專利名稱：一種高效去除水中有機物的電化學方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及水和廢水處理的一種高效水處理方法及裝置，利用電遷移-電化學氧化還原的協(xié)同作用來凈化水和廢水。具體是將陰陽極室用超濾膜分隔，平行放置于超濾膜兩側的電極之間形成電場，帶負電荷有機污染物在電場作用下發(fā)生電遷移反應，從而通過超濾膜進入陽極室。陽極室中有機物濃度提高可以更有效地發(fā)生陽極氧化反應，有機污染物被有效降解。
背景技術：
隨著近代工業(yè)，尤其是農藥、有機化工、石油化工等的迅速發(fā)展，有機化合物的產量和種類與日俱增，其廢水排放量隨之逐年增加，其污染程度令人驚嘆。據統(tǒng)計，人類向環(huán)境中排放的有機污染物至1990年已達2.5億噸，除數量外，其種類也在逐年增加，目前已知的有機化合物約有700多萬種，且以每年1000多種的合成速度在增加。世界各國普遍關注有機污染問題，紛紛提出了優(yōu)先控制污染物名單。這些優(yōu)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(huán)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(tài)環(huán)境構成潛在威脅。有毒有機污染物對環(huán)境的污染和危害已成為當前世界上重大環(huán)境問題之一。對此國內外采用了化學法(如氧化法、混凝法等)、物理化學法(常用的有吸附法、膜技術等)、生物法(厭氧好氧工藝等)對其進行處理。近些年利用高級氧化技術處理有機污染物越來越多受到人們的重視。這種技術基于羥基自由基反應降解有機物。羥基自由基具有非常高的氧化還原電位(E0＝+2.80V)，它可以無選擇性的氧化有機物，使其降解甚至無機化。
電化學氧化作為一種高級氧化技術，越來越多的研究利用這種方法來去除水中的有機污染物。電化學方法凈化水和廢水主要是利用陽極表面產生活性氧化物質氧化去除水中有機污染物，但因這種方法效率低，耗能大而很少被應用。針對提高電化學效率問題，近些年的研究主要集中在研制具有更好催化能力的電極和開發(fā)具有更大有效反應面積的反應器。但對于有機物的在電場下的電遷移特性幾乎未被關注。而大多研究使用的有隔膜電化學反應器均采用陽離子或陰離子隔膜，帶電荷有機物由于分子太大而不能很好透過隔膜，造成陰極室中有機物不能去除；而陽極室中有機物濃度隨反應時間的延長而逐步降低，造成反應效率降低。而無隔膜電化學反應器中離子性有機物的電遷移特性則會被反應時的水力流動所打斷，不利于這種作用的發(fā)揮。并且在大多數情況下有機物以低濃度形式存在于水體，電化學反應多受傳質反應所控制。因此提高單位體積有機物的含量有利于提高陽極氧化有機物的反應效率。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是利用電化學反應中的電場作用，通過引入超濾膜使電遷移和電化學氧化還原反應結合起來成為一個簡單高效的設備，充分利用電化學方法電遷移、電化學氧化還原的協(xié)同作用，使水質得到凈化。
本發(fā)明由于對電化學反應器引入超濾膜，使得陰陽兩極室可以有效分隔，并且在電化學反應中可以利用的電場作用。在電場作用下帶負電有機污染物發(fā)生電遷移，進入陽極室而提高有機物濃度，提高有機物在電極表面被氧化降解的幾率，從而提高電化學氧化的效率。
本發(fā)明的反應裝置如附圖
所示。直流穩(wěn)壓電源1將電流施加到陰極板2和陽極板3上。陽極室11和陰極室12由超濾膜4分隔開。陽極室11陰極室12分別與一個溶液儲存器6相連，其中溶液由恒流泵5分別循環(huán)攪拌。反應器內溶液循環(huán)進口7為一多孔的玻璃管，伸入到發(fā)生器陰陽兩極間，出口8為直接連反應器。電源由電線導管9接入。電化學反應的電壓和電流由穩(wěn)壓電源1自帶儀表直接讀出。樣品由取樣口10定時取出分析溶液TOC；本發(fā)明的具體方法如下將超濾膜4固定在陽極室11和陰極室之間，并固定好陰極2和陽極3。將導線13通過導管9與電源1聯(lián)接。在待處理的溶液中加入一定量的支持電解質Na2SO4，然后等體積注入兩個溶液貯存器6，開動恒流泵5分別注入陰極室12和陽極室11，并在一定循環(huán)流量下持續(xù)循環(huán)攪拌。將電源1接通，通過調節(jié)直流穩(wěn)壓電源1使電化學反應在一定的電流密度下進行，通過調節(jié)電流密度、循環(huán)流量、電解質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(fā)明的特點如下1、將電遷移過程與電氧化過程綜合運用，使兩種去除有機物過程在一個反應器中集成。
2、采用超濾膜作為陰陽極室的隔膜，在有效分隔陰陽極室溶液的同時，可以使有機物在電場作用下的電遷移，提高有機物濃度，從而提高有機物在電極表面被氧化降解的幾率，得到利用，更充分氧化有機物。
3、可根據水質適當調節(jié)陰陽極室的體積比例，能靈活運用。
4、采用具有高析氧電位的電極作為陽極，如SnO2/Ti，PbO2/Ti電極，這種電極在電解過程中表面羥基自由基濃度高，可以發(fā)生電化學燃燒，使有機物更有效發(fā)生降解。
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(jié)反應參數。
7、采用的具有催化能力的電極大多為形穩(wěn)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.不同隔膜對帶負電有機污染物陰陽極室TOC的去除反應目標溶液體積1000ml反應目標溶液濃度酸性紅B 100mg/L，TOC33.84mg/L反應目標溶液溫度25℃溶液初始pH值7.00極板面積81cm2電解質濃度0.02M Na2SO4電流密度4.5mA cm-2隔膜種類超濾膜和陽離子膜反應時間60min、120min、180min、270min、360min處理后陰陽極室中相應的TOC去除情況如表1所示。
表1 實施例1處理后陰陽極室中TOC的去除

