專利名稱：：一種利用感應(yīng)電芬頓反應(yīng)去除水中有機物的方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)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(yīng)電芬頓反應(yīng)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(wěn)電極作為陽極，將一定面積的感應(yīng)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(yīng)鐵電極表面通過氧化還原反應(yīng)或感應(yīng)電化學(xué)反應(yīng)溶解出來，與在活性炭纖維陰極表面電化學(xué)還原生成的過氧化氫發(fā)生芬頓反應(yīng)，產(chǎn)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(yīng)逐漸加入，可以提高亞鐵離子與過氧化氫反應(yīng)的效率，可以在較低的亞鐵離子溶出的條件下，達(dá)到很好有機物去除目的。
背景技術(shù)：
：近年來，隨著石油化工、精細(xì)化工、制藥、印染等工業(yè)的迅速發(fā)展，各種含有大量難生物降解有機污染物的廢水相應(yīng)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(shù)的研究十分活躍。高級氧化技術(shù)(Advancedoxidationprocesses，簡稱AOPs)是20世紀(jì)80年代開始形成的處理有毒污染物的技術(shù)，它的特點是通過反應(yīng)產(chǎn)生羥基自由基(·OH)降解有機污染物。這些技術(shù)中尤其以各種以芬頓反應(yīng)為基礎(chǔ)的氧化技術(shù)最受人們重視。芬頓反應(yīng)是陽鐵離子和過氧化氫的組合，產(chǎn)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(yīng)用已有一百多年的歷史。但在傳統(tǒng)的芬頓反應(yīng)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(yīng)過程中隨著兩者濃度的降低，使得反應(yīng)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(chǎn)生過氧化氫或亞鐵離子或者同時電生成這兩種物質(zhì)，使之構(gòu)成芬頓試劑反應(yīng)，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(yīng)生成亞鐵離子與加入的過氧化氫產(chǎn)生芬頓反應(yīng)，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(dá)到較高的反應(yīng)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(xiàn)場產(chǎn)生過氧化氫，與水中的亞鐵離子發(fā)生芬頓反應(yīng)，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(yīng)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(yīng)生成的羥基自由基，造成反應(yīng)效率降低，而在反應(yīng)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(yīng)效率的降低。第三種方法是通過電極反應(yīng)生成芬頓反應(yīng)所需的兩種物質(zhì)，它可以在發(fā)生芬頓反應(yīng)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(yīng)溶液pH升高，不利于芬頓反應(yīng)的進行。(芬頓反應(yīng)的pH范圍在2-4之間，以pH＝3時為最佳)。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是將鐵感應(yīng)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(yīng)中，在反應(yīng)過程中亞鐵離子不斷從犧牲電極表面通過氧化還原反應(yīng)和電感應(yīng)反應(yīng)溶解下來，使電芬頓反應(yīng)成為一個簡單高效的設(shè)備，充分利用亞鐵離子與過氧化氫同時逐漸從電化學(xué)反應(yīng)過程中產(chǎn)生，更加充分發(fā)揮電芬頓反應(yīng)氧化作用，使水質(zhì)得到凈化。本發(fā)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(xué)還原生成過氧化氫，并且由于對電芬頓反應(yīng)器引入犧牲鐵電極，利用氧化還原反應(yīng)與電感應(yīng)反應(yīng)，使亞鐵離子不斷從犧牲鐵電極表面產(chǎn)生出來，與陰極產(chǎn)生的過氧化氫發(fā)生芬頓反應(yīng)而使有機物高效降解，從而提高電化學(xué)氧化的效率。本發(fā)明的反應(yīng)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(yīng)器8中，并將一定面積的感應(yīng)鐵電極4垂直固定在電極板之間，反應(yīng)溶液由磁力攪拌器3攪拌循環(huán)，將直流穩(wěn)壓電源5的電流施加到陽極板1和陰極板2上，氧氣由導(dǎo)氣管6導(dǎo)入。電化學(xué)反應(yīng)的電壓和電流由穩(wěn)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(fā)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(yīng)器8中，并將感應(yīng)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(yīng)器8中，加入一定量的支持電解質(zhì)并用磁力攪拌器3攪拌溶液。在反應(yīng)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(diào)節(jié)直流穩(wěn)壓電源5使電化學(xué)反應(yīng)在一定的電流密度下進行，通過調(diào)節(jié)電流強度、氧氣流量、pH、感應(yīng)鐵電極面積等條件使電化學(xué)反應(yīng)與有機物進行充分反應(yīng)，以達(dá)到最高去除效率。本發(fā)明的特點如下1、通過感應(yīng)電極發(fā)生的電感應(yīng)反應(yīng)和氧化還原反應(yīng)逐漸加入亞鐵離子，與陰極表面產(chǎn)生的過氧化氫發(fā)生芬頓反應(yīng)，從而將電感應(yīng)產(chǎn)生亞鐵離子與電化學(xué)產(chǎn)生過氧化氫過程在一個反應(yīng)器中集成，高效率發(fā)生芬頓反應(yīng)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(fā)生電化學(xué)還原生成電芬頓反應(yīng)必需的過氧化氫。3、活性碳纖維具有很好的物理化學(xué)性質(zhì)，在電化學(xué)反應(yīng)中相對穩(wěn)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(fā)生高效的降解反應(yīng)。5、操作方法簡單，設(shè)備緊湊，易于操作。6、各種參數(shù)容易控制，可根據(jù)需要隨時調(diào)節(jié)反應(yīng)參數(shù)。7、采用的陽極為形穩(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.