專利名稱：一種處理廢水有機(jī)物的電化學(xué)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種處理廢水有機(jī)物的電化學(xué)裝置，屬于電化學(xué) 技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著工業(yè)的迅速發(fā)展，污水排放量日益增加。我國(guó)的年污水排放量已突破400億噸，排放的污水大部分都是有機(jī)物含量很高的工業(yè)有 機(jī)廢水，污水中的有機(jī)物或則毒性很大，很難被微生物降解，或則十 分穩(wěn)定，很難被一般的化學(xué)方法破壞，采用吸附或膜過(guò)濾的方法則易 造成有機(jī)物的二次污染。因此研究處理污水中有機(jī)物的新技術(shù)乃是當(dāng) 今水處理領(lǐng)域的一大課題，也是環(huán)境保護(hù)的當(dāng)務(wù)之急。大量的研究表明電化學(xué)技術(shù)可以將毒性大和分子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的有機(jī)分子轉(zhuǎn)化為可生物降解的物質(zhì)，甚至被徹底氧化為C02和H20等簡(jiǎn) 單的無(wú)機(jī)分子。但是，采用傳統(tǒng)平板二維電極的電化學(xué)技術(shù)，很難滿 足實(shí)際水處理要求，因其存在面體比小、單位槽體處理量小、電流效 率低，尤其是電導(dǎo)率低時(shí)，需要投入大量電解質(zhì)，使處理成本提高等 缺陷。為克服二維電極的缺陷， 一種被稱為三維電極，又稱粒子群電極
的新型電化學(xué)技術(shù)已被提出，并引起了廣大科技人員的極大興趣。這 是一種由粒狀材料與平面電極接觸構(gòu)成的新型電極。無(wú)論是面體比， 還是反應(yīng)物質(zhì)的傳質(zhì)效果和時(shí)空產(chǎn)率均比二維電極顯著提高。但是， 目前三維電極的水處理裝置仍存在對(duì)污水中有機(jī)物的轉(zhuǎn)化速度不夠 快的問(wèn)題，有待于進(jìn)一步改善，使其有更好的實(shí)用價(jià)值。
另外，在通常的裝置中，兩個(gè)三維電極垂直平行排布，水流方向 與電極平行，影響有機(jī)分子在電極表面的整體碰撞反應(yīng)的幾率，而且 正極析出的副產(chǎn)物(02)大多釋放于大氣中，被負(fù)極當(dāng)作合成H202
的反應(yīng)物利用只是少部分，所以負(fù)極表面發(fā)生的主要反應(yīng)是H+的電
化學(xué)還原(析H2)，影響了能量的有效利用率。
發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的在于提供一種處理廢水有機(jī)物的電化學(xué)裝 置。需要解決的技術(shù)問(wèn)題是如何提高污水中有機(jī)物在電極反應(yīng)裝置 中的氧化降解速度。
本實(shí)用新型技術(shù)問(wèn)題通過(guò)下述技術(shù)方案解決 一種處理廢水有機(jī) 物的電化學(xué)裝置，包括由直流電源供電的電解槽、污水入口、污水出 口，其中
所述的電解槽為二個(gè)或二個(gè)以上電解槽單元構(gòu)成，電解槽單元的 空間排布方式為由下而上垂直迭放且相互連通，其電極由下而上呈正 負(fù)交替迭加排布；
所述的污水入口與最底層的電解槽底部連通，污水出口與設(shè)在最
上層的電解槽單元的頂部連通，污水自底部最底層電解槽單元的正電 極流經(jīng)各電解槽單元后從污水出口排出，水流方向垂直于電極。其工 作原理是污水由下而上通過(guò)裝置中的各個(gè)電解槽單元進(jìn)行處理，水 流方向與電極相垂直，污水首先接觸的是正電極。
在上述方案基礎(chǔ)上，所述的電解槽單元由殼體、正極性三維電極、 負(fù)極性三維電極和一個(gè)防止短路的多孔絕緣網(wǎng)或板組成，正極性三維 電極位于負(fù)極性三維電極的下方，隔板置于兩電極之中。
在上述方案基礎(chǔ)上，所述的各電解槽單元分別與獨(dú)立的直流電源 的輸出端口連接。
