專利名稱：一種處理廢水的微波電化學方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于用電化學方法處理有機污染廢水技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種處理廢水的微波電化學方法及其裝置。
背景技術(shù)：
隨著社會工業(yè)化的不斷發(fā)展，全球的環(huán)境問題日漸突出，尤其是大量工農(nóng)業(yè)污水和生活廢水的排放使得水體遭受到有機物的嚴重污染；由于有機污染物呈現(xiàn)出種類繁多、物質(zhì)結(jié)構(gòu)復雜、有毒有害性強、濃度高等一系列特點，因此近些年來如何處理水體中的難生物降解有機污染物是環(huán)保研究中的重點和難點。
高級氧化技術(shù)是一類目前被認為具有良好發(fā)展前景的熱門研究技術(shù)，主要包括濕式催化氧化、光催化氧化、電催化氧化、微波、聲化學氧化、臭氧氧化、超臨界水氧化等。這些技術(shù)對某些種類的有機污染物有較好的降解效果，可以達到完全降解或轉(zhuǎn)變成可以生物降解的產(chǎn)物再采取后續(xù)處理的目的，但往往存在如下問題采用單一氧化技術(shù)時，降解效率較低，廢水成分復雜時效果不理想等缺陷。因此有必要發(fā)展這些高級氧化技術(shù)的聯(lián)用或協(xié)同作用。
將電化學氧化與微波技術(shù)有機組合成為微波活化電化學氧化方法是一種解決上述問
題的新型方法，它并不是電化學氧化與微波氧化的簡單疊加。利用這種方法降解有機污染
物，除了發(fā)揮這兩種技術(shù)自身的作用，還有兩者相結(jié)合的耦合作用，所以降解效果非常理術(shù)百
電極材料是電化學氧化技術(shù)的核心，選用的電極必須具有氧化能力強、可以在微波環(huán)境下持續(xù)工作這兩個特點。傳統(tǒng)的碳電極和金屬氧化物電極在微波作用下極易損壞，工作壽命有限；而金屬電極則對污染物的氧化降解能力不強。而且這些電極表面容易污染，因此不是電化學氧化與微波技術(shù)組合的理想電極材料。

發(fā)明內(nèi)容
現(xiàn)有的單一電化學氧化技術(shù)存在降解效率低，電極容易失活等缺點。本發(fā)明的目的是提供一種可以高效處理難生物降解有機廢水的微波電化學方法及其裝置。本發(fā)明提出的處理廢水的微波電化學方法，具體步驟如下
打開蠕動泵使污水從存儲池進入反應器，通過流量計控制其流量；然后在陽極和陰極間施加電壓進行恒電流降解；同時啟動微波爐施加微波強化電化學降解，根據(jù)待處理水樣的情況，調(diào)節(jié)浸入水體中的電極實際工作面積、極間距、電流密度以及微波的功率；當待處理水樣體積在200-300ml時，陽極和陰極的面積均為20-30cm2，陰極和陽極間距為l-3cm，電流密度為5-60mA/cm2。
本發(fā)明中，所述恒電流降解處理時間為2-5h。
本發(fā)明中，當待處理水樣體積為200-300ml時，微波爐的功率為110-200W。本發(fā)明中，所述待處理水樣包括高濃度染料廢水、具有毒性的PAE類污染物、氧化電位高難以電化學降解污染物等，具體包括2， 4 —二氯苯氧乙酸、甲基橙、鄰苯二甲酸。本發(fā)明提出的處理廢水的微波電化學裝置，包括反應器l、陽極2、陰極3、直流電源4、蠕動泵5、流量計6、恒溫槽7和管道8，其中陽極2、陰極3分別插入反應器1內(nèi)，陽極2和陰極3通過直流電源4連接，反應器l安置于微波爐中，管道8—端插入反應器l內(nèi)，另一端依次穿過蠕動泵5、流量計6、恒溫槽7，插入反應器l，實現(xiàn)流動循環(huán)進樣降解。
本發(fā)明中，所述陰極3為鈦電極、鉑電極或不銹鋼電極中任一種，所述陽極2為摻硼金剛石膜電極。其中金剛石膜電極是采用化學氣相沉積(CVD)法在硅基底上沉積高摻硼的金剛石薄膜。(相關(guān)文獻Einaga Y, Sato R, Olivia H, et al. Modified diamond electrodes forelectrolysis and electroanalysis applications. Electrochimica Acta" 2004,Vol.49(22-23):3989 3995.)。
