申请日2011.02.23
公开(公告)日2011.08.17
IPC分类号C02F1/461; C02F1/46; C02F1/72
摘要
电芬顿反应废水处理设备，包括电芬顿主体设备和深度反应器，主体设备内有水平相对的第一阳极板、阴极板、第二阳极板，阴极板二侧有扩展阴极，上部有与深度反应器相连的出水管;深度反应器内有填料、溢水管、回流管;二组直流电源负极相连，正极分别和第一、第二阳极连接，电流表分别监控二组电源的工作电流;进水泵、回流泵及风机从设备底部供水曝气。第一阳极是钛基表面涂复锡、锑、铱、钽复合氧化物催化剂的形稳阳极，第二阳极是钢板。设备工作时，曝入的空气在阴极区产生H2O2，在第二阳极区产生Fe2+，与废水形成电芬顿反应，通过反应产生的羟基自由基降解废水中的有机污染物，进入深度反应器后持续这一反应，保证反应停留时间和实现大流量回流。
权利要求书
1.电芬顿反应废水处理设备，其特征在于：包括电芬顿主体设备(1)和深度反应器(10)，电芬顿主体设备(1)内部从下至上依次设有水平平行相对的第一阳极板(2)，阴极板(4)、第二阳极板(6)，所述阴极板(4)的上下二侧设置有与其紧密接触的扩展阴极(5、5')，所述阴极板(4)与扩展阴极(5、5')构成扩展式整体阴极，该扩展式整体阴极通过位于第一阳极板(2)上方的阴极支撑板(3)固定于电芬顿主体设备(1)内部，电芬顿主体设备(1)的底部具有进水布水管(7)、进气曝气管(8)，上部具有与深度反应器(10)相接的出水管(9)，用于产生过氧化氢的第一直流电源(15)的负极、正极分别与阴极板(4)、第一阳极板(2)电连接，用于产生铁离子的第二直流电源(14)的负极、正极分别与阴极板(4)、第二阳极板(6)电连接。
2.根据权利要求1所述的电芬顿反应废水处理设备，其特征在于：所述第一阳极板(2)为钛板，第二阳极板(6)为含铁元素的电极板，阴极板(4)为石墨板，扩展阴极(5、5')为蜂窝状或粒状活性炭电极。
3.根据权利要求2所述的电芬顿反应废水处理设备，其特征在于：所述钛板表面涂覆锡、锑、铱、钽复合氧化物催化剂构成形稳阳极，第二阳极板(6)为可溶出铁离子的铸铁板或钢板。
4.根据权利要求3所述的电芬顿反应废水处理设备，其特征在于：所述作为扩展阴极(5、5')的活性炭表面附着有聚四氟乙烯憎水涂层，在阴极区形成固—液—气三相界面，高效产生过氧化氢。
5.根据权利要求4所述的电芬顿反应废水处理设备，其特征在于：所述阴极板(4)上下二侧的扩展阴极(5、5')厚度相同，厚度范围为50～100mm。
6.根据权利要求4所述的电芬顿反应废水处理设备，其特征在于：所述阴极板(4)、第一阳极板(2)、第二阳极板(6)及支撑板(3)均为多孔结构，阴、阳极板开孔率为6%～10%，通孔孔径为3～5mm。
7.根据权利要求1-6任意一项所述的电芬顿反应废水处理设备，其特征在于：所述第一直流电源(15)、第二直流电源(14)均为可调电压式直流电源，其还具有分别用于监控第一直流电源(15)工作电流、第二直流电源(14)工作电流的第一电流表(16)、第二电流表(16')。
8.根据权利要求1-6任意一项所述的电芬顿反应废水处理设备，其特征在于：所述深度反应器(10)内具有比表面积15～50m2/g的粒状填料(11)，以延续芬顿试剂接触反应时间，保证废水处理效果;其上部设有溢水管(12)。
9.根据权利要求1-6任意一项所述的电芬顿反应废水处理设备，其特征在于：具有向进水布水管(7)注入待处理污水的进水泵(17)、向进气曝气管(8)送风的风机(19),分别实现从设备底部供水曝气，所述深度反应器的下部设有回流管(13)，所述回流管(13)经回流泵(18)与电芬顿主体设备(1)的进水布水管(7)连接。
