申请日2015.09.29
公开(公告)日2015.12.09
IPC分类号C02F1/461; C02F1/40; C02F1/72
摘要
本发明提供了一种用氧阴极电Fenton处理餐饮废水的装置及电极制作方法，其中所述装置包括：废水池、电极、以及电化学羟基装置，电化学羟基装置包括气泵、脉冲电解电源、在气泵出口处设置有负氧离子发生器、以及负氧离子发生器电源，气泵出口通过曝气导管与电极中的电解液连通。本发明所述装置及电极制作方法，使得O2-2这种活性氧化-还原剂不但可以和污染物作用分解油脂，降低废水化学需氧量，还可以利用O2-2是一种强烈溶剂化试剂的作用，将分相的油水混悬液分解为接近均相的溶液，为下一步?OH与水中油脂完全作用提供理想条件，使得餐饮废水在油水分离状态下可以快速、完全、彻底地被处理。
摘要附图
权利要求书
1.一种用氧阴极电Fenton处理餐饮废水的装置，其特征在于，包括：废水池、置于废水池中的电极、以及电化学羟基装置，废水池内由隔油板分隔成两个相互连通的隔油1池和隔油2池，餐饮废水进水管设置在隔油1池上方，处理后的餐饮废水出水管设置在隔油2池处，所述电极设置在隔油1池内，电极通过导线与电化学羟基装置连接，电化学羟基装置包括气泵、用于为电极提供电源的脉冲电解电源、在气泵出口处设置有负氧离子发生器、以及负氧离子发生器电源，气泵出口通过曝气导管与电极中的电解液连通。
2.根据权利要求1所述的处理餐饮废水的装置，其特征在于，所述电极从外部到内部依次包括：设置在最外层的多孔聚乙烯塑料圆柱体框架、石墨纤维碳毡外层、钛阴极、石墨纤维碳毡内层、钛阳极和铁阳极，石墨纤维碳毡将钛阴极牢固包覆在其内部，在聚乙烯塑料圆柱体框架和石墨纤维碳毡外层之间为电解液，在石墨纤维碳毡内层和钛阳极之间为电解液，在钛阳极和铁阳极之间为电解液。
3.根据权利要求2所述的处理餐饮废水的装置，其特征在于，石墨纤维碳毡外层和石墨纤维碳毡内层将钛阴极包覆在内部，并用聚乙烯带穿孔结扎。
4.根据权利要求2所述的处理餐饮废水的装置，其特征在于，所述石墨纤维碳毡电极材料的厚度为2-3mm。
5.根据权利要求2所述的处理餐饮废水的装置，其特征在于，所述钛阳极为涂覆有钌、铱、钛三元涂层的电极。
6.根据权利要求2所述的处理餐饮废水的装置，其特征在于，所述钛阳极厚度为1-2mm，网目为20目，铁阳极为纯铁的圆柱铸铁或纯铁阳极。
7.根据权利要求1所述的处理餐饮废水的装置，其特征在于，所述脉冲电解电源为独立的双路脉冲电源，其包括用于与所述电极中钛阳极连接的钛阳极电解电源和用于与所述电极中铁阳极连接的铁阳极电解电源，脉冲电解电源的负极和所述电极中阴极均接地，所述脉冲电解电源的脉冲频率、输出电压和占空比均可调。
8.根据权利要求7所述的处理餐饮废水的装置，其特征在于，所述钛阳极电解电源为0-12V，脉冲周期为0-5KHz，占空比为30-70%，所述铁阳极电解电源为0-5V，脉冲周期为0-5KHz，占空比为10-50%。
9.一种权利要求1-8任意一项所述处理餐饮废水的装置所使用的电极制作方法，其特征在于，包括：从外部到内部依次设置多孔聚乙烯塑料圆柱体框架、石墨纤维碳毡外层、钛阴极、石墨纤维碳毡内层、钛阳极和铁阳极，石墨纤维碳毡将钛阴极牢固包覆在其内部，在聚乙烯塑料圆柱体框架和石墨纤维碳毡外层之间填充有电解液，在石墨纤维碳毡内层和钛阳极之间填充有电解液，在钛阳极和铁阳极之间填充有电解液;
其中，石墨纤维碳毡层的处理方式包括：将裁好的石墨纤维碳毡经稀酸、稀碱浸泡，蒸馏水洗净后，再经95%乙醇浸泡、清洗，之后经105℃烘干后，浸于1%--3%的PTEF或PVDF乳液中10-30秒，经提拉出液面后再经105℃烘干，以上过程反复多次，最后经350℃进行部分碳化。
10.根据权利要求9所述的电极制作方法，其特征在于，所述钛阳极厚度为1-2mm，网目为20目，钛阳极为表面涂覆有钌、铱、钛三元涂层的阳极，铁阳极为纯铁的圆柱铸铁或纯铁阳极。
说明书
用氧阴极电Fenton处理餐饮废水的装置及电极制作方法
技术领域
本发明涉及废水处理及电极制作技术领域，尤其涉及一种氧阴极电Fenton处理餐饮废水装置及电极制作方法。
背景技术
当今世界关于高级氧化技术的研究和应用，主要有臭氧催化技术、Fenton试剂氧化技术(包括各类以Fenton反应为核心的组合技术或衍生技术)、超声降解技术、电化学氧化技术、湿式氧化技术、超临界水技术和光催化技术/光电催化技术等。
Fenton试剂反应是在1894年由法国科学家H.J.H.Fenton首次发现。典型的Fenton试剂是经加入二价铁离子(以下用符号Fe2+代替)由Fe2+催化还原过氧化氢(以下用符号H2O2代替)，发生Fenton化学反应产生羟基自由基(以下记为·OH)，从而引发·OH对有机污染物的链式氧化降解反应。
H2O2+Fe2+→·OH+Fe+3(1)
