專利名稱：：一種利用感應電芬頓反應去除水中有機物的方法及裝置的制作方法
技術領域：
：本發明涉及水和廢水處理的一種新型水處理方法及裝置，利用感應電芬頓反應作用來降解水中有機物從而凈化水和廢水。具體是利用高比表面積的活性炭纖維作為陰極，形穩電極作為陽極，將一定面積的感應鐵電極放置于陰陽電極之間，在弱酸性條件下，亞鐵離子可以從感應鐵電極表面通過氧化還原反應或感應電化學反應溶解出來，與在活性炭纖維陰極表面電化學還原生成的過氧化氫發生芬頓反應，產生強氧化性的羥基自由基降解有機物。在電解過程中亞鐵離子與過氧化氫均由反應逐漸加入，可以提高亞鐵離子與過氧化氫反應的效率，可以在較低的亞鐵離子溶出的條件下，達到很好有機物去除目的。
背景技術：
：近年來，隨著石油化工、精細化工、制藥、印染等工業的迅速發展，各種含有大量難生物降解有機污染物的廢水相應增多，給污水處理帶來了極大的難度。近年來難降解廢水的各種高級氧化技術的研究十分活躍。高級氧化技術(Advancedoxidationprocesses，簡稱AOPs)是20世紀80年代開始形成的處理有毒污染物的技術，它的特點是通過反應產生羥基自由基(·OH)降解有機污染物。這些技術中尤其以各種以芬頓反應為基礎的氧化技術最受人們重視。芬頓反應是陽鐵離子和過氧化氫的組合，產生具有非常高的氧化還原電位(E0＝+2.80V)羥基自由基降解有機污染物。這種方法作為強氧化劑的應用已有一百多年的歷史。但在傳統的芬頓反應中，由于過氧化氫的費用較高，亞鐵離子的再生困難，并且在反應過程中隨著兩者濃度的降低，使得反應速率難以維持在較高的水平上，對有機物特別是難降解有機物的降解時間較長，降解效果不夠理想，水處理費用也很高。電芬頓方法利用電解產生過氧化氫或亞鐵離子或者同時電生成這兩種物質，使之構成芬頓試劑反應，從而對有機物進行氧化降解。電芬頓方法的工作方式有三種。第一種是陽極電芬頓法，它利用犧牲鐵電極，通過電極反應生成亞鐵離子與加入的過氧化氫產生芬頓反應，降解有機物。該方法可以實時控制過氧化氫與亞鐵離子的配比，從而達到較高的反應效率，但這種方法需要加入過氧化氫。第二種是陰極電芬頓法，它利用陰極現場產生過氧化氫，與水中的亞鐵離子發生芬頓反應，并且亞鐵離子能夠有效再生。但這種方法要求事先加入亞鐵離子，并且在電芬頓反應初期，由于生成過氧化氫濃度很低，這時亞鐵離子在起到催化劑作用的同時也會捕獲芬頓反應生成的羥基自由基，造成反應效率降低，而在反應的后期，亞鐵離子的濃度不足以滿足生成過氧化氫的量，也會造成反應效率的降低。第三種方法是通過電極反應生成芬頓反應所需的兩種物質，它可以在發生芬頓反應的同時利用過量的鐵離子生成氫氧化物絮凝沉淀去除有機污染物。但這種方法會造成反應溶液pH升高，不利于芬頓反應的進行。(芬頓反應的pH范圍在2-4之間，以pH＝3時為最佳)。
發明內容本發明的目的是將鐵感應電極引入到以高比表面積活性碳纖維為陰極的電芬頓反應中，在反應過程中亞鐵離子不斷從犧牲電極表面通過氧化還原反應和電感應反應溶解下來，使電芬頓反應成為一個簡單高效的設備，充分利用亞鐵離子與過氧化氫同時逐漸從電化學反應過程中產生，更加充分發揮電芬頓反應氧化作用，使水質得到凈化。本發明采用高比表面積的活性碳纖維作為陰極，氧分子可以在其表面高效電化學還原生成過氧化氫，并且由于對電芬頓反應器引入犧牲鐵電極，利用氧化還原反應與電感應反應，使亞鐵離子不斷從犧牲鐵電極表面產生出來，與陰極產生的過氧化氫發生芬頓反應而使有機物高效降解，從而提高電化學氧化的效率。本發明的反應裝置如附圖所示。