一種流化態(tài)電催化內(nèi)電解裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及一種同時去除廢水中重金屬及有機污染物的流化態(tài)電催化內(nèi)電解裝置，屬于環(huán)境保護技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，我國重金屬污染物的排放量不斷增加。近幾年，隨著重金屬在環(huán)境中的不斷積累，重大污染事件頻頻發(fā)生，嚴重威脅著人民的生命財產(chǎn)安全，形勢極為嚴峻。據(jù)統(tǒng)計，我國近1/6的耕地受到不同程度的重金屬污染，造成大量糧食重金屬超標，大約36%的膳食鉛攝入量超過安全限量。為此，國家先后出臺了一系列政策和法律法規(guī)，以期消減重金屬的排放，減輕重金屬環(huán)境污染問題，特別是含重金屬廢水排放的污染問題。重金屬污染控制是我國當前環(huán)境污染控制的重點，又是難點。近年來，隨著研究的深入學者們逐漸認識到，許多實際廢水中不僅含有重金屬離子，而且還存在有機污染物，如有色金屬浮選廢水、垃圾滲濾液、電鍍廢水等。這個事實對污水處理技術(shù)提出了更高的要求，即能夠同時去除重金屬離子和降解有機污染物，因此開發(fā)高效經(jīng)濟的重金屬有機復合廢水處理技術(shù)顯得十分重要和迫切。
[0003]重金屬廢水處理方法主要有中和沉淀法、硫化物沉淀法、混凝沉淀法、離子交換法、吸附法等。但傳統(tǒng)方法存在去除效率低、處理時間較長、易造成二次污染、難以實現(xiàn)重金屬資源回收等問題，所以在實際應用中受到了限制。離子交換法、吸附法等則因其處理成本較高、使用限制條件較多、運行穩(wěn)定性較差等，導致在實際中也難得到較廣泛應用。而常用有機廢水的處理方法有生物處理法、絮凝沉淀-氣浮法、化學氧化法(次氯酸、氯氣等化學氧化試劑)、Fenton氧化、臭氧氧化法以及其他高級氧化技術(shù)。但眾多均未能實現(xiàn)或研究重金屬及有機污染物的同時去除。例如，浮選廢水中含有除含有大量重金屬外，還含有捕收劑、起泡劑、有機活化劑、抑制劑、分散劑等有機污染物。由于目前缺乏高效經(jīng)濟的去除重金屬及浮選藥劑等有機污染物處理方法，實際有色金屬選礦浮選行業(yè)廢水仍然采取排入尾礦庫的處理方式進行自然處理，通常無法滿足回用和達標排放要求，存在較大的環(huán)境風險。也正是如此，在發(fā)展與環(huán)境保護的矛盾日益突出的今天，相關(guān)重金屬有機復合廢水的處理已逐漸成為制約有色金屬行業(yè)發(fā)展的主要因素。
[0004]在眾多處理方法中，電化學水處理技術(shù)因清潔、綠色環(huán)保，不會或很少產(chǎn)生二次污染物，易于實現(xiàn)重金屬等資源的回收利用受到學術(shù)界的廣泛關(guān)注。其中，微電解法具有使用范圍廣、工藝簡單等特點。在染料、印染、醫(yī)藥、石油化工以及燃料生產(chǎn)等難生物降解有機廢水的預處理、脫色以及重金屬廢水處理等方面具有顯著效果。
[0005]但微電解法僅利用其自身腐蝕原電池電位來催化重金屬離子在陰極的電沉積，而腐蝕原電池能產(chǎn)生的過電位相對又較小，催化金屬電沉積能力有限，進而導致了微電解法處理廢水時間較長、效率偏低、出水殘留離子濃度偏高。而單獨電解法，在一般電解電壓條件下，出水金屬離子濃度相對還較高，不能達到排放或回用標準要求，為了獲得較低的出水金屬離子濃度就必須以幾何形式增加電解電壓，能耗也幾何形式增長，最終導致處理成本過尚。
[0006]流化床電極因為陰極導電顆粒的流化態(tài)運動而擁有較大的液固接觸表面積，并且由于陰極導電顆粒的流化態(tài)運動而改善了床層中的傳質(zhì)條件，降低了傳質(zhì)阻力，從而電化學極化和濃差極化得到降低很高了傳質(zhì)速率。同時流化床電極因為比普通的平板電極擁有更大的比表面積，所以即使在很高的電流強度下陰極電流密度也很低，在降低能耗方面有著重要意義。流化床電極比固定床更容易實現(xiàn)流化床層內(nèi)的電勢和反應速率均勻分布，所以更適合反應的連續(xù)操作，并且在低濃度溶液和反應活化能較高的一般電極處理效果不佳的反應下反而具有較好的處理效果。