相鄰的電解槽單元之間通過(guò)墊圈和緊固件密封連接，其中，緊固 件可以是螺釘、螺栓、銷釘、鉚釘?shù)取?br> 在近污水入口設(shè)置一輸氧口，促進(jìn)污水在電解槽內(nèi)氧化還原反應(yīng)。
所述電解槽單元的外殼截面呈圓柱形或方形等。
本實(shí)用新型中構(gòu)成三維電極的正極性和負(fù)極性的材料各不相同， 正極性三維電極的主電極為多孔鈦板，粒狀材料為硅酸鋁小珠；在其 表面修飾析氧過(guò)電位高的過(guò)渡金屬氧化物；負(fù)極性三維電極的主電極 為鍍Pb的鋼網(wǎng)，粒狀材料為經(jīng)表面防水活化處理的炭粒。
其中，正極性三維電極的主電極是微多孔的鈦板，表面鍍復(fù)了 In02-Ta205/Sn02 (Sb) -Pb02的復(fù)合金屬氧化物，粒子材料是粒狀的 硅膠或r-A1203、硅酸鋁，表面擔(dān)載了MnOrSn02 (Sb) /Pb02催化 劑。
負(fù)極性三維電極的主電極是表面鍍Pb的鋼網(wǎng)，粒狀材料為經(jīng)表 面防水活化處理的炭粒，如采用石墨粉、活性炭和少量的PTFE經(jīng) 混合成型并燒結(jié)后制成的小珠。由于主電極和粒子材料表面修飾的析氧過(guò)電位高的過(guò)渡金屬?gòu)?fù)合氧化物(MOx)作為催化劑，不僅有利于污水中的有機(jī)物(RH)在 電極表面直接被電化學(xué)氧化，而且有利于表面生成，OH自由基，其反 應(yīng)機(jī)理是RH—氧化產(chǎn)物+ne ①M(fèi)Ox+H20—MOx['OH]+H++e ② OH自由基是一種氧化性極強(qiáng)的物質(zhì)，其氧化電位2.85V，比臭 氧(2.07V)、 H202 (1.77V)高的多，故能與絕大多數(shù)的有機(jī)物發(fā)生 氧化反應(yīng)，使有機(jī)分子(RH)發(fā)生碳鏈裂變，最終降解為C02和H20 等簡(jiǎn)單的無(wú)機(jī)分子RH+MOx[.OH]—"—MOx+C02+H20 ③除此之外，電極表面還發(fā)生析氧的副反應(yīng)2H20—CM+4H^4e 負(fù)極性三維電極是現(xiàn)場(chǎng)電化學(xué)合成Fenton試劑(H202+Fe2+)的 重要場(chǎng)所。正極析出的副產(chǎn)物氧氣和溶液中的Fe"離子(在污水處理 前加入)，為合成Fenton試劑提供了基本的反應(yīng)原料。如(D⑥兩式所 示，02分子和F^+離子從三維電極表面獲得電子(e)分別被還原為 &02和Fe2+。由于炭粒經(jīng)過(guò)了防水活化處理，增加了三相界面，有 利于02的富集(吸附)和加速的電化學(xué)還原生成H202。為了增加&02的產(chǎn)量，在本實(shí)用新型的底部，近污水入口處設(shè)置一氧氣入口， 以補(bǔ)充一定量的氧氣。02+2H20+2e—2 H202 ⑤ Fe3+ +e—Fe2+ ⑥生成FZ離子和H202的同時(shí)，它們之間迅速發(fā)生Feton反應(yīng)， 生成，OH自由基Fe2++H202~>Fe3++OH+.OH ⑦緊接著，OH與有機(jī)分子發(fā)生氧化降解反應(yīng)RH+OH———C02+H20 ⑧本實(shí)用新型的優(yōu)越性在于其結(jié)構(gòu)與電極材料的設(shè)計(jì)對(duì)于提高能 量利用效率和有機(jī)物的氧化降解速度是十分有益的，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 組裝、維護(hù)和使用也十分方便。由上述可知，本實(shí)用新型對(duì)有機(jī)物分子的氧化降解作用是兩個(gè) 正、負(fù)極性三維電極的加和。負(fù)極性三維電極的貢獻(xiàn)在于它能現(xiàn)場(chǎng)合成Fenton試劑。結(jié)構(gòu)上這種垂直于污水流動(dòng)方向的三維電極極大的 增加了有效的反應(yīng)面積和有機(jī)分子碰撞電極表面的反應(yīng)幾率及02的 有效利用。


圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖 圖2為電解槽單元的結(jié)構(gòu)示意圖圖中標(biāo)號(hào)說(shuō)明