陽極板1和陰極板2以一定間隔固定在反應器8中，并將一定面積的感應鐵電極4垂直固定在電極板之間，反應溶液由磁力攪拌器3攪拌循環，將直流穩壓電源5的電流施加到陽極板1和陰極板2上，氧氣由導氣管6導入。電化學反應的電壓和電流由穩壓電源5控制。樣品由取樣口7定時取出分析溶液TOC和色度去除。本發明的具體方法如下將陽極板1和陰極板2以一定的間距固定于圓形反應器8中，并將感應鐵電極垂直固定于兩極板之間，同時連接好電源的線路。將pH3左右的含一定濃度有機物廢水注入到反應器8中，加入一定量的支持電解質并用磁力攪拌器3攪拌溶液。在反應開始前通入氧氣5分鐘以使溶液中溶解氧氣飽和。將電源5接通，通過調節直流穩壓電源5使電化學反應在一定的電流密度下進行，通過調節電流強度、氧氣流量、pH、感應鐵電極面積等條件使電化學反應與有機物進行充分反應，以達到最高去除效率。本發明的特點如下1、通過感應電極發生的電感應反應和氧化還原反應逐漸加入亞鐵離子，與陰極表面產生的過氧化氫發生芬頓反應，從而將電感應產生亞鐵離子與電化學產生過氧化氫過程在一個反應器中集成，高效率發生芬頓反應除去有機物。2、采用具有高比表面積的活性碳纖維作為陰極，氧分子可以在這種電極表面發生電化學還原生成電芬頓反應必需的過氧化氫。3、活性碳纖維具有很好的物理化學性質，在電化學反應中相對穩定。4、該方法采用具有高比表面積的活性炭纖維電極作為陰極，這種電極在電解過程中可以有效吸附有機物，在其表面發生高效的降解反應。5、操作方法簡單，設備緊湊，易于操作。6、各種參數容易控制，可根據需要隨時調節反應參數。7、采用的陽極為形穩陽極，具有非常長的使用壽命，可以在很極端的條件下使用，并且在電解過程中幾乎不溶出，對水不會造成二次污染。實施例實施例1.感應電芬頓與電芬頓反應對有機物的去除效果對比反應目標溶液體積450ml反應目標溶液濃度酸性紅B200mg/L溶液初始pH值3.00極板面積27cm2電解質濃度0.05MNa2S04氧氣流速100ml/min反應時間360min感應電芬頓感應電極面積0.45cm2，電芬頓反應亞鐵離子濃度1mM分別為電芬頓氧化和感應電芬頓氧化處理酸性紅B溶液，處理前后色度和TOC去除情況如表1所示。表1實施例1不同方法對色度和TOC的去除率從實施例1可以看出，感應電芬頓反應可以達到與電芬頓反應相仿的有機物去除效果，色度均能完全去除，感應電芬頓反應TOC去除率略高于電芬頓反應。實施例2.感應電芬頓反應過程中亞鐵離子與總鐵的變化反應目標溶液體積450ml反應目標溶液濃度高純水溶液初始pH值3.00電解質濃度0.05MNa2SO4氧氣流速100ml/min電流強度0.36A感應電極面積0.45cm2反應時間360min處理前后亞鐵離子與總鐵濃度變化情況如表2所示。表2實施例2電流強度對TOC去除情況影響從實施例2可以看出，感應電芬頓反應中溶出的總鐵濃度只有9.26mg/L，比較電芬頓反應所需的56mg/L要小得多。實施例3.不同感應電極面積下感應電芬頓去除酸性紅B反應目標溶液體積450ml反應目標溶液濃度酸性紅B200mg/L溶液初始pH值3.00極板面積27cm2電解質濃度0.05MNa2SO4感應鐵電極面積0cm2，0.25cm2，0.45cm2和0.76cm2氣體流速100ml/min電流強度360mA不同面積感應電極電芬頓反應對酸性紅B溶液進行處理，處理前后TOC去除情況如表3所示。表3實施例3不同感應鐵電極面積對TOC去除影響<tablesid="table2"num="002"><tablewidth="766">感應鐵電極面積(cm2)00.250.450.76TOC去除情況45％58％76％78％</table></tables>由實施例3可以看出，隨著感應鐵電極面積的增加，方法的TOC去除率提高，這是由于產生的亞鐵離子濃度提高促進產生更多的羥基自由基，有利于有機物的更好的礦化去除。