專利名稱：一種利用光電芬頓反應高效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高效水處理方法及裝置，利用光助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，紫外燈置于密閉石英管垂直放置于陰陽電極之間，在陰極表面通入氧氣或空氣，氧分子可有效地在活性炭纖維陰極表面還原生成過氧化氫，過氧化氫與溶液中加入的一定量的亞鐵離子或鐵離子發生芬頓反應，同時鐵離子可以在陰極表面和在紫外光照射下發生還原反應生成亞鐵離子繼續參與芬頓反應降解水中有機物，同時電化學產生的過氧化氫可以在紫外光線照射下發生分解生成羥基自由基降解有機物。在陽極電化學氧化、電芬頓、UV/H2O2反應的共同作用下達到高效去除有機物的目的。
背景技術：
長期以來環境中生物難降解有機廢水的處理技術一直是環境治理中的難點，也是困擾國內外環境科學界的重要課題。世界各國普遍關注有機污染問題，紛紛提出了優先控制污染物名單。這些優先控制有機污染物大多具有如下特點①難以降解或根本就不降解，在環境中逐步富集，有一定的殘留水平；②具有生物積累性；③具有“三致”作用或毒性，對人體健康和生態環境構成潛在威脅。傳統的生物法在處理這類有機物時顯得無能為力。現今廣泛使用的方法有混凝沉淀、吸附、化學氧化、離子交換等，但都需要消耗較多的化學藥品和原材料，費用較高，操作復雜，并存在二次污染問題。
近年來利用高級氧化技術處理難降解有機廢水的研究已取得顯著的進展。高級氧化技術(Advanced Oxidation Processes，AOPs)又稱為深度氧化技術，這種過程可以產生高活性氧化中間體羥基自由基，它具有非常高的氧化還原電位(E0＝+2.80V)可以無選擇氧化有機物，使其降解甚至無機化。其中以芬頓反應最具代表性。它利用過氧化氫與亞鐵離子反應產生羥基自由基，可以有效氧化去除傳統廢水處理技術無法去除的難降解有機物。這種方法因其操作簡單、反應快速等優點而備受青睞。隨著研究的深入，又把紫外光UV，電化學等技術引進芬頓方法中，形成了光芬頓和電芬頓反應。其中電芬頓技術是在弱酸性溶液體系中(最佳反應pH約為3.0)，利用氧氣分子在陰極表面電化學還原生成過氧化氫，它與水中的具有催化能力的亞鐵離子發生芬頓反應，產生羥基自由基降解有機物的過程。其中亞鐵離子在反應中起催化劑的作用，即它與過氧化氫反應生成三價鐵離子后，鐵離子會與過氧化氫發生還原反應重新生成亞鐵離子，繼續參與芬頓反應。在電芬頓反應中生成的鐵離子也可以在陰極發生還原反應生成亞鐵離子。而在紫外光照射下，鐵離子也會發生光還原生成亞鐵離子。并且研究表明波長小于380nm的紫外光輻射可以使過氧化氫光解，即過氧化氫分解生成羥基自由基，因此，在電芬頓反應中引入紫外光照射可以提高方法對有機物的降解程度。
發明內容
本發明的目的是將紫外光輻射引入以高比表面積活性碳纖維為陰極的電芬頓反應中，使光化學反應與電化學反應結合起來成為一個簡單高效的設備，充分利用鐵離子光化學還原，過氧化氫光輻射分解與電芬頓反應的協同作用，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低壓汞燈，利用紫外光促進鐵離子的還原和過氧化氫的光輻射分解。在紫外光的作用下電芬頓反應由于鐵離子的光還原與過氧化氫光輻射分解的協同作用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以一定間隔固定反應器3中，并將低壓汞燈5置于密閉的石英管4中，反應溶液由磁力攪拌6循環，將直流穩壓電源7的電流施加到陽極板1和陰極板2上。儀表10是紫外光源的控制開關，氧氣由導氣管8通入，整個反應器置于密閉的反應箱11中。電化學反應的電壓和電流由穩壓電源7控制。樣品由取樣口9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3中，并將置于密閉低壓汞燈4的石英管5垂直固定于兩極板之間，同時連接好電源和光源的線路。將pH3左右的含一定濃度有機物廢水注入到反應器3中，加入一定量的支持電解質并用磁力攪拌器6攪拌溶液。關閉反應箱門，在反應開始前通入氧氣5分鐘以使溶液中溶解氧氣飽和。將控制開光10和電源7分別接通，通過調節直流穩壓電源7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、亞鐵離子濃度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、將光化學過程過程與電芬頓氧化過程綜合運用，使兩種去除有機物過程在一個反應器中集成。
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、采用低壓汞燈作為紫外光源，可以提供必要的一定波長的紫外光輻射，促進芬頓反應和過氧化氫光分解的有效進行，更充分氧化有機物。
4、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。
