專利名稱：復(fù)合三維電場催化濕式氧化反應(yīng)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于水和廢水處理與凈化技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種復(fù)合三維電場催化濕式氧化 反應(yīng)裝置。
技術(shù)背景針對目前廢水處理中常見的高濃度、難降解有毒有害有機廢水，催化濕式氧化工藝和 電催化氧化工藝已被證明是處理該類廢水的最具代表性的高級氧化技術(shù)，并且都具有良好 的效果和應(yīng)用前景。尤其是催化濕式氧化工藝，然而其實際應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)在于進一步降 低反應(yīng)的溫度和壓力。通過分析發(fā)現(xiàn)，這兩種處理技術(shù)存在一定的共同點。首先反應(yīng)器方 面，催化濕式氧化和電催化氧化都有固定床反應(yīng)器這一操作形式，故可在固定床的催化濕 式氧反應(yīng)器中心位置設(shè)置一個電極為陽極，不銹鋼反應(yīng)管外壁即可作為陰極并在反應(yīng)過程 中受到保護。其次催化劑方面，類似顆?；钚蕴?、負載型氧化物等既可用作催化濕式氧化 反應(yīng)中的催化劑，又可以作為三維電場的床電極。這兩個共同點的存在說明該協(xié)同作用在 技術(shù)上是可行的。另外，這兩種處理技術(shù)都存在著缺點和不足之處，如若將兩種氧化技術(shù) 聯(lián)合起來，利用電場作用對催化濕式氧化工藝的協(xié)同增效，結(jié)果會相當令人鼓舞。到目前 為止，有關(guān)兩者單獨應(yīng)用的研究較多，未見有關(guān)協(xié)同工藝連續(xù)流處理廢水的報道。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種復(fù)合三維電場催化濕式氧化反應(yīng)裝置。本發(fā)明提出的復(fù)合三維電場催化濕式氧化反應(yīng)裝置，由反應(yīng)器1、柱塞計量泵4、預(yù) 熱器9、熱電偶ll、冷凝器13，氣液分離器14、數(shù)模轉(zhuǎn)換器23、 PC機24組成，其中，所述反應(yīng)器1呈圓柱狀結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部同心放置有電解陽極2，反應(yīng)器1的管壁15作為 保護陰極，在反應(yīng)器l內(nèi)從上至下依次設(shè)置有玻璃珠層18、惰性沙礫層19、催化劑層20、 惰性沙礫層19和玻璃珠層18;反應(yīng)器1上方的兩側(cè)設(shè)有出水口21，反應(yīng)器l底部設(shè)有氣 液混合進口 16，反應(yīng)器1的管壁15外設(shè)有銅套管10;進水池3通過閥門22、柱塞計量泵4連接預(yù)熱器9，氧氣瓶5依次通過調(diào)壓閥6、壓 力表7連接質(zhì)量流量計8，質(zhì)量流量計8連接預(yù)熱器9，液體和氣體在預(yù)熱器9中混合、 預(yù)熱后經(jīng)氣液混合進口 16進入反應(yīng)器1;反應(yīng)器1的出水口 21通過管道連接冷凝器13，冷凝器13通過閥門22連接氣液分離 器14;銅套管10外設(shè)有加熱部件，加熱部件通過熱電偶11 一端連接反應(yīng)器1外壁及內(nèi)部所 需加熱部位，預(yù)熱器9外設(shè)有加熱部件，加熱部件通過熱電偶11 一端連接預(yù)熱器9的加 熱部位，熱電偶11另一端連接數(shù)模轉(zhuǎn)換器23，數(shù)模轉(zhuǎn)換器23連接PC機24。本發(fā)明中，氣液分離器14上設(shè)有背壓閥，背壓閥與壓力表7相連。本發(fā)明中，電解陽極2連接直流穩(wěn)壓電源12的正極，反應(yīng)器1的外壁連接直流穩(wěn)壓 電源12的負極，巧妙地實現(xiàn)了在濕式氧化反應(yīng)中疊加新的物理場。