申请日2017.11.17
公开(公告)日2018.02.23
IPC分类号C02F1/461; C02F1/66
摘要
本发明公开了一种微流场强化的穿过式电化学水处理设备及使用该水处理设备的水处理方法。该水处理设备包括电化学水处理单元、进水口和出水口，其中水处理单元包括至少一组电极，电极具有有序孔结构;至少一个绝缘隔离层设置于至少一组电极中的两个电极之间;至少一组电极的至少一个电极的孔结构的孔壁上负载有呈纳米微结构的催化剂。该水处理方法包括将含污染物的原水经由进水口进入上述水处理设备，并穿过式通过，然后经出水口流出。该水处理设备及方法可增强传质效果、提高电流效率、降低能耗，比传统的浸没式电化学水处理方法效率更高、功能更强大。
摘要附图
权利要求书
1.一种微流场强化的穿过式电化学水处理设备，包括电化学水处理单元、进水口和出水口，其中所述电化学水处理单元包括：
至少一组电极，所述电极具有有序孔结构;
至少一个绝缘隔离层，所述至少一个绝缘隔离层设置于所述至少一组电极中的两个电极之间;
其中，所述至少一组电极的至少一个电极的孔结构的孔壁上负载有呈纳米微结构的催化剂。
2.如权利要求1所述的电化学水处理设备，其中，所述纳米微结构包括纳米锥阵列、纳米颗粒或纳米片中的一种或更多种;所述纳米微结构的尺寸为5纳米至500纳米;可选地，所述纳米微结构的平均宽度为10纳米至100纳米，平均高度为30纳米至500纳米;可选地，当所述纳米微结构为所述纳米锥阵列时，所述纳米微结构的平均宽度为30纳米至60纳米，平均高度为100纳米至200纳米，当所述纳米微结构为所述纳米颗粒或所述纳米片时，所述纳米微结构的平均宽度为5纳米至40纳米。
3.如权利要求1所述的电化学水处理设备，其中，所述催化剂选自聚苯胺、聚吡咯、钯、钯合金、金合金、铂合金、氧化钌、氧化铱中的一种或更多种。
4.如权利要求1所述的电化学水处理设备，其中，所述电极由导电材料制备，所述导电材料选自石墨烯凝胶、碳气凝胶、活性炭纤维、石墨纤维毡、泡沫镍、泡沫铜或泡沫钛中的一种或更多种。
5.如权利要求1-4任一项所述的电化学水处理设备，其中，所述电极的孔隙率为30%至95%，所述孔结构的孔径为100纳米至800微米。
6.如权利要求1-4任一项所述的电化学水处理设备，其中，所述绝缘隔离层为多孔介电材料，所述多孔介电材料选自聚氨酯、尼龙、聚丙烯、醋酸纤维素纤维中的一种或更多种;所述绝缘隔离层厚度为0.1毫米至5毫米。
7.如权利要求6所述的电化学水处理设备，其中，所述多孔介电材料的孔隙率为50%至70%，孔径为0.1微米至1.2微米。
8.如权利要求1-4任一项所述的电化学水处理设备，其中所述至少一组电极形成微流场。
9.如权利要求1-4任一项所述的电化学水处理设备，其中，所述至少一组电极包括阴极和阳极，所述绝缘隔离层位于所述阴极和所述阳极之间。
10.如权利要求1-4任一项所述的电化学水处理设备，其中，所述电化学水处理单元包括多组电极，所述多组电极按照阴极/绝缘隔离层/阳极/绝缘隔离层/阴极/绝缘隔离层/阳极……的顺序依次排列。
11.一种水处理方法，使用根据权利要求1-10任一项所述的电化学水处理设备，所述方法包括以下步骤：
对所述至少一组电极施加1.0～5.0V的电压，使含污染物的原水经由所述进水口进入所述电化学水处理设备，并穿过式通过所述电化学水处理单元，然后经所述出水口流出。
12.如权利要求11所述的水处理方法，其中所述原水以50～500L/h·m2的流速均匀通过所述电化学水处理单元。
13.如权利要求11或12所述的水处理方法，其中水流方向与电场方向平行或垂直。
14.如权利要求11或12所述的水处理方法，其中在原水进入所述电化学水处理设备之前，还包括对原水调节pH的步骤。
说明书
一种电化学水处理设备及水处理方法
技术领域
