一種原位電產生H₂O₂協同O₃氧化的廢水處理裝置及方法

專利名稱：一種原位電產生H₂O₂協同O₃氧化的廢水處理裝置及方法
一種原位電產生H2O2協同O3氧化的廢水處理裝置及方法技術領域、
本發明屬于電化學廢水處理技術領域，具體涉及一種原位電產生H2O2協同O3氧化的廢水處理裝置及方法。
背景技術：
O3氧化技術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*子先產生具有強氧化性的·0Η，從而降解有機物。根據以上特點，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(如UV/03、H202/03(Peroxone)等)得到了廣泛研究，這些新技術可有效處理含氯、有機農藥以及藥物的污水。
Peroxone過程是指在水溶液中，利用H2O2和O3反應產生· 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。Ku等人將Peroxone 過程用于降解丙酮溶液，其結果表明(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在研究中發現亞鐵離子(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的反應叫做Fenton反應。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,將電化學過程產生的 Fe2+和H2O2作為Fenton試劑的持續來源，在反應過程中無須添加任何試劑，且大大提高了 Fenton處理的效率。基于此,可在Peroxone反應中引入電化學持續產H2O2過程,從而進一步提高Peroxone過程降解有機污染物的效率。發明內容
為了克服上述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一種原位電產生H2O2協同 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、高效產生H2O2，并能與O3迅速反應產生· OH高效去除水體中難降解有機污染物。
為了達到上述目的，本發明采取的技術方案為
一種原位電產生H2O2協同O3氧化的廢水處理裝置，包括反應容器4，反應容器4的底部設有磁力攪拌器I，攪拌磁子2設在反應容器4內，反應容器4的內部設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，反應容器4還設有通入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。
一種原位電產生H2O2協同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。
原位電產生H2O2協同O3氧化處理廢水0. 5h_12h之后，可達到明顯的去除效果。
與傳統電化學處理廢水方法(直接電化學氧化、Electro-Fenton等等)相比,本發明的獨特優點和有益效果如下
(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原位產生，提高了安全性能。
(3)持續原位產生的H2O2與持續制得的O3可充分發生反應，提高反應效率。
(4)處理廢水的pH范圍廣，無需調節pH。
(5)處理過程清潔，不會產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聯用，提高處理效率。
可見，本發明是處理難降解、高濃度有機廢水的一種高效技術，具有良好的發展前旦-5^ O


附圖為本發明的裝置結構示意圖。
具體實施步驟
下面結合附圖和實施例對本發明做詳細描述。
參照附圖，一種原位電產生H2O2協同O3氧化的廢水處理裝置，包括反應容器4，反應容器4的底部設有磁力攪拌器I，攪拌磁子2設在反應容器4內，反應容器4的內部設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，反應容器4還設有通入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O2體積分數大于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，有利于反應物的液相傳質，提高反應幾率和處理效果。
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發生反應生成具有強氧化性的· 0H，從而氧化降解有機污染物，此過程中需根據情況，向被處理廢水中加入或不加入一定量電解質使其具有良好的導電性能。
一種原位電產生H2O2協同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，其結果如下
實施例I :與O3氧化、電產生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
權利要求
1.一種原位電產生H2O2協同O3氧化的廢水處理裝置，包括反應容器(4)，其特征在于 反應容器(4 )的底部設有磁力攪拌器(I )，攪拌磁子(2 )設在反應容器(4 )內，反應容器(4 ) 的內部設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，反應容器(4)還設有通入O3的管路，惰性陽極(5)和氣體擴散陰極(6)采用直流電源。
2.根據權利要求I所述的一種原位電產生H2O2協同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.根據權利要求I所述的一種原位電產生H2O2協同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反應生成具有強氧化性的· 0H。
4.根據權利要求I所述的一種原位電產生H2O2協同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.根據權利要求I所述的一種原位電產生H2O2協同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.根據權利要求I所述的一種原位電產生H2O2協同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，使用臭氧發生器向反應容器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
一種原位電產生H2O2協同O3氧化的廢水處理裝置及方法，裝置包括反應容器，反應容器的底部設有磁力攪拌器，攪拌磁子設在反應容器內，反應容器的內部設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，反應容器還設有通入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生器連接，并在臭氧發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，本發明持續、高效產生H2O2，并能與O3迅速反應產生·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 優先權日2012年12月17日
發明者王玉玨, 袁實 申請人:清華大學