本發(fā)明中，所述氣液混合進口 16、反應(yīng)器1上方兩側(cè)的出水口 21和冷凝器13的管道 相連處分別連接壓力表7。本發(fā)明中，所述加熱部件可以采用爐瓦17，通過爐瓦17經(jīng)銅套管10對反應(yīng)器1進行 均勻加熱，通過爐瓦17對預(yù)熱器9進行均勻加熱。本發(fā)明中，所述熱電偶11為3-6個。本發(fā)明中，電解陽極2采用鈦基電極。本發(fā)明中，所述催化劑層的催化劑采用三維粒子電極催化劑，該催化劑即充當三維電 場的床電極，又充當催化濕式氧化的催化劑。所述的反應(yīng)器集合了電催化氧化和催化濕式氧化的雙重功能，所述的加熱部件在控制系統(tǒng)的作用下溫控精確度達土rc;在反應(yīng)器內(nèi)部催化劑層的上、下方分別布置有分布層和過濾層；該反應(yīng)裝置的出水部分有冷凝器和氣液分離器組成。本發(fā)明中所述的反應(yīng)器內(nèi)部，催化劑床層的進水端設(shè)置了有無孔玻璃珠和惰性石英砂 組成的均勻布水、氣層，出水端設(shè)置了惰性石英砂和無孔玻璃珠組成的過濾層。本發(fā)明提出的復(fù)合三維電場催化濕式氧化高難度難降解有機廢水處理工藝，其原理在于(1) 三維電催化氧化機理。在傳統(tǒng)二維電解槽兩電極間填充粒狀材料，構(gòu)成三維立 體電極。填充的粒子在高梯度的電場作用下，感應(yīng)而成為復(fù)極性粒子，每個粒子相當于一 個微電解池，有效增大了電極的表面積，促進反應(yīng)物的遷移，加快反應(yīng)的速率，從而提高 電流效率，并且降低了對陽極的苛刻要求，利用有催化活性的陽極電極反應(yīng)，產(chǎn)生HO— 類的強氧化型基團，從而氧化降解有機物。(2) 催化濕式氧化機理。催化濕式氧化工藝通過在濕式氧化工藝中加入催化劑，降 低了反應(yīng)的活化能，從而緩和了反應(yīng)的苛刻條件，產(chǎn)生大量的HO將液相中的有機物氧化 成無機物或小分子有機物。(3) 結(jié)合電催化氧化技術(shù)的特點，通過"疊加"新的物理場(復(fù)合三維電場)效應(yīng)， 刺激OH.的產(chǎn)生，同時又能促進吸附在催化劑活性位上的有機物分子發(fā)生進一步活化，即復(fù)合三維電場效應(yīng)與催化濕式氧化作用巧妙結(jié)合了傳統(tǒng)三維電極電催化氧化和催化濕式 氧化技術(shù)的優(yōu)勢，避免了各自的局限性，通過耦合作用產(chǎn)生出為單一催化濕式氧化技術(shù)或 電催化氧化技術(shù)無法達到的功效，從而使廢水中的有機物在較低的溫度和壓力下氧化降解 成低毒或無毒的小分子物質(zhì)，甚至直接降解成C02和H20，接近完全礦化。將本發(fā)明裝置用于復(fù)合三維電場催化濕式氧化高難度難降解有機廢水處理工藝，步驟 如下(1) 進水原水經(jīng)初步沉淀過濾后進入進水池3，由柱塞計量泵4增壓，和由氧氣瓶5經(jīng)調(diào)壓閥6調(diào)壓的氣體一起先進入預(yù)熱器9預(yù)熱后進入反應(yīng)器1，調(diào)整氣液分離器14上 方的背壓閥至體系壓力穩(wěn)定在設(shè)定值，反應(yīng)器1加熱達到設(shè)定溫度，氣液分離器14出口 的出流穩(wěn)定；(2) 反應(yīng)達到設(shè)定后的系統(tǒng)即可達到穩(wěn)定的處理效果，進入反應(yīng)器的污水和氣體 經(jīng)過無孔玻璃珠層18和惰性沙礫層19的均勻布置，在催化劑層20同時進行催化濕式氧 化和電催化氧化，使難降解的大分子物質(zhì)逐步礦化成為小分子物質(zhì)，甚至礦化成為二氧化 碳和水；(3) 出水反應(yīng)后的出水經(jīng)過反應(yīng)器1中由惰性沙礫層19和玻璃珠層18組成的過 濾層后排出，先通過冷凝器13降溫，后在氣液分離器14中分離，氣體經(jīng)過上部的背壓閥 排放，液體經(jīng)過底部的閥門排出。