本发明涉及但不限于一种水处理设备及处理方法，尤其涉及但不限于一种基于微流场强化的穿过式的电化学水处理设备，及使用该设备的水处理方法。
背景技术
电化学水处理技术包括电化学氧化、电化学还原和电吸附等，其多功能性使该技术在水处理领域具有广泛的应用。
水中的污染物主要在电极表面发生富集、转化和降解，增加电极面积可有效提高电化学反应速率，减少反应器体积，从而提高电化学技术的适用范围。因此，国内外相关技术领域开始越来越多的关注多孔电极材料，如以活性炭、活性焦、碳气凝胶、石墨烯和石墨纤维等为主的碳基多孔电极和以泡沫镍、泡沫钛和泡沫铜等为主的泡沫金属多孔电极。由于多孔电极有较大的比表面积，与水的接触面积大，电极的利用率高，相对于平板电极，多孔电极对污染物的处理效率有很大提升。
通常情况下，水中污染物(如重金属、有机污染物等)浓度相对较低，可归为稀溶液。稀溶液中物质化学反应速率受传质的影响较大。传统的电化学反应器多是将电极浸没在水中，阴阳极平行布置，通过机械搅拌的方式提高传质效果。而机械搅拌的方式难以将物质输送至多孔电极的内部，导致其传质效果较差，这个难以克服的缺点导致了较低的电流效率和高能耗。对于多孔电极而言，传统的电化学反应器难以将多孔电极的优势发挥到最大。
因此，开发一种强化质量传递的电化学水处理方法，充分利用多孔电极优点，是实现水处理高效率和低能耗目标的可行的技术路径。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种电化学水处理设备及使用该设备的水处理方法，提高电极的利用率，实现水处理高效率和低能耗。
第一方面，本申请提供了一种微流场强化的穿过式电化学水处理设备，包括电化学水处理单元、进水口和出水口，其中电化学水处理单元包括：至少一组电极，电极具有有序孔结构;至少一个绝缘隔离层，设置于至少一组电极中的两个电极之间;其中，至少一组电极的至少一个电极的孔结构的孔壁上负载有呈纳米微结构的催化剂。
在本申请中，所述“纳米微结构”是指在电极的孔结构的孔壁上形成的大量纳米尺寸的突起或凹陷而使得孔壁的表面呈凹凸不平的特殊形貌。
呈纳米微结构的催化剂制成的催化电极孔隙率高、网络结构丰富、透水性强、有效活性面积更大。进而装配成的穿过式电化学水处理设备，可实现水流穿过式运行，增强传质效果、提高电流效率、降低能耗，比传统的浸没式电化学水处理方法效率更高、功能更强大。
根据具体需要降解或转化的污染物的种类，选择在至少一组电极的两个电极的孔结构的孔壁上都负载呈纳米微结构的催化剂，或者在其中的一个电极(阴极或阳极)的孔结构的孔壁上负载呈纳米微结构的催化剂。如果两个电极都需要降解或转化污染物，则两个电极都需要提高界面传质效果，那么在两个电极上都负载呈纳米微结构的催化剂;如果其中一个电极不降解或转化污染物，则不需要提高界面传质效果，可以不负载呈纳米微结构的催化剂。例如，在电还原中，污染物主要在阴极还原，只需提高阴极的界面传质效果，因此可以只在阴极上负载呈纳米微结构的催化剂。
在一个实施方式中，纳米微结构可以包括纳米锥阵列、纳米颗粒或纳米片中的一种或更多种，纳米微结构的尺寸可以为5纳米至500纳米，可选地为5纳米至100纳米，进一步可选地为10纳米至40纳米;具体地，所述纳米微结构的平均宽度可以为10纳米至100纳米，平均高度可以为30纳米至500纳米。更具体地，当所述纳米微结构为纳米锥阵列时，所述纳米微结构的平均宽度为30纳米至60纳米，平均高度为100纳米至200纳米;当所述纳米微结构为纳米颗粒或纳米片时，所述纳米微结构的平均宽度为5纳米至40纳米。
纳米微结构的排列可以是随机的，也可以是有序的。纳米微结构可以通过“自下而上”的自组装法、沉积法、或是“自上而下”的刻蚀法等方法形成于电极导电材料的孔壁上。优选地，所述纳米微结构的高度略小于孔的半径，例如可以是孔径的1/10～1/3，这样的微结构可以使水流扰动最大化，从而更好的形成微流场。