5、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。
6、操作方法簡單，設備緊湊，易于操作。
7、各種參數容易控制，可根據需要隨時調節反應參數。
8、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.不同處理過程對有機物的去除反應目標溶液體積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0.05M Na2SO4氧氣流速100ml/min反應時間360min分別為陽極氧化(陰極為鈦釕網電極)，活性炭纖維(ACF)吸附(不通電)、電芬頓氧化(不加光，Fe2+1mM)，和光電芬頓氧化(Fe2+1mM，加紫外光)處理酸性紅B溶液，處理前后TOC去除情況如表1所示。
表1 實施例1不同方法對TOC的去除率
從實施例1可以看出，光電芬頓反應可以有效降解去除水中的有機污染物，其去除效率比活性炭纖維吸附、電氧化和電芬頓反應都要高。
實施例2.光電芬頓反應過程中電流強度的影響反應目標溶液體積450ml反應目標溶液濃度酸性紅B 200mg/L溶液初始pH值3.00電解質濃度0.05M Na2SO4氧氣流速100ml/min電流強度0.12A，0.24A，0.36A，0.50A反應時間360min處理前后TOC去除情況如表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，隨著電流強度提高，TOC的去除率也相應提高，這是由于過氧化氫產生量提高的緣故。
實施例3.不同氣體情況下光電芬頓去除酸性紅B反應目標溶液體積450ml反應目標溶液濃度酸性紅B 200mg/L溶液初始pH值3.00極板面積27cm2電解質濃度0.05M Na2SO4氣體種類Ar，O2氣體流速100ml/min電流強度360mA在通入氣體分別為氧氣和氬氣時對酸性紅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不同通入氣體對TOC去除影響
由實施例3可以看出，通入氣體的種類對光電芬頓降解酸性紅B有一定的影響，氧氣的通入有利于有機物的更好的礦化去除，但當氬氣通入時也有較好的去除效果，這是由于電解過程中陽極會有氧氣析出。
權利要求
1.一種去除水中有機污染物的光電芬頓方法，其特征在于將紫外光引入電芬頓反應，水中溶解氧在碳陰極表面還原產生過氧化氫可以與水中的亞鐵離子反應產生羥基自由基，也可以在紫外光輻射下產生羥基自由基，協同氧化降解有機污染物，并且紫外光可以促進鐵離子光化學還原生成亞鐵離子，促進芬頓反應的進行。
2.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。
3.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。
4.如權利要求1所述的方法，其中紫外光源采用低壓汞燈，也可以采用中壓汞燈。
5.按照權利要求1所述的方法，其中利用亞鐵離子或鐵離子作為催化劑，它們濃度在0.5mM～3mM范圍內。
6.按照權利要求1所述的方法，其中反應在pH在2-5左右的酸性條件下進行。
7.一種利用光電芬頓反應去除水中難降解有機物的裝置，其特征在于，將紫外光引入電芬頓反應器中，使用炭基電極，如活性碳纖維，作為陰極，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，其中加入亞鐵離子或鐵離子作為催化劑，打開光源并通入電流使反應進行，通過控制反應的光源強度、電流強度、鐵離子或亞鐵離子濃度、電解質濃度、pH值等，實現對水中的有機物的有效去除。
8.按照權利要求6所述的裝置，其特征在于，光電芬頓反采用活性炭纖維、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。
10.按照權利要求6所述的裝置，其特征在于，在反應器中采用低壓汞燈、中壓汞燈等作為紫外光源。
全文摘要
本發明提供了一種去除水中難降解有機物的光電芬頓方法，將光化學反應與電芬頓反應結合，多種作用協同高效處理水中有機物。本發明還提供了一種利用光電芬頓反應去除水中有機污染物的裝置，它包括反應器以形穩電極(DSA)作為陽極，活性炭纖維作為陰極，將密閉在石英玻璃管的低壓汞燈垂直放置于陰陽電極之間，并且通入一定量的氧氣至陰極表面。在pH 3左右的有機廢水中加入少量亞鐵鹽作為催化劑，通入電流電解可以去除污染物。本發明采用光化學反應、電芬頓反應協同產生的羥基自由基氧化降解有機物，羥基自由基具有非常強的氧化能力，可無選擇性的氧化有機物，并且具有氧化完全、快速高效的特點，無二次污染。
文檔編號C02F1/32GK1789150SQ20041009859
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