CN108083391A - 原位产氧制臭氧强化三段式电化学水处理设备及处理水方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种原位产氧制臭氧强化三段式电化学水处理设备，包括进水装置、反应装置、储氧室、以及设于反应装置内部的阳极、阴极和透水隔气催化层；所述阴极和透水隔气催化层均与反应装置的内壁密闭连接，将反应装置的内部空间分隔为阳极室、阴极室和阴极进气室，阳极设于阳极室内，储氧室位于阳极室顶部，并且与其连通；储氧室的出气口通过臭氧发生器与阴极进气室的进气口相连，进水装置的出水口与阴极室的进水口相连。本发明还提供了利用该设备处理水的方法。本发明通过巧妙的反应装置结构设计和工艺构思，既将阳极析氧副产物利用成臭氧制备的气源，节省了运行成本，又通过布气方式和反应流场的改进，削减了有害副产物的生成和臭氧尾气的污染。

Description

原位产氧制臭氧强化三段式电化学水处理设备及处理水方法

技术领域

本发明属于水处理设备领域，特别涉及原位产氧制臭氧强化三段式电化学水处理设备及利用其处理水的方法。

背景技术

近年来，环境污染日益严重，尤其是水体污染对生态安全和人类健康构成威胁。随着水质标准的不断修订、提高，传统的技术和设备已经不能满足水处理需求，开发高效、经济、环保的水处理设备和方法日显迫切。

高级氧化技术是当前水处理领域的研究热点，对难降解废水亦有较好的处理效果。电化学/臭氧耦合是一种新颖的高级氧化水处理技术，通过电化学阴极对臭氧化气体的还原，可增量生成羟基自由基，从而提高处理效率。目前的一些研究结果显示该技术具有较好的应用前景，但仍有一些问题有待解决。该工艺存在的主要问题之一是能效的提高。虽然空气可以作为臭氧制备的气源，但含氧量低，臭氧产量不高，导致处理效果较差。当采用纯氧作为气源时，氧气的购买和存储增加了处理成本。另一方面，电化学电解水过程中，阳极析氧本身可制备产生氧气。然而目前的体系中对电化学产氧并没有有效利用。并且，在同时产氧和产氢的情况下，存在一定的氢气爆炸风险。反应体系的进一步优化也是电化学/臭氧耦合工艺有待解决的一个主要问题。臭氧化气体通过多孔曝气头曝气效率低，尾气中残余臭氧需要猝灭处理，否则会污染大气环境。在传统的电化学反应器中，反应体系传质慢，存在死角，效率低。反应液中氧化物反应速率低，反应时间长，所需设备体积大，且出水中如含有较高的残余氧化物浓度需要进一步猝灭。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供了一种高效、经济、安全、环保的电化学/臭氧耦合水处理的设备以及利用该设备进行水处理的方法。

技术方案：本发明提供了一种原位产氧制臭氧强化三段式电化学水处理设备，包括进水装置、反应装置、储氧室、以及设于反应装置内部的阳极、阴极和透水隔气催化层；所述阴极和透水隔气催化层均与反应装置的内壁密闭连接，将反应装置的内部空间分隔为阳极室、阴极室和阴极进气室，阳极设于阳极室内，储氧室位于阳极室顶部，并且与其连通；储氧室的出气口通过臭氧发生器与阴极进气室的进气口相连，进水装置的出水口与阴极室的进水口相连。

所述透水隔气催化层内置有导电多孔碳材料或金属氧化物材料，能吸附污染物，并催化臭氧/双氧水等降解污染物，并且透水隔气。

作为改进：

还包括电源，其正负极分别与阳极和阴极相连接，阴极为气体扩散电极，具有隔水透气功能，阳极与阴极平行设置。

所述进水装置与阴极室之间还连接有液体流量计，阴极室的进水口还设有布水器；所述臭氧发生器与阴极进气室之间还连接有气体流量计。

所述储氧室的中部还设有气体干燥层，将储氧室分隔为上下两部分空间，用于干燥排入储氧室内的氧气。

所述储氧室通过设于阳极室顶部的一号排气阀与其连通，并且储氧室的顶部还设有二号排气阀与臭氧发生器连接，阴极室顶部设有三号排气阀。所述排气阀可根据需要设置为普通排气阀或稳流阀。

还包括设于阴极进气室顶部的气压阀、以及一号气体止回阀和二号气体止回阀，一号气体止回阀位于储氧室的出气口与臭氧发生器的进气口中间，二号气体止回阀位于气压阀与臭氧发生器的进气口中间。