裝置一l 0電解槽單元一l、 2、 3 密封圈一4 緊固件一5污水入口一7 輸氧口一6 污水出口一8直流電源一l'、 2'、 3， 其中，電解槽單元-2中 外殼一21正極性三維電極一22微多孔的鈦板一221 硅酸鋁小珠一222 負(fù)極性三維電極一23表面鍍Pb的銅網(wǎng)一231. 粒狀材料一232 多孔絕緣隔板(網(wǎng))--2具體實(shí)施方式
如圖1本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖和圖2電解槽單元的結(jié)構(gòu)示意圖 所示，本實(shí)用新型一種處理廢水有機(jī)物的電化學(xué)裝置10，包括由直 流電源供電的電解槽、污水入口 7、污水出口 8，其中，所述的電解 槽由三個(gè)電解槽單元1、 2、 3構(gòu)成，電解槽單元1、 2、 3的空間排布 方式為由下而上垂直迭放且相互連通，其電極由下而上呈正負(fù)交替迭 加排布；所述的污水入口 7和輸氧口 6與最底層的電解槽單元1底部連 通，污水出口8與設(shè)在最上層的電解槽單元3的頂部連通，污水自底 部最底層電解槽單元1的正電極流經(jīng)各電解槽單元1、 2、 3后從污水 出口8排出，水流方向垂直于電極。各電解槽單元l、 2、 3之間的縫隙密封采用硅橡膠墊圈4并用螺
每個(gè)電解槽l、 2、 3都有正極引線(+ )和負(fù)極引線(-)，它們 分別與獨(dú)立的直流工作電源1，、 2'、 3'輸出端口連接。如圖2電解槽單元2的結(jié)構(gòu)示意圖所示，電解槽單元2由外殼 21、正極性三維電極22、負(fù)極性三維電極23和多孔絕緣隔板24組 成。正極性三維電極22位于負(fù)極性三維電極23的下方，多孔絕緣隔 板24置于兩電極之中。外殼21呈圓柱形或方形，用塑料板制造。正 極性三維電極22由主電極和粒子材料組成。負(fù)極性三維電極23由主 電極和粒子材料組成。電解槽單元l、 2、 3主負(fù)電極各自有相引的引線(+ )(-),與獨(dú) 立的直流電源l'、 2'、 3'的輸出端口連接。如圖2所示，正極性三維電極22中的主電極是用微多孔的高純 鈦板221作基體，經(jīng)表面處理后涂覆InOrTa205/Sn02 (Sb) - 1)02的 復(fù)合金屬氧化物作為催化劑；粒子材料是用硅酸鋁小珠222，如硅膠 或r-AbO"硅酸鋁作載體，經(jīng)表面處理后表面擔(dān)載了 Mn02-Sn02(Sb) -Pb02復(fù)合氧化物催化劑。其中，所述的Sn02 (Sb) 41302復(fù)合氧化 物是一類析氧過(guò)電位高、有利于，OH自由基生成的電催化材料。如圖2所示，負(fù)極性三維電極23中的主電極是表面鍍Pb的鋼網(wǎng) 231，以減少析氫的反應(yīng)電流，粒狀材料為經(jīng)表面防水活化處理的炭 粒，本實(shí)施例中所述的粒狀材料232是用石墨粉、活性炭和防水粘結(jié) 劑PTFE (少量)混合、成型和燒結(jié)制成的的小珠，小珠的表面有較 發(fā)達(dá)的三相界面，有利于02的吸附和電化學(xué)還原生成H202。
當(dāng)污水進(jìn)入圖1所示的裝置之前，應(yīng)過(guò)濾除去水中的懸浮物，調(diào)節(jié)pH (2 3)，加入少量F^+離子，然后從污水入口 7注入污水，污 水則由下而上流經(jīng)裝置10內(nèi)部的電解槽單元，以主電極面積計(jì)算為 10-30mA/cm2，必要時(shí)由輸氧口 6補(bǔ)充適量的氧氣。污水中的有機(jī)物 經(jīng)歷①③⑧式所示的氧化降解之后，毒性大和分子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的有機(jī)物 被轉(zhuǎn)化為可生物降解的物質(zhì)，甚至被徹底降解為C02和H20等簡(jiǎn)單 的無(wú)機(jī)物。本實(shí)用新型是一種對(duì)污水有機(jī)物處理效率高、處理成本低、結(jié)構(gòu) 簡(jiǎn)單，組裝、維護(hù)和使用十分方便的污水處理裝置。