本發(fā)明的有益效果本發(fā)明可以有效用于連續(xù)式復(fù)合三維電場催化濕式氧化高濃度有機廢水的實驗研究， 由于反應(yīng)裝置的加熱速率快、溫度控制精確、采樣時系統(tǒng)壓力和槽電壓，因此還可以作為 實際高濃度、難降解有機廢水的預(yù)處理反應(yīng)器。另外，氣液并流向上的固定床反應(yīng)器較好地解決了反應(yīng)過程中副反應(yīng)產(chǎn)物H2在反應(yīng)器內(nèi)積累的問題，使得反應(yīng)過程中在陰極表面因發(fā)生副反應(yīng)析出的H2隨反應(yīng)體系一起流出并流向氣液分離器，確保了整個系統(tǒng)的壓力穩(wěn) 定，運行安全可靠。并且這種布置方式可以對苯酚等有機污染物進行有效地電助催化濕式 氧化處理，是一種新型高效的廢水處理反應(yīng)器。本發(fā)明提出了將三維電場效應(yīng)與催化濕式 氧化作用相結(jié)合的全新構(gòu)思，通過結(jié)合電化學(xué)、催化作用機制、濕式氧化反應(yīng)動力學(xué)、傳 遞過程和化學(xué)反應(yīng)工程等方面的學(xué)科知識，進一步深化了催化濕式氧化技術(shù)處理高濃度難 降解廢水的研究理論。三維電場對催化濕式氧化反應(yīng)的促進作用，使催化濕式氧化反應(yīng)得 以在低溫低壓下進行并保持較高的有機物去除效果，提高了催化劑的穩(wěn)定性和使用壽命， 為低溫低壓催化濕式氧化的發(fā)展開辟了一條嶄新的途徑，進一步推進了催化濕式氧化技術(shù) 的工業(yè)化應(yīng)用進程。


圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)圖示。 圖2為反應(yīng)器1的結(jié)構(gòu)圖示。圖中標號l為反應(yīng)器，2為位于反應(yīng)器內(nèi)的電解陽極，3為進水池，4為柱塞計量泵， 5為氧氣瓶，6為調(diào)壓閥，7為壓力表，8為質(zhì)量流量計，9為預(yù)熱器，IO為銅套管，11為 熱電偶，12為直流穩(wěn)壓電源，13為冷凝器，14為氣液分離器，15為不銹鋼反應(yīng)器管壁， 16為氣液混合進口， 17為爐瓦，18為玻璃珠層，19為惰性沙礫層，20為催化劑層，21 為反應(yīng)器出水口， 22為閥門，23為數(shù)模轉(zhuǎn)換器，24為PC機。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖和具體實施方式
詳細加以說明，以進一步理解本發(fā)明。實施例1:本發(fā)明所提供的復(fù)合三維電場催化濕式氧化反應(yīng)裝置，由反應(yīng)器1、放置于反應(yīng)器內(nèi)的電解陽極2和催化劑、進水池3、柱塞計量泵4、氧氣瓶5、預(yù)熱器9、連接 管道和閥門、安裝有背壓閥的氣液分離器14、直流穩(wěn)壓電源12、數(shù)模轉(zhuǎn)換器23和PC機 24組成(見圖1)。所述的反應(yīng)器1為固定床反應(yīng)器，其內(nèi)部同心放置的鈦基電極作為電 解陽極2，不銹鋼管壁15為保護陰極，在反應(yīng)器l內(nèi)填置催化劑。經(jīng)過初次過濾后的水由 進水池3，經(jīng)過柱塞計量泵4排出，與來自于氧氣瓶5經(jīng)過調(diào)壓閥6和質(zhì)量流量計8后的 氧氣，先經(jīng)預(yù)熱器9充分混合并預(yù)熱，預(yù)熱后的氣液混合體從反應(yīng)器l底部的氣液混合進 口 16進入反應(yīng)器1，反應(yīng)器1經(jīng)過內(nèi)置電熱絲的爐瓦17加熱至設(shè)定溫度，反應(yīng)器1外置 銅套管10以利于爐瓦和不銹鋼反應(yīng)器之間的熱量傳遞。反應(yīng)后的液體經(jīng)過反應(yīng)器1上部 的雙側(cè)出水口 21排出，經(jīng)冷凝管13降低溫度后進入氣液分離器14，氣體產(chǎn)物從氣液分離 器14上部排空，液相產(chǎn)物經(jīng)出水管排出供分析。