感應(yīng)電芬頓與電芬頓反應(yīng)對有機物的去除效果對比反應(yīng)目標(biāo)溶液體積450ml反應(yīng)目標(biāo)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(zhì)濃度0.05MNa2S04氧氣流速100ml/min反應(yīng)時間360min感應(yīng)電芬頓感應(yīng)電極面積0.45cm2，電芬頓反應(yīng)亞鐵離子濃度1mM分別為電芬頓氧化和感應(yīng)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(yīng)電芬頓反應(yīng)可以達(dá)到與電芬頓反應(yīng)相仿的有機物去除效果，色度均能完全去除，感應(yīng)電芬頓反應(yīng)TOC去除率略高于電芬頓反應(yīng)。實施例2.感應(yīng)電芬頓反應(yīng)過程中亞鐵離子與總鐵的變化反應(yīng)目標(biāo)溶液體積450ml反應(yīng)目標(biāo)溶液濃度高純水溶液初始pH值3.00電解質(zhì)濃度0.05MNa2SO4氧氣流速100ml/min電流強度0.36A感應(yīng)電極面積0.45cm2反應(yīng)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(yīng)電芬頓反應(yīng)中溶出的總鐵濃度只有9.26mg/L，比較電芬頓反應(yīng)所需的56mg/L要小得多。實施例3.不同感應(yīng)電極面積下感應(yīng)電芬頓去除酸性紅B反應(yīng)目標(biāo)溶液體積450ml反應(yīng)目標(biāo)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(zhì)濃度0.05MNa2SO4感應(yīng)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(yīng)電極電芬頓反應(yīng)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(yīng)鐵電極面積對TOC去除影響<tablesid="table2"num="002"><tablewidth="766">感應(yīng)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(yīng)鐵電極面積的增加，方法的TOC去除率提高，這是由于產(chǎn)生的亞鐵離子濃度提高促進產(chǎn)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(yīng)電芬頓去除酸性紅B反應(yīng)目標(biāo)溶液體積450ml反應(yīng)目標(biāo)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(zhì)濃度0.05MNa2SO4感應(yīng)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(yīng)電芬頓反應(yīng)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(chǎn)生的亞鐵離子濃度，過氧化氫濃度分別提高，促進產(chǎn)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(quán)利要求1.一種去除水中有機污染物的感應(yīng)電芬頓方法，其特征在于將感應(yīng)鐵電極引入電芬頓反應(yīng)，電極過程中感應(yīng)鐵電極通過感應(yīng)電化學(xué)反應(yīng)和氧化還原反應(yīng)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(chǎn)生的過氧化氫反應(yīng)生成羥基自由基，氧化降解有機污染物。2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中感應(yīng)鐵電極可以是各種形狀與狀態(tài)的單質(zhì)鐵。3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中電芬頓反應(yīng)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(quán)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(dǎo)電，高比表面積等特點，具有很強的吸附能力，具有準(zhǔn)三維電極的性質(zhì)，因此具有更高的反應(yīng)效率。5.按照權(quán)利要求1所述的方法，反應(yīng)在pH在2-5左右的酸性條件下進行。6.一種利用感應(yīng)電芬頓反應(yīng)去除水中難降解有機物的裝置，其特征在于，將感應(yīng)鐵電極引入電芬頓反應(yīng)器中，使用以炭基電極作為陰極，如活性碳纖維，形穩(wěn)陽極(DSA)作陽極，陰極區(qū)有氧氣通入的電化學(xué)反應(yīng)器，溶液pH值在2-5左右，通入電流使反應(yīng)進行，并通過控制反應(yīng)的電流強度、感應(yīng)鐵電極面積、電解質(zhì)濃度、pH值等，實現(xiàn)對水中的有機物的有效去除。7.按照權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，感應(yīng)電極采用各種形狀各種狀態(tài)存在的鐵單質(zhì)。8.按照權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，感應(yīng)電芬頓反應(yīng)采用活性炭纖維、石墨、碳?xì)值茸鳛殛帢O，用SnO2/Ti、PbO2/Ti、鈦-釕電極等形穩(wěn)電極作為陽極。9.按照權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，在陰極區(qū)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(dá)到更高的溶解氧濃度，更有利于產(chǎn)生過氧化氫。全文摘要本發(fā)明提供了一種去除水中難降解有機物的感應(yīng)電芬頓方法，將感應(yīng)鐵電極引入到電芬頓反應(yīng)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(yīng)和電化學(xué)感應(yīng)反應(yīng)溶出，與陰極表面生成的過氧化氫發(fā)生芬頓反應(yīng)，高效產(chǎn)生羥基自由基降解水中有機物。本發(fā)明還提供了一種利用感應(yīng)電芬頓反應(yīng)去除水中有機污染物的裝置，它包括反應(yīng)器以活性炭纖維作為陰極，形穩(wěn)電極作為陽極，將一定面積的鐵感應(yīng)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(yīng)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(fā)明采用氧化還原反應(yīng)和電化學(xué)感應(yīng)反應(yīng)逐漸產(chǎn)生芬頓反應(yīng)需要的亞鐵離子、與電化學(xué)生成的過氧化氫發(fā)生芬頓反應(yīng)更有效產(chǎn)生的羥基自由基快速高效降解有機物，達(dá)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(yōu)先權(quán)日2004年12月15日發(fā)明者曲久輝,王愛民,劉會娟,雷鵬舉申請人:中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心