CN114906907A - 一种脉冲三维电极废水处理反应器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种脉冲三维电极废水处理反应器。该脉冲三维电极废水处理反应器包括电解槽、阳极、阴极、粒子电极、脉冲电源、曝气装置、超声装置；电解槽下部设有进液口，上部设有出液口；阳极和阴极置于电解槽中；阳极与阴极分别与脉冲电源的正极和负极连接；粒子电极填充在阳极与阴极之间；曝气装置通过微孔曝气管向电解槽中通入空气；超声装置包括超声波发生器和超声波震动棒，超声波震动棒置于电解槽中。本发明将三维电极与超声耦合，超声可以强化传质、清洗电极、增加羟基自由基的产率，进而增强处理效果；采用脉冲电源对电解槽供电，降解效率和电流利用效率明显提高，电能消耗显著降低。
Description
技术领域
本发明属于废水处理领域，具体涉及一种脉冲三维电极废水处理反应器。
背景技术
各种废水对生态环境的巨大负面影响已引起广泛关注。它们通常具有高毒性、生物难降解性和潜在致癌性，对环境有很大的危害。近年来，电化学氧化法作为一种高级氧化法在废水处理中得到了广泛的应用，与其他方法相比，电化学氧化法具有高效、易操作、环境相容性好、灵活性高、适应性广等优点。然而，传统的二维电极法由于降解效率低和传质限制，实际应用仍受到限制。
针对这一缺陷，二十世纪六十年代末期Backhurst提出了三维电极氧化法的概念。在传统的二维电极主电极板之间加入不同形状、不同材料并且可以导电的电极材料作为粒子电极，通过外部电场将粒子电极极化形成带电微电极，显著提高了电极的比表面积和电解效率。
然而，三维电极法仍然存在不足，例如电极材料容易钝化腐蚀，寿命短；电流效率不高，能耗较大等。
发明内容
发明目的：针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种脉冲三维电极废水处理反应器，该反应器有效提高了废水处理效果和电流效率，显著降低了能耗；采用脉冲供电减缓了电极的钝化腐蚀，有效延长了电极寿命。
为了实现上述目标，本发明采用如下技术方案：
一种脉冲三维电极废水处理反应器，其特征在于，包括电解槽、阳极、阴极、粒子电极、脉冲电源、曝气装置和超声装置；所述的电解槽下部设有进液口，上部设有出液口；阳极和阴极置于电解槽中；阳极与阴极分别与电源的正极和负极连接；粒子电极填充在阳极与阴极之间；曝气装置通过微孔曝气管向电解槽中通入空气；超声装置包括超声波发生器和超声波震动棒，超声波震动棒置于电解槽中。
优选地，所述的电解槽为矩形电解槽。
优选地，所述的电解槽内壁设有卡槽，用于固定阳极和阴极。
优选地，所述的电解槽内部设有固定板，位于靠近电解槽底部一侧，防止粒子电极沉积到电解槽底部。
优选地，所述的固定板上开孔，开孔率为30％～80％，孔径为1～8mm。
优选地，所述的开孔率的最优取值范围是60％～70％，孔径的最优取值范围是3～5mm。
优选地，所述的阳极为钛基涂层电极，阴极为石墨电极，粒子电极为柱状活性炭。
优选地，所述的阳极与阴极垂直放入电解槽中，且相互平行。
优选地，所述的脉冲电源可以调节脉冲占空比，脉冲占空比的调节范围是0～1。
优选地，所述的脉冲占空比为0.3～0.7。
优选地，所述的脉冲电源可以调节脉冲频率，脉冲频率的调节范围是0～5000Hz。
优选地，所述的脉冲频率为1500～3000Hz。
优选地，所述的微孔曝气管在电解槽的底部，位于所述固定板的下方，微孔曝气管通过流量计与曝气装置相连，通过流量计调节曝气量，流量计的调节范围是0～180L/h。
优选地，所述的曝气量为60～120L/h。
优选地，所述的超声波发生器可以调节超声功率，调节范围是0～600W。
优选地，所述的超声功率为200～400W。
相比现有技术，本发明的有益效果如下：