位于氧氣瓶5處調(diào)壓閥6出口、反應(yīng)器l 的氣液混合進口 16、反應(yīng)器出水口21、氣液分離器14的出口均設(shè)有壓力表7，并通過質(zhì) 量流量計8控制經(jīng)過調(diào)壓閥6調(diào)節(jié)壓力后氧氣瓶5的氣體流量和經(jīng)過氣液分離器14后的 氣體流量，氣液分離器14上的背壓閥同時也起到穩(wěn)定系統(tǒng)壓力的作用。反應(yīng)的預(yù)熱器9、 反應(yīng)器1的外壁中央部位以及反應(yīng)器1外的爐瓦14中央均設(shè)置有熱電偶11，它們與數(shù)模 轉(zhuǎn)換器23相連，最終通過PC機24終端控制反應(yīng)器裝置的溫度。圖2為主體反應(yīng)器管催化劑填置詳圖，其中2為電解陽極，15為不銹鋼反應(yīng)器管壁， 作為陰極起電解保護作用，10為反應(yīng)器外壁的銅套管，16為氣液混合進口。反應(yīng)器l內(nèi) 部自進水端至出水端依次填置玻璃珠層18、惰性沙礫層19、催化劑層20、惰性沙礫層19 和玻璃珠層18。下部的玻璃珠層和惰性沙礫層起到均勻布水、氣的作用，上部的惰性沙礫 層19和玻璃珠層18起過濾催化劑溶出物雜質(zhì)，以防阻塞出水的作用。21為反應(yīng)器出水口。將上述復(fù)合三維電場催化濕式氧化反應(yīng)裝置用于處理高濃度有機廢水，考察了溫度為 130°C，氧分壓為1Mpa，氧氣流量為250mL/min，反應(yīng)空時為27min，電解質(zhì)(Na2S04)濃 度為0.025 niol/L，不同苯酚濃度和電流強度條件下對苯酚的降解性能，并與催化濕式氧 化工藝作對比，如表1所示。表1不同反應(yīng)工藝條件下苯酚的降解性能考察指標復(fù)合三維電場催化濕式氧化工藝催化濕式氧 化工藝苯酚濃度mg/1電流強度A15002000250030000. 250. 50. 751. 0苯酚去除率％96. 395.89487. 791.99497. 784.844. 3TOC去除率％91. 690. 588.479. 586, 988. 493. 47939.4由表l中數(shù)據(jù)可以看出復(fù)合三維電場催化濕式氧化工藝對苯酚降解具有相當好的效果，在較短的停留時間(27min)和較溫和的反應(yīng)條件下(T=130 °C， PO2=4.0Mpa， I=0.5A)， 可使?jié)舛雀哌_2500mg/l苯酚溶液的TOC去除率達到88.4%，苯酚去除率達94.0%，遠遠 高于同等條件下的催化濕式氧化降解的處理效率。
權(quán)利要求
1、一種復(fù)合三維電場催化濕式氧化反應(yīng)裝置，由反應(yīng)器(1)、柱塞計量泵(4)、預(yù)熱器(9)、熱電偶(11)、冷凝器(13)，氣液分離器(14)、數(shù)模轉(zhuǎn)換器(23)、PC機(24)組成，其特征在于所述反應(yīng)器(1)呈圓柱狀結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部同心放置有電解陽極(2)，反應(yīng)器(1)的管壁(15)作為保護陰極，在反應(yīng)器(1)內(nèi)從上至下依次設(shè)置有玻璃珠層(18)、惰性沙礫層(19)、催化劑層(20)、惰性沙礫層(19)和玻璃珠層(18)；反應(yīng)器(1)上方的兩側(cè)設(shè)有出水口(21)，反應(yīng)器(1)底部設(shè)有氣液混合進口(16)，反應(yīng)器(1)的管壁(15)外設(shè)有銅套管(10)；進水池(3)通過閥門(22)、柱塞計量泵(4)連接預(yù)熱器(9)，氧氣瓶(5)依次通過調(diào)壓閥(6)、壓力表(7)連接質(zhì)量流量計(8)，質(zhì)量流量計(8)連接預(yù)熱器(9)，液體和氣體在預(yù)熱器(9)中混合、預(yù)熱后經(jīng)氣液混合進口(16)進入反應(yīng)器(1)；反應(yīng)器(1)的出水口(21)通過管道連接冷凝器(13)，冷凝器(13)通過閥門(22)連接氣液分離器(14)；銅套管(10)外設(shè)有加熱部件，加熱部件通過熱電偶(11)一端連接反應(yīng)器(1)外壁及內(nèi)部所需加熱部位，預(yù)熱器(9)外設(shè)有加熱部件，加熱部件通過熱電偶(11)一端連接預(yù)熱器(9)的加熱部位，熱電偶(11)另一端連接數(shù)模轉(zhuǎn)換器(23)，數(shù)模轉(zhuǎn)換器(23)連接PC機(24)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合三維電場催化濕式氧化反應(yīng)裝置，其特征在于氣液分 