由實施例1可以看出，使用超濾膜可以有效實現(xiàn)電遷移。
實施例2.不同極室中有機污染物TOC及色度去除反應目標溶液體積1000ml反應目標溶液濃度酸性紅B 100mg/L，TOC33.84mg/L反應目標溶液溫度25℃溶液初始pH值7.00極板面積81cm2電解質濃度0.02M Na2SO4電流密度4.5mAcm-2隔膜種類超濾膜反應時間60min、120min、180min、270min、360min處理后陰陽極室中相應的TOC及色度去除情況如表2所示。
表2 實施例2處理后陰陽極室中TOC及色度的去除

由實施例2可以看出，陰極室中有機物被遷移55％，并且色度幾乎完全去除，陽極室中有26.42mg/LTOC被去除，色度完全去除。
實施例3.不同電流密度對電遷移電氧化作用的影響反應目標溶液體積1000ml反應目標溶液濃度酸性紅B 100mg/L，TOC33.84mg/L反應目標溶液溫度25℃溶液初始pH值7.00極板面積81cm2電解質濃度0.02M Na2SO4循環(huán)流量125ml/min電流密度1.5mAcm-2，2.5mAcm-2，4.5mAcm-2，6.25mAcm-2隔膜種類超濾膜反應時間60min、120min、180min、270min、360min處理后陰陽極室中相應的TOC變化情況如表3所示。
表3 實施例3處理后陰陽極室中TOC去除情況


由實施例3可以看出，電流密度越大，電遷移率越高，在陽極室氧化去除的TOC越多。
實施例4.電解質濃度對電遷移電氧化作用的影響反應目標溶液體積1000ml反應目標溶液濃度酸性紅B 100mg/L，TOC33.84mg/L反應目標溶液溫度25℃溶液初始pH值7.00極板面積81cm2電流密度4.5mA cm-2循環(huán)流量125ml/min電解質濃度0.01M，0.02M，0.04M，0.08M Na2SO4隔膜種類超濾膜取樣時間點60min、120min、180min、270min、360min處理后陰陽極室中相應的TOC變化情況如表4所示。
表4 實施例4處理后陰陽極室中TOC去除率