使用該裝置對2， 4一二氯苯氧乙酸、甲基橙、鄰苯二甲酸和苯甲酸等有機廢水進行處理發(fā)現(xiàn)，以摻硼金剛石膜電極的微波電化學新方法的降解效果非常理想。與單獨電化學氧化相比，相同時間內(nèi)的去除率分別提高了 119% —180%。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點
1. 由于本發(fā)明采用了摻硼金剛石膜電極為陽極材料，這種電極具有電勢窗口寬、背景電流低、表面狀態(tài)穩(wěn)定、重現(xiàn)性好和耐腐蝕等其他電極所不具備的優(yōu)點，通過直接氧化和產(chǎn)生羥基自由基的間接氧化可以達到普通電極難以比擬的降解效果。
2. 本發(fā)明采用了微波技術(shù)與電化學氧化的組合方法。微波的熱效應可以增強電化學反應過程中電極與溶液之間的固液傳質(zhì)過程，充分發(fā)揮金剛石膜電極氧化能力強的特點；同時能夠減緩電極的鈍化，使電極表面保持較多的活性位點，從而可以活化電極表面，使電極保持較好的活性；此外微波還會促進羥基自由基的產(chǎn)生，加快降解速率。因此微波強化電化學氧化技術(shù)具有氧化效率高、應用范圍廣的特點。
43.摻硼金剛石膜電極非常穩(wěn)定，不易被微波損壞，適合于在微波環(huán)境中長期工作，是電化學氧化與微波組合新方法的理想陽極材料。


圖1本發(fā)明的摻硼金剛石膜電極在微波電化學處理前后表面結(jié)構(gòu)的掃描電鏡(SEM)表征對比的照片。其中(A)為處理前照片，(B)為處理后照片。
圖2本發(fā)明的微波強化摻硼金剛石膜電極電化學水處理裝置示意圖。圖中標號1為反應器，2為陽極，3為陰極，4為直流電源，5為蠕動泵，6為流量計，7為恒溫槽，8為管道。
具體實施例方式
下面通過實例進一步說明本發(fā)明。
實施例l:如圖2所示，本裝置由反應器l、陽極2、陰極3、直流電源4、蠕動泵5、流量計6、恒溫槽7和管道8組成。陽極2采用摻硼金剛石膜電極，陰極3采用鈦電極，其中陽極2、陰極3分別安置在反應器1內(nèi)，陽極2和陰極3由直流電源4通電，反應器l安置于微波爐中，管道l一端插入反應器l內(nèi)，另一端依次穿過蠕動泵5、流量計6、恒溫槽7，插入反應器l，實現(xiàn)流動循環(huán)進樣降解。
實施例2，以2， 4一二氯苯氧乙酸廢水作為待處理水樣
水樣的CODcr為115mg/L， pH為6，支持電解質(zhì)硫酸鈉的濃度為0.05mol/L，體積為100ml。分別作為陽極和陰極的摻硼金剛石膜電極和鈦電極的面積為5.5cm2,電極間距為lcm，電流密度為20mA/cr^進行恒電流降解，微波的頻率為2450MHz，功率為120W。以單獨電化學降解作為對比試驗進行效果比較。單獨電化學氧化降解3h時的CODo去除率僅為54%;采用微波強化摻硼金剛石膜電極電化學氧化技術(shù)3h時的去除率大幅提高至88Q%，去除率提高了63%。
由圖l可見(SEM的型號為Quanta200 FEG，廠家為FEI。)，將摻硼金剛石膜電極在電流密度為20mA/cm2，微波頻率為2450MHz，功率為120W的條件下微波電化學降解30次，(圖1A為反應前，圖1B為反應后的電極表面形貌)，比較發(fā)現(xiàn)表面狀態(tài)沒有任何變化，說明這種電極在微波作用下性能穩(wěn)定，工作壽命長。
實施例3以甲基橙廢水作為待處理水樣
水樣的TOC(總有機碳)為101.5mg/L，pH為5，支持電解質(zhì)硫酸鈉的濃度為0.05mol/L，體積為100ml。分別作為陽極和陰極的摻硼金剛石膜電極和鈦電極的面積為5.5cm 極間距為lcm，電流密度為20mA/cn^進行恒電流降解，微波的頻率為2450MHz，功率為120W。以單獨電化學降解作為對比試驗進行效果比較。單獨電化學氧化降解3h時的CODcr去除
率僅為49%;采用微波強化摻硼金剛石膜電極電化學氧化技術(shù)3h時的去除率大幅提高至
96%，去除率提高了96%。