10.根据权利要求1-6任意一项所述的电芬顿反应废水处理设备，其特征在于：以所述电芬顿主体设备(1)为基本单元，通过串联或者并联的方式组成阵列，以扩大设备处理水量。
说明书
电芬顿反应废水处理设备
技术领域
本实用新型涉及一种用电解催化氧化方法处理高浓度、有毒有害有机废水的设备，属于电化学技术废水处理领域。
背景技术
法国科学家Fenton在1894年发明了用亚铁离子(Fe2+)和双氧水(H2O2)在酸性条件下生成具有强氧化性的羟基自由基(·OH)，这一成果被命名为 Fenton(芬顿)试剂。20世纪60年代，科学家们开始研究应用芬顿试剂反应处理废水中的难降解有机污染物。芬顿试剂反应的实质是H2O2在 Fe2+ 的催化作用下生成羟基自由基(·OH)，·OH氧化电位高达2.8V，它几乎对所有的有机分子都有强度不等的氧化分解作用，因此在处理高浓度、难降解有机废水时，芬顿试剂法被广泛应用。但是传统芬顿法(即在有机废水中加入Fenton试剂的方法)存在以下问题，使之难以广泛应用：(1)需要现场加入Fe2+和H2O2，药剂消耗量大，处理成本高;(2)投加到反应器中的H2O2会分解为水和氧气，浪费了氧化剂;(3)由于Fe2+和H2O2在反应开始前一次性加入，导致反应过程中·OH产生速率衰减很快，反应初期有机物的降解速率很快，然而随着反应的进行，降解速率很快降低，处理效果明显下降;(4) 产生的污泥量大，需要进一步处理，并可能引起二次污染。
电芬顿技术(Electro-Fenton Process)是为了克服传统芬顿法的缺点，提高水处理效果而发展起来的一项新技术。电芬顿法是利用电化学法持续产生Fe2+和H2O2，两者产生后立即作用而生成具有高活性的羟基自由基，使有机物得到降解，其实质就是在电解过程中直接生成芬顿试剂。
电芬顿法处理废水的研究始于 20世纪80年代。到目前为止，国内外众多学者采用电芬顿法处理各种难降解有机废水，取得了很好的效果。电芬顿法可按Fe2+和H2O2产生方式的不同，分为不同类型。根据报道，只要是用电化学方法在水处理现场合成其中一种药剂(Fe2+或H2O2)，另外一种由外部加入，都被称为电芬顿技术。从已报道的情况来看，利用电化学技术合成一种药剂的电芬顿技术居多，其中有O2在阴极还原产生H2O2，Fe2+由外界加入的电芬顿-H2O2法，有Fe2+由Fe在阳极氧化产生，H2O2由外界加入的电芬顿-铁氧化法，有Fe2+ 由Fe3+在阴极还原产生，H2O2由外界加入的电芬顿-铁还原法等。尚未见Fe2+和H2O2都在现场持续产生的工业级废水处理设备的报道。
实用新型内容
本实用新型要解决技术问题是：克服现有技术缺陷，提供一种完全不需加药剂的、利用电化学法持续、高效产生Fe2+和H2O2的电芬顿反应废水处理设备。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案如下：电芬顿反应废水处理设备，其特征在于：包括电芬顿主体设备和深度反应器，电芬顿主体设备内部从下至上依次设有水平平行相对的第一阳极板，阴极板、第二阳极板，所述阴极板的上下二侧设置有与其紧密接触的扩展阴极，所述阴极板与扩展阴极构成扩展式整体阴极，该扩展式整体阴极通过位于第一阳极板上方的阴极支撑板固定于电芬顿主体设备内部，电芬顿主体设备的底部具有进水布水管、进气曝气管，上部具有与深度反应器相接的出水管，用于产生过氧化氢的第一直流电源的负极、正极分别与阴极板、第一阳极板电连接，用于产生铁离子的第二直流电源的负极、正极分别与阴极板、第二阳极板电连接。