由實施例4可以看出，在較低電解質濃度下，有機物電遷移率較高，電氧化去除的TOC也較多。
實施例5.循環(huán)流量對電遷移電氧化作用的影響反應目標溶液體積1000ml反應目標溶液濃度酸性紅B 100mg/L，TOC33.84mg/L
反應目標溶液溫度25℃溶液初始pH值7.00極板面積81cm2電流密度4.5mA cm-2電解質濃度0.02M Na2SO4循環(huán)流量10ml/min，75ml/min，125ml/min和185ml/min隔膜種類超濾膜反應時間60min、120min、180min、270min、360min處理后陰陽極室中相應的TOC變化情況如表5所示。
表5 實施例5處理后陰陽極室中TOC去除率

由實施例5可以看出，快速循環(huán)不利于電遷移的發(fā)生，也不利于有機物的電氧化。
權利要求
1.一種高效去除水中有機污染物的電化學處理方法，其特征在于，將電遷移與電氧化兩種過程相結合，將陰陽極室用超濾膜分隔，平行放置于超濾膜兩側的電極之間形成電場，帶負電荷有機污染物在電場作用下發(fā)生電遷移反應，通過超濾膜進入陽極室，有機物在陽極發(fā)生氧化反應被降解，同時有機物可以在陰極表面還原，利用電遷移-電化學氧化還原的協(xié)同作用來凈化水和廢水。
2.按照權利要求1所述的方法，其中陰陽極室利用超濾膜分隔，陰極和陽極分別平行置于超濾膜兩側，形成電場，水流與電場方向垂直，可使污染物在電場作用下發(fā)生的電遷移反應有效進行。
3.按照權利要求1所述的方法，其中反應可以通過控制電流強度、反應時間、電解質濃度、循環(huán)流量等電遷移氧化去除有機物。
4.按照權利要求1所述的方法，其中電遷移-電氧化是采用SnO2/Ti、PbO2/Ti、Pt片、金屬鈦、鈦-釕作陽極，不銹鋼板、鐵板、石墨板、碳纖維氈、金屬鎳、金屬鈦、或鈦-釕作陰極的電化學裝置來進行的。
5.如權利要求1所述的方法，其中有機物可以在陰極表面還原而降解，并且該方法可推廣應用于同時含有有機污染物和重金屬離子廢水的處理，有機污染物和重金屬離子電遷移通過超濾膜分別進入陽極室和陰極室通過電氧化、沉淀反應或電沉積反應得到去除。
6.一種高效去除水中有機污染物的反應器，其特征在于，它包括使用由超濾膜隔開的雙極室電化學反應器，陽極發(fā)生氧化反應，陰極發(fā)生還原反應，同時陰陽兩極間形成電場，水中帶電荷的有機物在電場作用下發(fā)生定向移動，通過超濾膜進入陽極室，有機物在陽極被有效氧化降解。
7.如權利要求6所述的反應器，其特征在于，電遷移電氧化的裝置中陰陽極室用超濾膜分隔。
8.按照權利要求6所述的反應器，其特征在于，其中電遷移-電氧化是采用SnO2/Ti、PbO2/Ti、Pt片、金屬鈦、鈦-釕作陽極，不銹鋼板、鐵板、石墨板、碳纖維氈、金屬鎳、金屬鈦或鈦-釕作陰極的電化學裝置來進行的。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種高效去除水中有機物的電化學處理方法，將電遷移與電氧化兩種過程相結合。本發(fā)明還提供了一種去除水中有機污染物的裝置，它包括陰陽兩個極室，中間由超濾膜隔開。陰陽兩極板平行正對放置于超濾膜兩側。用本發(fā)明的方法和裝置處理含有機污染物廢水，可以同時去除陰陽極室中的有機物，有機物完全降解，且其總有機炭去除率均可達60％以上。
文檔編號C02F1/469GK1629079SQ200310121379
公開日2005年6月22日 申請日期2003年12月16日 優(yōu)先權日2003年12月16日
發(fā)明者曲久輝, 王愛民, 劉會娟, 雷鵬舉 申請人:中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心