本领域技术人员可以根据实际需要选择纳米微结构在电极孔壁上的负载率，例如，负载率可以为5%～90%，可选为5%～10%，10%～15%或20%～30%等。
在一个实施方式中，催化剂可以选自聚苯胺、聚吡咯、钯、钯合金、金合金、铂合金、氧化钌、氧化铱中的一种或多种。该催化剂可以提高电极对所处理污染物的选择性。
在一个实施方式中，电极由导电材料制备，导电材料可以选自石墨烯凝胶、碳气凝胶、活性炭纤维、石墨纤维毡、泡沫镍、泡沫铜、泡沫钛中的一种或多种。
在一个实施方式中，电极的孔隙率可以为30%至95%，孔径可以为100纳米至800微米，电极的厚度可以为0.3毫米至5毫米。
可选地，孔结构有序地分布于电极上，从而有利于使水流均匀穿过。
在一个实施方式中，绝缘隔离层可由多孔介电材料制备，该多孔介电材料可选自聚氨酯、尼龙、聚丙烯、醋酸纤维素纤维中的一种或多种。该多孔介电材料的孔隙率可以为50%至70%，孔径可以为0.1微米至1.2微米，绝缘隔离层的厚度可以为0.1毫米至5毫米。
在一个实施方式中，至少一组电极形成微流场。
在本申请中，所述“微流场”是指含污染物的原水在电极的孔结构的纳米微空间内流动，和纳米微结构相互作用，形成紊流、漩涡等现象，从而形成了微流场。
在一个实施方式中，至少一组电极包括阴极和阳极，绝缘隔离层位于阴极和阳极之间。上述电极形成了以孔材料为载体、纳米微结构功能材料为催化剂的分层次三维结构的多孔状材料。
在一个实施方式中，电化学水处理单元可以包括多组电极，多组电极按照阴极/绝缘隔离层/阳极/绝缘隔离层/阴极/绝缘隔离层/阳极……的顺序依次排列。多组电极可提高反应器的出水水质。
第二方面，本申请还提供了一种水处理方法，使用上述水处理设备，对至少一组电极施加1.0～5.0V的电压，使含污染物的原水经由进水口进入电化学水处理设备，并穿过式通过电化学水处理单元，然后经出水口流出。
应用本申请的水处理方法，当水流经过电极内部的孔隙时，孔隙内部呈纳米微结构的催化剂会对水流产生局部扰动;微流场的形成是原水在电极孔隙中流动与纳米微结构的催化剂相互作用实现的。形成的微流场会进一步使催化剂附近的物质传递增强，其效率远高于以扩散为主的浸入式电极的电化学反应器。当原水穿过电极时，污染物可被直接输送至电极内部的活性位点，原水中的污染物在电极内部催化剂表面或富集、或氧化、或还原，实现水中污染物的去除和降解。
在一个实施方式中，原水可以以50～500L/h·m2的流速均匀通过电化学水处理单元。通过控制流速来控制相应的停留时间或反应时间。
在一个实施方式中，水流方向与电场方向平行或垂直。
在一个实施方式中，在原水进入电化学水处理设备之前，对原水调节pH，从而达到最优化的反应条件。
本申请使用有序孔结构的导电材料负载特殊形貌催化剂作为电极，绝缘隔离层将阴阳极隔离，组成一种穿过式电极的电化学水处理反应器，其优点在于：
1、本申请采用纳米微结构的催化剂制成的催化电极，孔隙率最高可达90%，网络结构丰富，透水性强，有效活性面积大，可强化微流场;
2、装配成的穿过式电化学水处理设备，可实现水流穿过式运行，同时，呈纳米微结构的催化剂使水流产生局部微流场，大大增强了传质效果，进而使电流效率最高可达99%，污染物去除率最高可达99%;比传统的浸没式电化学水处理方法效率更高、功能更强大且能耗更低;
3、多孔电极布置灵活，针对不同原水水质和处理要求，可采用单电极组或多电极组;
4、根据不同处理要求，可实现水中污染物的高效富集、或氧化、或还原，对原水适应性强;
5、该穿过式电化学反应水处理设备操作方便，占地面积小，电极使用寿命长，为工业化和规模化推广电化学方法处理水提供了一种新途径。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