(1)本发明采用钛基涂层电极作为阳极，降低了副反应的发生，具有较高的电流效率，耐腐蚀性强，使用寿命长；采用石墨电极作为阴极，石墨电极成本低，具有良好的导电、导热性和较好的耐腐蚀性。
(2)本发明采用脉冲电源进行供电，通电时，电极表面上的·OH、H2O2等强氧化性物质浓度迅速增加，断电时其能迅速地扩散到溶液中，增强了传质效果，提高了废水处理效果，从而降低了电能消耗。同时，脉冲供电可以减缓电极的钝化腐蚀，有利于电极寿命的延长。
(3)本发明将三维电极与超声耦合，超声空化效应可以防止反应物在电极表面形成涂层，当电极活性下降时，超声波清洗电极表面，消除表面杂质，起到复活电极的作用；超声波的空化效应可以产生短暂的高温和高压，增加·OH、H2O2的生成；超声波产生的强化传质效应可以强化反应物从液相主体向电极表面的传质过程，从而消除因传质扩散产生的浓差极化。
(4)本发明采用曝气装置对电解槽通入空气，一方面提高废水体系中O2的浓度；另一方面在曝气的作用下，三维电极反应器中的粒子电极活性炭处于悬浮状态，活性炭与废水体系接触面积增大能强化传质，有利于提高电流效率。
附图说明
图1为本发明的脉冲三维电极废水处理反应器的结构图；
图中：(1)电解槽；(2)阳极；(3)阴极；(4)粒子电极；(5)脉冲电源；(6)曝气装置；(7)流量计；(8)微孔曝气管；(9)超声波发生器；(10)超声波震动棒；(11)固定板；(12)进液口；(13)出液口。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施方式对本发明脉冲三维电极废水处理反应器进行清楚、完整地描述。
实施例1：
如图1所示，一种脉冲三维电极废水处理反应器，它包括电解槽1、阳极2、阴极3、粒子电极4、脉冲电源5、曝气装置6和超声装置。电解槽1的下部设有进液口12，上部设有出液口13，进液口12用于通入待处理的废水，出液口13用于排出处理后的废水；电解槽1的内壁设有卡槽，用于固定阳极2和阴极3；电解槽1内部设有开孔固定板11，位于靠近电解槽1底部一侧，防止粒子电极4沉积到电解槽1底部；阳极2与阴极3垂直放入电解槽1中，且相互平行，阳极2连接脉冲电源5的正极，阴极3连接脉冲电源5的负极，粒子电极4填充在阳极2与阴极3之间；超声装置由超声波发生器9和超声波震动棒10组成，超声波震动棒10置于电解槽1中；微孔曝气管8在电解槽1的底部，位于所述固定板11的下方，微孔曝气管8通过流量计7与曝气装置6相连，通过流量计7调节曝气量。
阳极2的材质为钛基涂层材料，可以选用钌铱涂层钛电极或者锡锑涂层钛电极；阴极3的材质为石墨材料；阳极2与阴极3的间距为4～10cm。
粒子电极4采用柱状活性炭，活性炭具有发达的孔隙结构和巨大的比表面积以及很强的吸附能力。
脉冲电源5可以调节脉冲占空比和脉冲频率，脉冲占空比的调节范围是0～1，脉冲频率的调节范围是0～5000Hz；其中脉冲占空比的最优取值范围是0.3～0.7，脉冲频率的最优取值范围是1500～3000Hz。
超声波发生器9可以调节超声功率，调节范围是0～600W；其中超声功率的最优取值范围是200～400W。
流量计7可调节的曝气量范围是0～180L/h；其中，曝气量的最优取值范围是60～120L/h。
固定板9的开孔率为30％～80％，孔径为1～8mm；其中，固定板9的开孔率的最优取值范围是60％～70％，孔径的最优取值范围是3～5mm。
该反应器将三维电极与超声耦合，超声空化效应可以防止反应物在电极表面形成涂层，当电极活性下降时，超声波清洗电极表面，消除表面杂质，起到复活电极的作用；超声波的空化效应可以产生短暂的高温和高压，增加·OH、H2O2的生成；超声波产生的强化传质效应可以强化反应物从液相主体向电极表面的传质过程，从而消除因传质扩散产生的浓差极化。
曝气装置6的作用：一方面提高废水体系中O2的浓度；另一方面在曝气的作用下，三维电极反应器中的粒子电极活性炭处于悬浮状态，活性炭与废水体系接触面积较大能强化传质，有利于提高电流效率。