[0007]基于上述電解、微電解和流化態(tài)電極的優(yōu)缺點分析，為開發(fā)高效經(jīng)濟的重金屬廢水處理技術(shù)，本實用新型就傳統(tǒng)微電解在處理含重金屬廢水時存在的局限性，將電催化、微電解和流化床電極等技術(shù)有機的整合于一體，開發(fā)一種新型的重金屬廢水處理技術(shù)，即流化態(tài)電催化內(nèi)電解技術(shù)，以達能能高效去除重金屬廢水中的重金屬的目的，并能最大程度回收廢水中金屬資源。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本實用新型目的在于提供一種流化態(tài)電催化內(nèi)電解的裝置，該裝置將流化態(tài)、電催化和內(nèi)電解有機融合為一體，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，提高對含重金屬和有機污染物復合廢水的處理效果。
[0009]上述裝置包括反應器主體1、填料2、陰極3、陽極4、溢流堰5、預分布器7、進水口8、出水口 9、電源10 ;預分布器7設(shè)置在反應器主體I的下部并與其密封連接，預分布器7包括內(nèi)室、預分布板6，預分布板6設(shè)置在內(nèi)室上端，預分布板6上開有孔，預分布器7的下端設(shè)有進水口 8，進水口 8與內(nèi)室連通；反應器主體I上端設(shè)置有溢流堰5，出水口 9設(shè)置在反應器主體I上端并與溢流堰5連通，陰極3和陽極4設(shè)置在反應器主體I的內(nèi)部，陽極4和陰極3分別與電源10的正負極連接；反應器主體I的內(nèi)部裝有填料2 ;
[0010]所述反應器主體I的上端為中空圓柱體，下端為中空倒圓錐臺；有利于布置預分布器7，預分布器7由倒三角內(nèi)室和預分布板6組成，其中預分布板上孔的孔徑小于填料顆粒粒度，孔徑為l~4mm，開孔率為45~60 %。
[0011]外電場采用在反應器中固定陣列式電極棒引入，能夠靈活調(diào)節(jié)合適的催化電極數(shù)量及極間距，適合大規(guī)模反應器。所述陽極為鐵電極材料和/或鋁電極材料制得的電極棒(兩者混合時以任意比)，陰極為石墨等惰性電極，電極間間距為2~6cm (包括陽極之間、陰極之間、陰陽極之間)；整個反應器內(nèi)填充零價鐵、銅、鋁、碳等中的任意兩種或多種組合的內(nèi)電解填料，填料在栗入廢水的沖擊作用下處于流化態(tài)，流化態(tài)強度可通過調(diào)控廢水流速控制，具體填料顆粒粒徑在20~100目之間有利于實現(xiàn)填料流化態(tài)和保證高效的去處效率。
[0012]本實用新型裝置實現(xiàn)廢水重金屬及有污染物的高效經(jīng)濟的同時去除，反應器的設(shè)計依托的主要原理如下:
[0013]本實用新型的設(shè)計以較為經(jīng)濟的內(nèi)電解法為基礎(chǔ)，為強化內(nèi)電解反應體系的吸附、氧化還原反應、絮凝沉淀等去除效應機制，本實用新型設(shè)計引入了電催化技術(shù)。電催化的引入主要基于以下理論:課題組研究表明電催化作用于鐵、碳等內(nèi)電解體系中，首先，能夠加速內(nèi)電解體系零價鐵的腐蝕速率，能夠在提高內(nèi)電解體系的電流密度的同時增加二價、三價鐵(鋁)及氫氧化鐵(鋁)復合膠體的產(chǎn)生量；其次，使得內(nèi)電解反應體系中可提供更高的過電位，降低氧化還原反應的活化能，并增加鐵、碳等顆粒表面的金屬還原沉積、吸附等的反應活性位點數(shù)量，SEM現(xiàn)象表征了有無電催化存在條件下Cu2+在活性炭陰極還原沉積形貌特征。