權(quán)利要求1.一種處理廢水有機(jī)物的電化學(xué)裝置，包括由直流電源供電的電解槽、污水入口、污水出口，其特征是所述的電解槽為二個(gè)或二個(gè)以上電解槽單元構(gòu)成，電解槽單元的空間排布方式為由下而上垂直迭放且相互連通，其電極由下而上呈正負(fù)交替迭加排布；所述的污水入口與最底層的電解槽底部連通，污水出口與設(shè)在最上層的電解槽單元的頂部連通，污水自底部最底層電解槽單元的正電極流經(jīng)各電解槽單元后從污水出口排出，水流方向垂直于電極。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的處理廢水有機(jī)物的電化學(xué)裝置，其特征是: 所述的電解槽單元由殼體、正極性三維電極、負(fù)極性三維電極和--個(gè) 防止短路的多孔絕緣網(wǎng)或板組成，正極性三維電極位于負(fù)極性三維電 極的下方，隔板置于兩電極之中。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的處理廢水有機(jī)物的電化學(xué)裝置，其特征是所述的各電解槽單元分別與獨(dú)立的直流電源的輸出端口連接。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的處理廢水有機(jī)物的電化學(xué)裝置，其特 征是相鄰的電解槽單元之間通過(guò)墊圈、緊固件密封連接。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的處理廢水有機(jī)物的電化學(xué)裝置，其特 征是在近污水入口設(shè)置一輸氧口。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的處理廢水有機(jī)物的電化學(xué)裝置，其特征是: 外殼截面呈圓柱形或方形。
7. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的處理廢水有機(jī)物的電化學(xué)裝置，其特征是: 所述的電解槽單元之正極性三維電極由主電極和粒子材料組成，主電極是微多孔的鈦板，表面涂復(fù)了 In02-Ta205/Sn02 (Sb) -Pb02的復(fù)合 金屬氧化物，粒子材料是粒狀的硅膠或r-A1203、硅酸鋁，表面承載 TMn02-Sn02 (Sb) /Pb02催化劑。
8. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的處理廢水有機(jī)物的電化學(xué)裝置，其特征是: 所述的電解槽單元之負(fù)極性三維電極由主電極和粒子材料組成，主電 極是表面鍍Pb的銅網(wǎng)，粒狀材料為經(jīng)表面防水活化處理的炭粒。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種處理廢水有機(jī)物的電化學(xué)裝置，屬于電化學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。一種處理廢水有機(jī)物的電化學(xué)裝置，包括由直流電源供電的電解槽、污水入口、污水出口，其中，所述的電解槽為二個(gè)或二個(gè)以上電解槽單元構(gòu)成，電解槽單元的空間排布方式為由下而上垂直迭放且相互連通，其電極由下而上呈正負(fù)交替迭加排布；所述的污水入口與最底層的電解槽底部連通，污水出口與設(shè)在最上層的電解槽單元的頂部連通，污水自底部最底層電解槽單元的正電極流經(jīng)各電解槽單元后從污水出口排出，水流方向垂直于電極。提高了有機(jī)物的處理效率，降低了能耗和處理成本。此外，本裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，組裝、維護(hù)和使用均十分方便。
文檔編號(hào)C02F1/461GK201052979SQ20072006923
公開日2008年4月30日 申請(qǐng)日期2007年4月24日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月24日
發(fā)明者冷健雄, 耿書良, 蔡乃才 申請(qǐng)人:上海怡杉環(huán)保科技有限公司