在實際應用的大型處理設(shè)備中，隨著廢水處理量的增多，可以通過調(diào)節(jié)電極面積、電
流密度以及微波頻率、功率等措施保證降解效果。對于處理量在100ml-2L范圍內(nèi)，調(diào)節(jié)
電極面積和電流密度，使得電流隨處理量等比例增大，同時在120-200W內(nèi)調(diào)節(jié)微波功率，
即可保證廢水中有機污染物的處理效果。
此外，處理量放大對極間距的影響不大，極間距在l-3cm內(nèi)調(diào)節(jié)即可。上述實例證明對于2， 4一二氯苯氧乙酸和高濃度的染料廢水，采用微波與電化學組
合的微波強化慘硼金剛石膜電極電化學水處理方法的降解效果都非常理想。這種方法是對
現(xiàn)有環(huán)保技術(shù)的突破和發(fā)展，能夠起到保護水資源的作用，符合目前國家提倡的環(huán)保意識，
兼具十分廣闊的應用前景和產(chǎn)業(yè)開發(fā)價值。
權(quán)利要求
1、一種處理廢水的微波電化學方法，其特征在于具體步驟如下打開蠕動泵使污水從存儲池進入反應器，通過流量計控制其流量；然后在陽極和陰極間施加電壓進行恒電流降解；同時啟動微波爐施加微波強化電化學降解，根據(jù)待處理水樣的情況，調(diào)節(jié)浸入水體中的電極實際工作面積、極間距、電流密度以及微波的功率；當待處理水樣體積在200-300ml時，陽極和陰極的面積均為20-30cm2，陰極和陽極間距為1-3cm，電流密度為5-60mA/cm2。
2、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的處理廢水的微波電化學方法，其特征在于所述恒電流降解 處理時間為2-5h。
3、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的處理廢水的微波電化學方法，其特征在于當待處理水樣體 積為200-300ml時，微波爐的功率為110-200W。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的處理廢水的微波電化學方法，其特征在于所述待處理水樣 包括高濃度染料廢水、具有毒性的PAE類污染物或氧化電位高難以電化學降解污染物中 任一種。
5、 一種處理廢水的微波電化學裝置，包括反應器(l)、陽極(2)、陰極(3)、直流電源(4)、 蠕動泵(5)、流量計(6)、恒溫槽(7)和管道(8)，其特征在于陽極(2)、陰極(3)分別插入反應器 (l)內(nèi)，陽極(2)和陰極(3)通過直流電源(4)連接，反應器(l)安置于微波爐中，管道(8)—端插 入反應器(l)內(nèi)，另一端依次穿過蠕動泵(5)、流量計(6)、恒溫槽(7)，插入反應器(l)，實現(xiàn) 流動循環(huán)進樣降解。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的處理廢水的微波電化學裝置，其特征在于所述陰極(3)為鈦 電極、鉑電極或不銹鋼電極中任一種，所述陽極(2)為摻硼金剛石膜電極。
全文摘要
本發(fā)明屬于用電化學方法處理有機污染廢水技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種處理廢水的微波電化學方法及其裝置。本發(fā)明在微波作用下工作穩(wěn)定的摻硼金剛石膜電極作為電化學降解處理的陽極材料。所使用的裝置包括恒溫槽、蠕動泵、流量計、反應器、摻硼金剛石膜電極(陽極)、鈦電極(陰極)、微波爐。本發(fā)明借助微波促進有機污染物的傳質(zhì)過程，同時活化摻硼金剛石膜電極，增加電極的活性，加快電化學氧化反應速率。與單純電化學氧化相比，在相同時間內(nèi)對2，4-二氯苯氧乙酸的去除率提高了152％。本方法操作簡便，對有機廢水的處理效果好，具有廣闊的應用前景和開發(fā)潛力。
文檔編號C02F9/08GK101671085SQ20091019721
公開日2010年3月17日 申請日期2009年10月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月15日
發(fā)明者呂保櫻, 趙國華, 高俊俠 申請人:同濟大學