專利名稱：一種原位電產(chǎn)生H₂O₂協(xié)同O₃氧化的廢水處理裝置及方法
一種原位電產(chǎn)生H2O2協(xié)同O3氧化的廢水處理裝置及方法技術(shù)領(lǐng)域、
本發(fā)明屬于電化學廢水處理技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種原位電產(chǎn)生H2O2協(xié)同O3氧化的廢水處理裝置及方法。
背景技術(shù)：
O3氧化技術(shù)被廣泛用于污水治理和凈化工藝。O3在氧化過程中有兩種機理(1) 直接氧化。在酸性溶液中，由于其氧化還原電位較高2. 07Vvs. NHE7O3分子可親電進攻有機物使其氧化。(2)間接氧化。在堿性溶液中，其氧化還原電位為I. 25V vs.NHE，03*子先產(chǎn)生具有強氧化性的·0Η，從而降解有機物。根據(jù)以上特點，O3氧化具有氧化能力有限、受pH 影響較大等缺陷，不適用于實際污水的處理。
近些年,一些基于O3氧化的高級氧化技術(shù)(如UV/03、H202/03(Peroxone)等)得到了廣泛研究，這些新技術(shù)可有效處理含氯、有機農(nóng)藥以及藥物的污水。
Peroxone過程是指在水溶液中，利用H2O2和O3反應(yīng)產(chǎn)生· OH而降解有機污染物的過程。Ormad等人研究了使用Peroxone過程處理有機氯廢水(三氯殺螨醇和涕滴恩)，結(jié)果表明Peroxone氧化體系比O3氧化體系能更有效的去除氯苯類物質(zhì)。Ku等人將Peroxone 過程用于降解丙酮溶液，其結(jié)果表明(I)在堿性條件下Peroxone降解效率更高(2)H202與 O3的摩爾比為O. 5時，降解效果最佳。
1894年，法國人Fenton在研究中發(fā)現(xiàn)亞鐵離子(Fe2+)與過氧化氫(H2O2)在酸性水溶液中，可以有效氧化酒石酸，這種亞鐵鹽和H2O2的反應(yīng)叫做Fenton反應(yīng)。隨著進一步的研究，電-芬頓(Electro-Fenton)綜合了電化學過程和Fenton過程,將電化學過程產(chǎn)生的 Fe2+和H2O2作為Fenton試劑的持續(xù)來源，在反應(yīng)過程中無須添加任何試劑，且大大提高了 Fenton處理的效率?；诖?可在Peroxone反應(yīng)中引入電化學持續(xù)產(chǎn)H2O2過程,從而進一步提高Peroxone過程降解有機污染物的效率。發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種原位電產(chǎn)生H2O2協(xié)同 O3氧化的廢水處理裝置及方法，完全不需加藥劑，利用電化學方法持續(xù)、高效產(chǎn)生H2O2，并能與O3迅速反應(yīng)產(chǎn)生· OH高效去除水體中難降解有機污染物。
為了達到上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為
一種原位電產(chǎn)生H2O2協(xié)同O3氧化的廢水處理裝置，包括反應(yīng)容器4，反應(yīng)容器4的底部設(shè)有磁力攪拌器I，攪拌磁子2設(shè)在反應(yīng)容器4內(nèi)，反應(yīng)容器4的內(nèi)部設(shè)有不銹鋼微孔曝氣頭3、惰性陽極5和氣體擴散陰極6，攪拌磁子2、不銹鋼微孔曝氣頭3、惰性陽極5和氣體擴散陰極6浸沒在廢水溶液中，惰性陽極5和氣體擴散陰極6豎直相對，反應(yīng)容器4還設(shè)有通入O3的管路，惰性陽極5和氣體擴散陰極6采用直流電源。
陰極O2還原過程需要對廢水溶液進行微孔曝氣，所曝氣體為O2與O3的混合氣體， 其中O2體積分數(shù)大于95%，所曝O3的量為0-20g/ (h · L廢水)，采用不銹鋼微孔曝氣，曝氣流量范圍為0-0. 5L/min,曝氣同時伴隨著800_1200rpm的攪拌。
所述的氣體擴散陰極6采用炭黑-聚四氟乙烯(C-PTFE)氣體擴散電極，在直流電場中，制得C-PTFE陰極表面在廢水溶液中形成固液氣三相界面，并于此三相界面處還原溶解的O2生成H2O2，進而與通入的O3反應(yīng)生成具有強氧化性的· 0H。
所述直流電源為恒定電流的直流電源，通電時陰極電流密度范圍為0-60mA/cm2。
所述的廢水的溶液初始TOC范圍為0-100000ppm ;允許的pH范圍為2_12。
一種原位電產(chǎn)生H2O2協(xié)同O3氧化的廢水處理方法，包括以下步驟