實施例4.不同電流強度下感應電芬頓去除酸性紅B反應目標溶液體積450ml反應目標溶液濃度酸性紅B200mg/L溶液初始pH值3.00極板面積27cm2電解質濃度0.05MNa2SO4感應鐵電極面積0.45cm2氣體流速100ml/min電流強度120mA，240mA，360mA，500mA不同電流強度下感應電芬頓反應對酸性紅B溶液進行處理，處理前后TOC去除情況如表4所示。表4實施例4不同電流強度對TOC去除影響由實施例4可以看出，隨著電流強度的增加，方法的TOC去除率提高，這是由于產生的亞鐵離子濃度，過氧化氫濃度分別提高，促進產生更多的羥基自由基，有利于有機物的更好的礦化去除的緣故。權利要求1.一種去除水中有機污染物的感應電芬頓方法，其特征在于將感應鐵電極引入電芬頓反應，電極過程中感應鐵電極通過感應電化學反應和氧化還原反應溶出亞鐵離子，在弱酸性條件下與在活性碳纖維陰極表面還原產生的過氧化氫反應生成羥基自由基，氧化降解有機污染物。2.如權利要求1所述的方法，其中感應鐵電極可以是各種形狀與狀態的單質鐵。3.如權利要求1所述的方法，其中電芬頓反應用活性炭纖維、石墨、碳纖維氈等作為陰極，用SnO2/Ti、PbO2/Ti、鈦-釕電極等作為陽極。4.如權利要求1所述的方法，其中采用活性炭纖維作為陰極，該電極具有導電，高比表面積等特點，具有很強的吸附能力，具有準三維電極的性質，因此具有更高的反應效率。5.按照權利要求1所述的方法，反應在pH在2-5左右的酸性條件下進行。6.一種利用感應電芬頓反應去除水中難降解有機物的裝置，其特征在于，將感應鐵電極引入電芬頓反應器中，使用以炭基電極作為陰極，如活性碳纖維，形穩陽極(DSA)作陽極，陰極區有氧氣通入的電化學反應器，溶液pH值在2-5左右，通入電流使反應進行，并通過控制反應的電流強度、感應鐵電極面積、電解質濃度、pH值等，實現對水中的有機物的有效去除。7.按照權利要求6所述的裝置，其特征在于，感應電極采用各種形狀各種狀態存在的鐵單質。8.按照權利要求6所述的裝置，其特征在于，感應電芬頓反應采用活性炭纖維、石墨、碳氈等作為陰極，用SnO2/Ti、PbO2/Ti、鈦-釕電極等形穩電極作為陽極。9.按照權利要求6所述的裝置，其特征在于，在陰極區有氧氣注入，也可以直接利用陽極電解水生成的氧氣，或者注入空氣以使溶液達到更高的溶解氧濃度，更有利于產生過氧化氫。全文摘要本發明提供了一種去除水中難降解有機物的感應電芬頓方法，將感應鐵電極引入到電芬頓反應中，在電解過程中亞鐵離子可以不斷從鐵電極表面通過氧化還原反應和電化學感應反應溶出，與陰極表面生成的過氧化氫發生芬頓反應，高效產生羥基自由基降解水中有機物。本發明還提供了一種利用感應電芬頓反應去除水中有機污染物的裝置，它包括反應器以活性炭纖維作為陰極，形穩電極作為陽極，將一定面積的鐵感應電極置于陰陽電極之間，并且通入一定量的氧氣至陰極表面。在反應器中加入pH3左右的有機廢水，通入電流電解可以去除污染物。本發明采用氧化還原反應和電化學感應反應逐漸產生芬頓反應需要的亞鐵離子、與電化學生成的過氧化氫發生芬頓反應更有效產生的羥基自由基快速高效降解有機物，達到去除污染的目的。文檔編號C02F1/46GK1789154SQ20041009859公開日2006年6月21日申請日期2004年12月15日優先權日2004年12月15日發明者曲久輝,王愛民,劉會娟,雷鵬舉申請人:中國科學院生態環境研究中心