離器(14)上設(shè)有背壓閥，背壓閥與壓力表(7)相連。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合三維電場催化濕式氧化反應(yīng)裝置，其特征在于電解陽 極(2)連接直流穩(wěn)壓電源(12)的正極，反應(yīng)器(1)的外壁連接直流穩(wěn)壓電源(12)的 負極。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合三維電場催化濕式氧化反應(yīng)裝置，其特征在于所述氣 液混合迸口 (16)、反應(yīng)器(1)上方兩側(cè)的出水口 (21)和冷凝器(13)的管道相連處分 別連接壓力表(7)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合三維電場催化濕式氧化反應(yīng)裝置，其特征在于所述加 熱部件采用爐瓦(17)。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合三維電場催化濕式氧化反應(yīng)裝置，其特征在于所述熱 電偶(11)為3-6個。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合三維電場催化濕式氧化反應(yīng)裝置，其特征在于電解陽極(2)采用鈦基電極。
8、根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合三維電場催化濕式氧化反應(yīng)裝置，其特征在于所述催 化劑層(20)的催化劑采用三維粒子電極催化劑。
全文摘要
本發(fā)明屬于水和廢水處理與凈化技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種復(fù)合三維電場催化濕式氧化反應(yīng)裝置。由反應(yīng)器、柱塞計量泵、預(yù)熱器、熱電偶、冷凝器，氣液分離器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、PC機組成，反應(yīng)器內(nèi)設(shè)有電解陽極，反應(yīng)器管壁為陰極，反應(yīng)器內(nèi)設(shè)置有玻璃珠層、惰性沙礫層、催化劑層；管壁外設(shè)有銅套管；進水池連接預(yù)熱器，氧氣瓶連接預(yù)熱器，液體和氣體在預(yù)熱器中混合、預(yù)熱后經(jīng)氣液混合進口進入反應(yīng)器；反應(yīng)器出水口通過管道連接冷凝器，冷凝器連接氣液分離器；銅套管外設(shè)有加熱部件，加熱部件通過熱電偶連接預(yù)熱器，熱電偶連接數(shù)模轉(zhuǎn)換器，數(shù)模轉(zhuǎn)換器連接PC機。本發(fā)明可以有效用于連續(xù)式復(fù)合三維電場催化濕式氧化高濃度有機廢水的實驗研究，由于反應(yīng)裝置的加熱速率快、溫度控制精確、采樣時系統(tǒng)壓力和槽電壓，因此還可以作為實際高濃度、難降解有機廢水的預(yù)處理反應(yīng)器。
文檔編號C02F1/461GK101219826SQ20081003302
公開日2008年7月16日 申請日期2008年1月24日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月24日
發(fā)明者芳 張, 李光明, 華 王, 胡惠康, 陳文召 申請人:同濟大學(xué)