第一步，將準備好的惰性陽極5和氣體擴散陰極6插入到廢水溶液中，并將之與直流電源連接，通電時陰極電流密度范圍為0-60mA/cm2 ；
第二步，向反應(yīng)容器4中通過微孔曝氣頭3曝入O2和O3的混合氣體，所曝氣體流速 范圍為0-0. 5L/min ；
第三步，根據(jù)恒定電流、O2和O3混合氣體流量，接通直流電源，處理廢水溶液。
原位電產(chǎn)生H2O2協(xié)同O3氧化處理廢水0. 5h_12h之后，可達到明顯的去除效果。
與傳統(tǒng)電化學處理廢水方法(直接電化學氧化、Electro-Fenton等等)相比,本發(fā)明的獨特優(yōu)點和有益效果如下
(I)不需要加入化學藥劑，大幅降低處理成本。
(2) H2O2由氣體擴散陰極持續(xù)原位產(chǎn)生，提高了安全性能。
(3)持續(xù)原位產(chǎn)生的H2O2與持續(xù)制得的O3可充分發(fā)生反應(yīng)，提高反應(yīng)效率。
(4)處理廢水的pH范圍廣，無需調(diào)節(jié)pH。
(5)處理過程清潔，不會產(chǎn)生污泥以及二次污染。
(6)處理過程中只需控制直流電流以及曝氣流速，易于控制。
(7)可與其他廢水處理技術(shù)聯(lián)用，提高處理效率。
可見，本發(fā)明是處理難降解、高濃度有機廢水的一種高效技術(shù)，具有良好的發(fā)展前旦-5^ O


附圖為本發(fā)明的裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施步驟
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做詳細描述。
參照附圖，一種原位電產(chǎn)生H2O2協(xié)同O3氧化的廢水處理裝置，包括反應(yīng)容器4，反應(yīng)容器4的底部設(shè)有磁力攪拌器I，攪拌磁子2設(shè)在反應(yīng)容器4內(nèi)，反應(yīng)容器4的內(nèi)部設(shè)有不銹鋼微孔曝氣頭3、惰性陽極5和氣體擴散陰極6，攪拌磁子2、不銹鋼微孔曝氣頭3、惰性陽極5和氣體擴散陰極6浸沒在廢水溶液中，惰性陽極5和氣體擴散陰極6豎直相對，反應(yīng)容器4還設(shè)有通入O3的管路，惰性陽極5和氣體擴散陰極6采用直流電源。
陰極O2還原過程需要對廢水溶液進行微孔曝氣，所曝氣體為O2與O3的混合氣體， 其中以O(shè)2體積分數(shù)大于95%，所曝O3的量為0-20g/ (h · L廢水)，采用不銹鋼微孔曝氣，曝氣流量范圍為0-0. 5L/min,曝氣同時伴隨著800_1200rpm的攪拌，有利于反應(yīng)物的液相傳質(zhì)，提高反應(yīng)幾率和處理效果。
所述的氣體擴散陰極6采用C-PTFE氣體擴散電極，在直流電場中，制得C-PTFE陰極表面在廢水溶液中形成固液氣三相界面，并于此三相界面處還原溶解的O2生成H2O2，進而與通入的O3反應(yīng)生成具有強氧化性的· 0H。
所述直流電源為恒定電流的直流電源，通電時陰極電流密度范圍為0-60mA/cm2。
所述的廢水的溶液初始TOC范圍為0-100000ppm ;允許的pH范圍為2_12。
本發(fā)明的工作原理為
參照附圖，向有機廢水的溶液中通入02和03的混合氣體，在直流電場中，廢水中溶解的O2被還原為H2O2，繼而與溶液中溶解的O3發(fā)生反應(yīng)生成具有強氧化性的· 0H，從而氧化降解有機污染物，此過程中需根據(jù)情況，向被處理廢水中加入或不加入一定量電解質(zhì)使其具有良好的導電性能。
一種原位電產(chǎn)生H2O2協(xié)同O3氧化的廢水處理方法，包括以下步驟
第一步，將準備好的惰性陽極5和氣體擴散陰極6插入到廢水溶液中，并將之與直流電源連接，通電時陰極電流密度范圍為0-60mA/cm2 ；
第二步，向反應(yīng)容器4中通過微孔曝氣頭3曝入O2和O3的混合氣體，所曝氣體流速范圍為0-0. 5L/min ；
第三步，根據(jù)恒定電流、O2和O3混合氣體流量，接通直流電源，處理廢水溶液。
下面采用本裝置及方法對幾種廢水進行處理，其結(jié)果如下
實施例I :與O3氧化、電產(chǎn)生H2O2氧化對有機物的去除比較
實驗條件氣體擴散陰極6面積10cm2
惰性陽極5面積1cm2
直流電源100mA
電解質(zhì)0.05M Na2SO4 溶液
O3 濃度60. 82mg/L
曝氣流速0.4L/min
廢水溶液初始TOC值85ppm
廢水溶液初始pH值8. 18