[0014]另外，鐵、碳內(nèi)電解反應過程中容易出現(xiàn)填料板結(jié)、失活等問題，為此結(jié)合課題組的研究，流化床技術(shù)被引入了反應器設(shè)計中，流化態(tài)的設(shè)計不僅能夠克服固定床反應器處理過程易于板結(jié)、失活等問題影響反應速率、處理能力；而且通過調(diào)控流速，整個反應器內(nèi)導電填料顆粒處于流化態(tài)狀態(tài)，使得反應體系擁有較大的液、固接觸表面積，與固定床相比，層中的傳質(zhì)條件得到有效改善床，從而降低傳質(zhì)阻力，減少體系的電化學極化和濃差極化，有效加強體系的液相、液固兩相之間的傳質(zhì)速率和電子傳遞能力。
[0015]本新型流化態(tài)電催化內(nèi)電解反應裝置實現(xiàn)廢水中重金屬及有機污染物同時高效的去除；采用的具體技術(shù)方案為:含重金屬及有機污染物的復合廢水經(jīng)過或不經(jīng)過預處理，廢水預處理的方式為常用預處理方式(沒有特定要求)，預處理主要去除廢水中的大件垃圾、大顆粒漂浮物SS、預調(diào)節(jié)pH等，預處理后的重金屬有機復合廢水經(jīng)水栗栗入流化態(tài)電催化內(nèi)電解裝置中，通過預分布器分流，流化態(tài)強度由進水流速調(diào)節(jié)，廢水經(jīng)流化態(tài)電催化鐵、碳填料層處理后，一般調(diào)節(jié)廢水流速為20~25mm/s ;調(diào)節(jié)pH至3.0-5.0 (pH調(diào)節(jié)可采用石灰石、廢酸、廢堿等酸堿試劑)；電壓為9~12V，室溫下廢水在曝氣或不曝氣情況下運行處理30~60min后，由反應器上方經(jīng)溢流堰后排出。流化態(tài)電催化內(nèi)電解反應裝置出水經(jīng)鐵、鋁氫氧化物膠體自絮凝沉淀、固液分離等后處理設(shè)施處理后出水可滿足廢水排放標準要求或回用于生產(chǎn)。
[0016]本實用新型所述外電場是直流電場、交流電場和脈沖電場中的一種電場或幾種電場，電場輸入電壓為9~12V，而電解或電絮凝則需要較高輸出電壓才能達到較高效去除效果O
[0017]本實用新型所述的內(nèi)電解填料可以是鐵、銅、鋁、碳等中的任意兩中或多中組合，填料床層形式為流化床。本實用新型所述流化態(tài)電催化內(nèi)電解反應器出水的后處理方式為自絮凝沉淀，該后處理操作簡單，僅需調(diào)節(jié)PH，不用外加絮凝劑，即利用流化態(tài)電催化內(nèi)電解反應生成的氫氧化鐵、氫氧化鋁等納米膠體物質(zhì)，通過自絮凝、共沉淀及吸附等作用進一步去除殘留的重金屬和有機污染物，自絮凝調(diào)節(jié)PH為7~9，上清液即可達標外排。
[0018]本實用新型去除廢水中重金屬離子的作用機制是在電催化作用下重金屬離子在較大比表面積的填料表面電化學還原沉積(如銅離子被還原為單質(zhì)銅)和電化學反應生成鐵、鋁的氫氧化物膠體絮凝、沉淀而得于快速去除。
[0019]本實用新型去除廢水中有機污染物的作用機制是通過電化學還原脫出有機污染物中的毒性基團(如鹵素、磺酸、硝基、芬羥基等基團)；而脫出毒性基團后的有機污染物中間體被電化學反應原位產(chǎn)生的[O] ,H2O2 -OH等活性氧化物質(zhì)氧化分解為無機物或有機小分子。
[0020]本實用新型為保證同時有效的處理重金屬和有機污染物，可采取分步控制該反應器條件或兩個流化態(tài)電催化內(nèi)電解反應裝置串聯(lián)使用，首先控制該反應器(或串聯(lián)的前反應器)為無氧環(huán)境，保證體系處于較低電位狀態(tài)，有利于污染物的還原反應；而后該反應器(串聯(lián)的后反應器)進行曝氣，曝氣可以采用空氣或純氧曝氣，使得體系處于較高電位狀態(tài)，有利于羥基自由基的生成，高效氧化除去有機污染物。
[0021]本實用新型中該方法處理出水可根據(jù)實際用途或排放情況再經(jīng)過