还包括设于阴极室内部的能够自身导电的进水导流板，其位于进水口旁，且与阴极平行设置，使进水能流经阴极表面。

还包括臭氧浓度监测仪、一号气压传感器、二号气压传感器、总氧化物浓度监测探头、残余氧化物浓度监测探头以及控制各个部件的自控单元；

所述臭氧浓度监测仪设于臭氧发生器与阴极进气室之间；所述一号气压传感器置于储氧室侧壁；所述二号气压传感器置于阴极进气室侧壁；所述总氧化物浓度监测探头置于阴极室侧壁或顶部；所述残余氧化物浓度监测探头置于阳极室下部的出水口。所述自控单元能接收所连接各部件的信号，然后再输出控制信号，从而控制整个设备的进水、出水、计量、电源电流大小、气体产生输送等。

本发明还提供了利用所述原位产氧制臭氧强化三段式电化学水处理设备进行水处理的方法，包括以下步骤：

(a)通过进水装置将待处理水体泵入反应装置，并将阳极和阴极与电源相连通；

(b)阳极室内电化学阳极析氧产生的氧气排入储氧室，再输送至臭氧发生器，产生的臭氧化气体通入阴极进气室后，经阴极进入阴极室，在电化学阴极还原作用下，臭氧化气体经链式反应生成高活性羟基自由基降解污染物，实现第一阶段的反应；

(c)经阴极室内降解处理的水体流经透水隔气催化层，一方面透水隔气催化层将阴极室内气体隔离，避免其流经阳极室进入臭氧发生器，消除潜在的风险；另一方面，透水隔气催化层催化反应液中残余氧化物分解，进一步降解污染物，实现第二阶段的反应；

(d)反应液经透水隔气催化层后流入阳极室，在阳极氧化的作用下，实现对水体第三阶段的反应，最终出水即得净化水。

技术效果：本发明提供的原位产氧制臭氧强化三段式电化学水处理的设备结构简单紧凑、占地面积小、使用方便、成本低廉、运行管理方便，利用电化学和臭氧之间具有协同互补的特性，有效利用电化学阳极副反应生成的氧气制备臭氧，并通过气体扩散阴极投加臭氧化气体，通过透水隔气催化层将反应设计为三段式反应体系，提高了处理能效，经济环保。

具体而言，本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：

一、将电化学阳极析氧副反应利用为原位制备氧气途径，节省了臭氧制备能耗，无需氧气储备，精简了设备，提高了处理能效。

二、利用气体扩散阴极作为布气装置，既增加了臭氧化气体和阴极的接触，提高了效率，又能通过设置循环气路，控制并消减臭氧尾气污染，安全环保。

三、通过在阴阳极之间设置透水隔气催化层，将反应设计为三阶段式反应，促进体系传质，使氧化还原体系能够充分降解水中污染物，提高处理效率。同时，将氧气和氢气分离，消除了潜在的氢气爆炸隐患。

四、利用各传感监测探头和自控单元，可实现处理过程的全自动、智能化控制。

本发明提供的原位产氧制臭氧强化三段式电化学水处理方法工艺简单、处理效率高，能够有效、经济、环保进行水处理。

附图说明

图1是实施例1的原位产氧制臭氧强化三段式电化学水处理设备的结构示意图。

图2是实施例2的原位产氧制臭氧强化三段式电化学水处理设备的结构示意图。

图3是实施例3的原位产氧制臭氧强化三段式电化学水处理设备的结构示意图。

具体实施方式

根据下述实施例，可以更好地理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的具体的物料配比、工艺条件及其结果仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。

实施例1

一种原位产氧制臭氧强化三段式电化学水处理设备，如图1所示，包括进水装置1(本实施例中为进水泵)、反应装置3、储氧室3-3、以及设于反应装置3内部的阳极4、阴极5和透水隔气催化层6；阴极5和透水隔气催化层6均与反应装置3的内壁密闭连接，将反应装置3的内部空间分隔为阳极室3-1、阴极室3-2和阴极进气室3-4，阳极4设于阳极室3-1内，储氧室3-3位于阳极室3-1顶部，并且与其连通；储氧室3-3的出气口通过臭氧发生器10与阴极进气室3-4的进气口相连，进水装置1的出水口与阴极室3-2的进水口相连。