注廢水的溶液為Orange II水溶液，Orange II是一種染料，化學式為C16H11N2NaO4S ；03氧化實驗中直接向溶液中曝混合氣體；電產(chǎn)生H2O2氧化實驗中所曝氣體為純氧氣。
表I不同處理工藝去除效果比較
權(quán)利要求
1.一種原位電產(chǎn)生H2O2協(xié)同O3氧化的廢水處理裝置，包括反應(yīng)容器(4)，其特征在于 反應(yīng)容器(4 )的底部設(shè)有磁力攪拌器(I )，攪拌磁子(2 )設(shè)在反應(yīng)容器(4 )內(nèi)，反應(yīng)容器(4 ) 的內(nèi)部設(shè)有不銹鋼微孔曝氣頭(3)、惰性陽極(5)和氣體擴散陰極(6)，攪拌磁子(2)、不銹鋼微孔曝氣頭(3)、惰性陽極(5)和氣體擴散陰極(6)浸沒在廢水溶液中，惰性陽極(5)和氣體擴散陰極(6)豎直相對，反應(yīng)容器(4)還設(shè)有通入O3的管路，惰性陽極(5)和氣體擴散陰極(6)采用直流電源。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種原位電產(chǎn)生H2O2協(xié)同O3氧化的廢水處理裝置，其特征在于陰極O2還原過程需要對廢水溶液進行微孔曝氣，所曝氣體為O2與O3的混合氣體，其中 O2體積分數(shù)大于95%，所曝O3的量為0-20g/ (h · L廢水)，采用不銹鋼微孔曝氣，曝氣流量范圍為0-0. 5L/min，曝氣同時伴隨著800_1200rpm的攪拌。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種原位電產(chǎn)生H2O2協(xié)同O3氧化的廢水處理裝置，其特征在于所述的氣體擴散陰極(6)采用C-PTFE氣體擴散電極，在直流電場中，制得C-PTFE陰極表面在廢水溶液中形成固液氣三相界面，并于此三相界面處還原溶解的O2生成H2O2,進而與通入的O3反應(yīng)生成具有強氧化性的· 0H。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種原位電產(chǎn)生H2O2協(xié)同O3氧化的廢水處理裝置，其特征在于所述直流電源為恒定電流的直流電源，通電時陰極電流密度范圍為0-60mA/cm2。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種原位電產(chǎn)生H2O2協(xié)同O3氧化的廢水處理裝置，其特征在于所述的廢水的溶液初始TOC范圍為0-100000ppm ;允許的pH范圍為2_12。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種原位電產(chǎn)生H2O2協(xié)同O3氧化的廢水處理裝置，其特征在于廢水處理方法包括以下步驟第一步，將準備好的惰性陽極(5)和氣體擴散陰極(6)插入到被廢水溶液中，并將之與直流電源連接，通電時陰極電流密度范圍為0-60mA/cm2 ；第二步，使用臭氧發(fā)生器向反應(yīng)容器4中通過微孔曝氣頭3曝入03，所曝氣體流速為 0-0. 5L/min ；第三步，根據(jù)恒定電流、O2和O3混合氣體流量，打開氣瓶，接通直流電源，處理廢水溶液。
全文摘要
一種原位電產(chǎn)生H2O2協(xié)同O3氧化的廢水處理裝置及方法，裝置包括反應(yīng)容器，反應(yīng)容器的底部設(shè)有磁力攪拌器，攪拌磁子設(shè)在反應(yīng)容器內(nèi)，反應(yīng)容器的內(nèi)部設(shè)有不銹鋼微孔曝氣頭、惰性陽極和氣體擴散陰極，惰性陽極和氣體擴散陰極豎直相對，反應(yīng)容器還設(shè)有通入O3的管路，惰性陽極和氣體擴散陰極采用直流電源；方法為先將惰性陽極和氣體擴散陰極插入到被處理廢水溶液中，并與直流電源連接，然后使用聚四氟乙烯管將純氧氣與臭氧發(fā)生器連接，并在臭氧發(fā)生器出氣口處接上不銹鋼微孔曝氣頭，插入廢水的溶液底部，最后接通直流電源，處理廢水溶液，本發(fā)明持續(xù)、高效產(chǎn)生H2O2，并能與O3迅速反應(yīng)產(chǎn)生·OH高效去除水體中難降解有機污染物。
文檔編號C02F1/72GK102976451SQ20121054947
公開日2013年3月20日 申請日期2012年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月17日
發(fā)明者王玉玨, 袁實 申請人:清華大學