本设备底部有曝气管，风机向设备曝气，在电场及电极的作用下，曝入的空气在阴极区产生H2O2，与第二阳极产生的Fe2+共同作用，产生芬顿(Fenton)试剂反应。并且原水和大流量的回流水从底部进入反应器，其流动方向与极板垂直，有利于反应物更均匀地接触电极表面，提高反应几率和处理效果。
本实用新型还可以通过以下进一步的技术解决方案来实现：
(1)、所述第一阳极板为钛板，第二阳极板为含铁元素的电极板，阴极板为石墨板，扩展阴极为蜂窝状或粒状活性炭电极，所述钛板表面涂覆锡、锑、铱、钽(Sn-Sb-Ir-Ta)复合氧化物催化剂构成形稳阳极(DSA)，第二阳极板为可溶出铁离子的铸铁板或钢板。有机污染物可在阳极板上发生直接氧化反应被降解，在系统中产生电催化氧化协同反应。第二阳极极板为可溶性阳极，材料是可溶出铁离子的铸铁板或钢板，在电场作用下，第二阳极产生的Fe2+，与阴极区产生H2O2共同作用，产生芬顿(Fenton)试剂反应。
(2)、所述作为扩展阴极的活性炭表面附着有聚四氟乙烯(PTFE)憎水涂层，使其多孔结构表面形成憎水层，工作中在此区域形成极为丰富的固—液—气三相界面，使大量的氧分子吸附在粒子群阴极的炭颗粒表面，接受外电路提供的电子，使O2分子被电化学还原生成H2O2。
(3)、所述阴极板上下二侧的扩展阴极厚度相同，厚度范围为50～100mm，与石墨板电气相联接，形成扩展阴极区。
(4)、所述阴极板、第一阳极板、第二阳极板及支撑板均为多孔结构，阴、阳极板开孔率为6%～10%，通孔孔径为3～5mm。
(5)、所述第一直流电源、第二直流电源均为可调电压式直流电源，其还具有分别用于监控第一直流电源工作电流、第二直流电源工作电流的第一电流表、第二电流表。监控两电流表，对两直流电源的电压进行调节从而达到调节阴极总电流和第二阳极的电流。通过调节输入(三维粒子群扩展)阴极的总电流，可以在溶液中获得符合水处理要求的H2O2;通过调节输入可溶出铁离子的第二阳极板上的电流，可以在溶液中获得符合水处理要求的H2O2与Fe2+的溶度比。
(6)、所述深度反应器内具有比表面积15～50m2/g的粒状填料，以延续芬顿试剂接触反应时间，保证废水处理效果;其上部设有溢水管。
(7)、具有向进水布水管注入待处理污水的进水泵、向进气曝气管送风的风机,分别实现从设备底部供水曝气，所述深度反应器的下部设有回流管，所述回流管经回流泵与电芬顿主体设备的进水布水管连接。设备通过深度反应器回流管和外置回流泵，实现处理废水1:(2～4)大流量回流，回流可使芬顿反应后形成的Fe3+在阴极被还原为Fe2+，同时未反应完的氧化剂可与刚刚进入的废水快速反应，提高处理效率，大水量还有助于带走反应器内的悬浮物和更新电极表面。
(8)、以所述电芬顿主体设备为基本单元，通过串联或者并联的方式组成阵列，以扩大设备处理水量。
与传统芬顿法和仅产生单一药剂(Fe2+或H2O2)的电芬顿法相比，本实用新型的独特优点和有益效果如下：
(1)完全不需要加入化学药剂，可以大幅度降低处理成本;
(2)Fe2+和H2O2以相当的速率持续产生，·OH在处理过程中持续产生，可保证有机污染物长时间持续有效的降解;
(3)扩展阴极结构可实现H2O2高效产生;
(4)系统协同氧化作用多，除芬顿氧化作用外，还有第一阳极的直接电催化氧化，电吸附、Fe(OH)3的絮凝等，处理效率高;
(5)处理过程清洁，污泥量少，后处理简单，无二次污染;
(6)设备占地面积小，处理周期短，条件要求不苛刻;
(7)设备相对简单，电解过程需控制的参数只有电流和电压，易于实现自动控制;
(8)易于和其它方法结合，便于废水的综合治理 。
可见，本实用新型构思奇巧，效果显著，是处理难降解、高浓度有机废水的一种实用有效的创新设备，具有良好的市场前景。