此外，还包括电源11，其正负极分别与阳极4和阴极5相连接，阴极5为气体扩散电极，具有隔水透气功能，阳极4与阴极5平行设置。

进水装置1与阴极室3-2之间还连接有液体流量计17，阴极室3-2的进水口还设有布水器2；臭氧发生器10与阴极进气室3-4之间还连接有气体流量计18。

储氧室3-3的中部还设有气体干燥层12，将储氧室3-3分隔为上下两部分空间，用于干燥排入储氧室内的氧气。

储氧室3-3通过设于阳极室3-1顶部的一号排气阀7与其连通，并且储氧室3-3的顶部还设有二号排气阀8与臭氧发生器10连接，阴极室3-2顶部设有三号排气阀9。排气阀可根据需要设置为普通排气阀或稳流阀。

本发明实施例中，布水器2为多孔布水板，阳极4为铂电极，阴极5为碳纳米管/PTFE电极，透水隔气催化层6为活性炭吸附催化层，其透水隔气，电源11为直流稳压电源，气体干燥层12为硅胶干燥层。

具体的水处理过程如下：

原水通过进水泵1将待处理水体泵入反应装置3，阳极4和阴极5与电源11相连通；阳极室3-1内电化学阳极析氧产生的氧气经一号排气阀7排入储氧室3-3，再输送至臭氧发生器10，产生的臭氧化气体通入阴极进气室3-4后，经阴极5进入阴极室3-2。在电化学阴极还原作用下，臭氧化气体经链式反应生成高活性羟基自由基降解污染物，实现第一阶段的反应；经阴极室3-2内降解处理的水体流经透水隔气催化层6，一方面透水隔气催化层6将阴极室3-2内气体隔离，避免其流经阳极室3-1进入臭氧发生器10，消除潜在的风险；另一方面，透水隔气催化层6催化反应液中残余氧化物分解，进一步降解污染物，实现第二阶段的反应；反应液经透水隔气催化层6后流入阳极室3-1，在阳极氧化的作用下，实现对水体第三阶段的反应，最终出水即得净化水。

实施例2

原位产氧制臭氧强化三段式电化学水处理的设备，见图2，与实施例1基本相同，不同之处仅在于：还包括设于阴极进气室3-4顶部的气压阀13、以及一号气体止回阀14和二号气体止回阀15。当进气流量、压力过大时，气压阀13打开，使阴极进气室3-4内的气体回流至臭氧发生器10进气口。这样，一方面保障了阴极5能够高效地完成无泡或微泡布气及反应，提高臭氧利用率，消减臭氧尾气污染；另一方面，可以通过气路回流提高气相臭氧投加浓度。一号气体止回阀14位于储氧室3-3的出气口与臭氧发生器10的进气口中间，防止从气压阀13回流至臭氧发生器10进气口的气体流向储氧室3-3；二号气体止回阀15位于气压阀13与臭氧发生器10的进气口中间，防止储氧室3-3出气未经臭氧发生器10而直接流向阴极进气室3-4。

此外，还包括设于阴极室3-2内部的能够自身导电的进水导流板16，置于布水器2旁，且与阴极5平行设置，使进水能流经阴极表面。

实施例3

原位产氧制臭氧强化三段式电化学水处理的设备，见图3，与实施例2基本相同，不同之处仅在于：还包括臭氧浓度监测仪19、一号气压传感器20、二号气压传感器21、总氧化物浓度监测探头22、残余氧化物浓度监测探头23以及控制各个部件的自控单元24；

臭氧浓度监测仪19设于臭氧发生器10与阴极进气室3-4之间，用于监测投加的气相臭氧浓度；一号气压传感器20置于储氧室3-3侧壁，用于监测储氧室3-3内气压；二号气压传感器21置于阴极进气室3-4侧壁，用于监测阴极进气室3-4内气压；总氧化物浓度监测探头22置于阴极室3-2侧壁或顶部，用于监测阴极室3-2内氧化物浓度；残余氧化物浓度监测探头23置于阳极室3-1下部的出水口，用于监测出水中残余氧化物浓度。自控单元24能接收所连接各部件的信号，然后再输出控制信号，从而控制整个设备的进水、出水、计量、电源电流大小、气体产生输送等。

对染料废水进行处理，方法及效果见表1。

表1原位产氧制臭氧强化三段式电化学水处理的设备进行处理方法及效果

Claims (10)

1.一种原位产氧制臭氧强化三段式电化学水处理设备，其特征在于，包括进水装置(1)、反应装置(3)、储氧室(3-3)、以及设于反应装置(3)内部的阳极(4)、阴极(5)和透水隔气催化层(6)；所述阴极(5)和透水隔气催化层(6)均与反应装置(3)的内壁密闭连接，将反应装置(3)的内部空间分隔为阳极室(3-1)、阴极室(3-2)和阴极进气室(3-4)，阳极(4)设于阳极室(3-1)内，储氧室(3-3)位于阳极室(3-1)顶部，并且与其连通；储氧室(3-3)的出气口通过臭氧发生器(10)与阴极进气室(3-4)的进气口相连，进水装置(1)的出水口与阴极室(3-2)的进水口相连。