实施例2：
采用图1所示的脉冲三维电极废水处理反应器处理某工厂印染废水，其运行条件为：待处理的印染废水由进液口12进入电解槽1，经过处理后的印染废水由出液口13排出；通过曝气装置6向电解槽1内曝气，曝气量为80L/h；阳极2采用锡锑涂层钛电极，与脉冲电源5的正极相连；阴极3采用石墨电极，与脉冲电源5的负极相连，阳极2与阴极3的间距为8cm；将吸附饱和的活性炭粒子电极4置于阳极2和阴极3之间；固定板11的开孔率为65％，孔径为4mm；将超声波震动棒10置于电解槽1中，调节超声波发生器9的功率为200W；调节脉冲电源5的脉冲占空比为0.4，脉冲频率为1700Hz；反应时间120min，溶液pH调节为7。印染废水进水COD为4630mg/L，经过三维电极反应器处理后，印染废水出水COD降至780mg/L，COD去除率为83.2％，能耗为42kWh/kgCOD。
实施例3：
采用图1所示的脉冲三维电极废水处理反应器处理某工厂印染废水，其运行条件为：待处理的印染废水由进液口12进入电解槽1，经过处理后的印染废水由出液口13排出；通过曝气装置6向电解槽1内曝气，曝气量为110L/h；阳极2采用锡锑涂层钛电极，与脉冲电源5的正极相连；阴极3采用石墨电极，与脉冲电源5的负极相连，阳极2与阴极3的间距为7cm；将吸附饱和的活性炭粒子电极4置于阳极2和阴极3之间；固定板11的开孔率为65％，孔径为4mm；将超声波震动棒10置于电解槽1中，调节超声波发生器9的功率为300W；调节脉冲电源5的脉冲占空比为0.3，脉冲功率为2300Hz；反应时间120min，溶液pH调节为6。印染废水进水COD为4760mg/L，经过三维电极反应器处理后，印染废水出水COD降至925mg/L，COD去除率为80.6％，能耗为48kWh/kgCOD。
实施例4：
采用图1所示的脉冲三维电极废水处理反应器处理某工厂柠檬酸废水，其运行条件为：待处理的柠檬酸废水由进液口12进入电解槽1，经过处理后的柠檬酸废水由出液口13排出；通过曝气装置6向电解槽1内曝气，曝气量为100L/h；阳极2采用钌铱涂层钛电极，与脉冲电源5的正极相连；阴极3采用石墨电极，与脉冲电源5的负极相连，阳极2与阴极3的间距为7cm；将吸附饱和的活性炭粒子电极4置于阳极2和阴极3之间；固定板11的开孔率为65％，孔径为4mm；将超声波震动棒10置于电解槽1中，调节超声波发生器9的功率为200W；调节脉冲电源5的脉冲占空比为0.7，脉冲功率为1800Hz；反应时间120min，溶液pH调节为6。柠檬酸废水进水COD为4042mg/L，经过三维电极反应器处理后，柠檬酸废水出水COD降至691mg/L，COD去除率为82.9％，能耗为85kWh/kgCOD。
实施例5：
采用图1所示的脉冲三维电极废水处理反应器处理某工厂柠檬酸废水，其运行条件为：待处理的柠檬酸废水由进液口12进入电解槽1，经过处理后的柠檬酸废水由出液口13排出；通过曝气装置6向电解槽1内曝气，曝气量为70L/h；阳极2采用钌铱涂层钛电极，与脉冲电源5的正极相连；阴极3采用石墨电极，与脉冲电源5的负极相连，阳极2与阴极3的间距为8cm；将吸附饱和的活性炭粒子电极4置于阳极2和阴极3之间；固定板11的开孔率为65％，孔径为4mm；将超声波震动棒10置于电解槽1中，调节超声波发生器9的功率为250W；调节脉冲电源5的脉冲占空比为0.5，脉冲功率为1600Hz；反应时间120min，溶液pH调节为6。柠檬酸废水进水COD为4290mg/L，经过三维电极反应器处理后，柠檬酸废水出水COD降至489mg/L，COD去除率为88.6％，能耗为66kWh/kgCOD。
以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种脉冲三维电极废水处理反应器，其特征在于，包括电解槽、阳极、阴极、粒子电极、脉冲电源、曝气装置和超声装置；
