易被热分离的电解质溶液，受热分离出的低沸点组分含有少量电解质。
所述的蒸馏器和冷凝器与通常用于海水淡化的单效或多效蒸馏器相同，其作用是利用低品位热能将溶液分离成稀、浓两股溶液。
所述的有机废水降解用RED电堆结构与盐差发电用的RED电池堆结构基本相同，不同之处在于：阳极采用钛基金属氧化物涂层电极，阴极采用碳基气体扩散电极，有机废水降解用RED电堆中阴离子交换膜比阳离子交换膜多一件(盐差发电用RED电堆阳离子交换膜比阴离子交换膜多一件)，具体为：有机废水降解用RED电堆中两端最外侧的为阴离子交换膜，而盐差发电用的RED电池堆两端最外侧的为阳离子交换膜。所述RED电池堆内由交错布置的阴、阳离子交换膜组件隔出稀、浓溶液流道，流道内流动的稀、浓溶液在浓差(化学势差)的驱动下，浓溶液流道内的溶质以阴、阳离子的形式分别通过阴、阳离子交换膜组件迁入稀溶液流道;浓溶液流道内的浓溶液因溶质离子迁出而浓度下降，稀溶液流道内的稀溶液因溶质离子的迁入而浓度升高，两者流出RED电池堆后混合成为中间浓度的溶液进入蒸馏器中被低品位热能再次加热，分离，从而完成一个完整的工作循环。
上述利用新型低品位热能氧化降解有机废水的方法中，对于不稳定或间隙性供应的低品位热能，可增设稀、浓溶液储罐、中间浓度溶液储罐和中间浓度溶液泵，稀、浓及中间浓度溶液储罐起到储存或释放能量的作用，使工作流程中RED电池堆以稳定的方式处理有机废水，而不随低品位热能参数(温度和热量)的变化而发生变化。
本发明的有益效果是：1)低品位热能可以得到充分、连续、梯级利用，有效降低有机废水处理成本;2)有机废水处理系统简单、可靠、几乎无二次污染物产生;3)系统能够适应各类低温热能,且能充分回收利用其热品位，在降解有机物的同时可输出一定量的电能;4)有机废水处理系统组成灵活，制造简便，运动部件少，工作寿命长，运行安静，占地面积小;5)可以处理难以采用生化法降解的有机废水。