2.根据权利要求1所述的原位产氧制臭氧强化三段式电化学水处理设备，其特征在于，所述透水隔气催化层(6)内置有导电多孔碳材料或金属氧化物材料，能吸附污染物，并催化臭氧/双氧水等降解污染物，并且透水隔气。

3.根据权利要求1所述的原位产氧制臭氧强化三段式电化学水处理设备，其特征在于，还包括电源(11)，其正负极分别与阳极(4)和阴极(5)相连接，阴极(5)为气体扩散电极，具有隔水透气功能，阳极(4)与阴极(5)平行设置。

4.根据权利要求1所述的原位产氧制臭氧强化三段式电化学水处理设备，其特征在于，所述进水装置(1)与阴极室(3-2)之间还连接有液体流量计(17)，阴极室(3-2)的进水口还设有布水器(2)；所述臭氧发生器(10)与阴极进气室(3-4)之间还连接有气体流量计(18)。

5.根据权利要求1所述的原位产氧制臭氧强化三段式电化学水处理设备，其特征在于，所述储氧室(3-3)的中部还设有气体干燥层(12)，将储氧室(3-3)分隔为上下两部分空间。

6.根据权利要求1所述的原位产氧制臭氧强化三段式电化学水处理设备，其特征在于，所述储氧室(3-3)通过设于阳极室(3-1)顶部的一号排气阀(7)与其连通，并且储氧室(3-3)的顶部还设有二号排气阀(8)与臭氧发生器(10)连接，阴极室(3-2)顶部设有三号排气阀(9)。

7.根据权利要求1所述的原位产氧制臭氧强化三段式电化学水处理设备，其特征在于，还包括设于阴极进气室(3-4)顶部的气压阀(13)、以及一号气体止回阀(14)和二号气体止回阀(15)，一号气体止回阀(14)位于储氧室(3-3)的出气口与臭氧发生器(10)的进气口中间，二号气体止回阀(15)位于气压阀(13)与臭氧发生器(10)的进气口中间。

8.根据权利要求1所述的原位产氧制臭氧强化三段式电化学水处理设备，其特征在于，还包括设于阴极室(3-2)内部的能够自身导电的进水导流板(16)，其位于进水口旁，且与阴极(5)平行设置。

9.根据权利要求1所述的原位产氧制臭氧强化三段式电化学水处理设备，其特征在于，还包括臭氧浓度监测仪(19)、一号气压传感器(20)、二号气压传感器(21)、总氧化物浓度监测探头(22)、残余氧化物浓度监测探头(23)以及控制各个部件的自控单元(24)；

所述臭氧浓度监测仪(19)设于臭氧发生器(10)与阴极进气室(3-4)之间；所述一号气压传感器(20)置于储氧室(3-3)侧壁；所述二号气压传感器(21)置于阴极进气室(3-4)侧壁；所述总氧化物浓度监测探头(22)置于阴极室(3-2)侧壁或顶部；所述残余氧化物浓度监测探头(23)置于阳极室(3-1)下部的出水口。

10.利用权利要求1-9任一项所述原位产氧制臭氧强化三段式电化学水处理设备进行水处理的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(a)通过进水装置(1)将待处理水体泵入反应装置(3)，并将阳极(4)和阴极(5)与电源相连通；

(b)阳极室(3-1)内电化学阳极析氧产生的氧气排入储氧室(3-3)，再输送至臭氧发生器(10)，产生的臭氧化气体通入阴极进气室(3-4)后，经阴极(5)进入阴极室(3-2)，在电化学阴极还原作用下，臭氧化气体经链式反应生成高活性羟基自由基降解污染物，实现第一阶段的反应；

(c)经阴极室(3-2)内降解处理的水体流经透水隔气催化层(6)，一方面透水隔气催化层(6)将阴极室(3-2)内气体隔离，避免其流经阳极室(3-1)进入臭氧发生器，消除潜在的风险；另一方面，透水隔气催化层(6)催化反应液中残余氧化物分解，进一步降解污染物，实现第二阶段的反应；

(d)反应液经透水隔气催化层(6)后流入阳极室(3-1)，在阳极氧化的作用下，实现对水体第三阶段的反应，最终出水即得净化水。