所述的电解槽下部设有进液口，上部设有出液口；阳极和阴极置于电解槽中；阳极与阴极分别与脉冲电源的正极和负极连接；粒子电极填充在阳极与阴极之间；曝气装置通过微孔曝气管向电解槽中通入空气；超声装置包括超声波发生器和超声波震动棒，超声波震动棒置于电解槽中。
2.根据权利要求1所述的一种脉冲三维电极废水处理反应器，其特征在于，所述的电解槽为矩形电解槽，所述的电解槽内壁设有卡槽，用于固定阳极和阴极。
3.根据权利要求1所述的一种脉冲三维电极废水处理反应器，其特征在于，所述的电解槽内部设有固定板，位于靠近电解槽底部一侧，防止粒子电极沉积到电解槽底部。
4.根据权利要求3所述的一种脉冲三维电极废水处理反应器，其特征在于，所述的固定板上开孔，开孔率为30％～80％，孔径为1～8mm。
5.根据权利要求1所述的一种脉冲三维电极废水处理反应器，其特征在于，所述的阳极为钛基涂层电极，阴极为石墨电极，粒子电极为柱状活性炭。
6.根据权利要求1所述的一种脉冲三维电极废水处理反应器，其特征在于，所述的阳极与阴极垂直放入电解槽中，且相互平行。
7.根据权利要求1所述的一种脉冲三维电极废水处理反应器，其特征在于，所述的脉冲电源可以调节脉冲占空比，脉冲占空比的调节范围是0～1。
8.根据权利要求1所述的一种脉冲三维电极废水处理反应器，其特征在于，所述的脉冲电源可以调节脉冲频率，脉冲频率的调节范围是0～5000Hz。
9.根据权利要求1所述的一种脉冲三维电极废水处理反应器，其特征在于，所述的微孔曝气管在电解槽的底部，位于所述固定板的下方，微孔曝气管通过流量计与曝气装置相连，通过流量计调节曝气量，流量计的调节范围是0～180L/h。
10.根据权利要求1所述的一种脉冲三维电极废水处理反应器，其特征在于，所述的超声波发生器可以调节超声功率，调节范围是0～600W。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| US20110236769A1 (en) * | 2010-03-23 | 2011-09-29 | Xing Xie | Three dimensional electrodes useful for microbial fuel cells |
| CN104310671A (zh) * | 2014-10-23 | 2015-01-28 | 北京国环清华环境工程设计研究院有限公司 | 一种采用间歇供电的三维电极电催化反应器废水处理方法 |
| CN106277180A (zh) * | 2016-08-24 | 2017-01-04 | 哈尔滨工程大学 | 一种超声波强化光电催化处理含重金属及难降解有机污染物废水的装置 |
| CN109809530A (zh) * | 2019-02-18 | 2019-05-28 | 江苏理工学院 | 一种颗粒电极及其制备方法和三维电解反应器及其应用 |
| CN210559547U (zh) * | 2019-06-10 | 2020-05-19 | 上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司 | 一种连续处理有机废水的脉冲三维电极装置 |
-
2022
- 2022-06-27 CN CN202210740337.0A patent/CN114906907A/zh active Pending
Patent Citations (5)
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 张招贤等: "《钛电极反应工程学》", 30 April 2009, 冶金工业出版社 * |
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