并利用该反应产生的·OH强大的氧化能力对不同类型的废水中的各类污染物产生降解、破坏、氧化等物理-化学作用实现减低污染物的浓度，部分污染物可以最终生成无毒或低毒的小分子化合物，甚至降解至CO2、H2O、O2、NO-2、NO-3、N2、PO4-3、S、SO3-2、SO4-2等无毒化合物”。
燕山大学宋士丽、马月、李峥和山东大学马相如分别在其硕士、博士论文中[1-4]详细论述了采用“高效乙炔黑一PTFE阴极制备过氧化氢并通过加入二价铁离子或原位电解产生Fe2+。进而发生Fenton反应。在论文中也涉及了不同类型的氧阴极、钛阳极电极设计并采用直流电压电解产生H2O2和Fe2+。上述论文的主要贡献是：利用新颖的氧阴极制备技术产生大量的H2O2并利用铁阳极同步产生Fe2+,免除了外加试剂H2O2和Fe2+，降低了处理费用，也解决了H2O2的运输和储存的安全问题。
中国科学院天津工业生物技术研究所李晨等在专利公开号104496003A“一种羟基自由基高效产生应用装置及其使用方法”中提出了一种产生羟基自由基的装置和使用方法。在外壳内套设一个两端开口的导流筒，并在导流筒底部设置进气管，将反应的液体加入到外壳中，并将导流筒浸没，由进气管向内持续注入空气，则在导流筒内产生向上运行的气流，液体由气流带动下在导流筒内部也向上运行，运行到导流筒顶部之后，在重力作用下向导流筒周边分散并向下运行，并重新到达所述外壳底部，从而使液体形成经过导流筒内部及导流筒侧壁与外壳侧壁之间的内循环系统，使液体中的催化剂与电极板充分接触，产生大量的羟基自由基，并使产生的羟基自由基及时地与液体中的反应材料接触，避免羟基自由基在局部的累计造成失效，能够有效提高羟基自由基的利用效率。
但是，现有技术存在以下缺点：
⑴、上述“高效乙炔黑一PTFE阴极制备”只是实验室的小型制备，没有批量生产更没有商品生产。大面积电极制备有一定技术瓶颈影响进一步提高H2O2产量。目前制备的电极比表面积偏小影响电极性能。
⑵、直流电压同步产生H2O2和的量不能与Fenton反应所需的量匹配，往往Fe2+的量远远大于反应所需求的量，导致消耗已经产生的·OH，影响处理效果。
⑶、直流电压电解的电解效率较低，并易产生电极钝化。虽然可以采用倒极(即阴阳极对调)的办法减轻钝化现象。但由于所用阴阳极材料、结构并不相同，不但增加电极制备费用，而且效果并不明显。
⑷、由于采用稳横直流电压电解，电流效率较低。特别是在较大电流密度下电流效率减低明显。
⑸、由于餐饮废水含油脂较高，废水中存在大量的独立于水相的油滴。严重影响·OH与油滴内部的油脂作用，使反应变慢和作用不完全，影响处理效果。
⑹、公开号104496003A的专利提出了一种流体力学方案，使反应状态更加合理。但在本质上并没有解决上述(5)中提到的问题，对于本质问题没有彻底解决。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题是：提供一种用氧阴极电Fenton处理餐饮废水的装置及电极制作方法，使得油水分离状态下可以快速、完全、彻底处理餐饮废水。
于是，本发明提供了一种用氧阴极电Fenton处理餐饮废水的装置，包括：废水池、置于废水池中的电极、以及电化学羟基装置，废水池内由隔油板分隔成两个相互连通的隔油1池和隔油2池，餐饮废水进水管设置在隔油1池上方，处理后的餐饮废水出水管设置在隔油2池处，所述电极设置在隔油1池内，电极通过导线与电化学羟基装置连接，电化学羟基装置包括气泵、用于为电极提供电源的脉冲电解电源、在气泵出口处设置有负氧离子发生器、以及负氧离子发生器电源，气泵出口通过曝气导管与电极中的电解液连通。
其中，所述电极从外部到内部依次包括：设置在最外层的多孔聚乙烯塑料圆柱体框架、石墨纤维碳毡外层、钛阴极、石墨纤维碳毡内层、钛阳极和铁阳极，石墨纤维碳毡将钛阴极牢固包覆在其内部，在聚乙烯塑料圆柱体框架和石墨纤维碳毡外层之间为电解液，在石墨纤维碳毡内层和钛阳极之间为电解液，在钛阳极和铁阳极之间为电解液。
其中，石墨纤维碳毡外层和石墨纤维碳毡内层将钛阴极包覆在内部，并用聚乙烯带穿孔结扎。
所述石墨纤维碳毡电极材料的厚度为2-3mm。
所述钛阳极为涂覆有钌、铱、钛三元涂层的电极。
所述钛阳极厚度为1-2mm，网目为20目，铁阳极为纯铁的圆柱铸铁或纯铁阳极。
其中，所述脉冲电解电源为独立的双路脉冲电源，其包括用于与所述电极中钛阳极连接的钛阳极电解电源和用于与所述电极中铁阳极连接的铁阳极电解电源，脉冲电解电源的负极和所述电极中阴极均接地，所述脉冲电解电源的脉冲频率、输出电压和占空比均可调。
所述钛阳极电解电源为0-12V，脉冲周期为0-5KHz，占空比为30-70%，所述铁阳极电解电源为0-5V，脉冲周期为0-5KHz，占空比为10-50%。
本发明还提供了一种上述处理餐饮废水的装置所使用的电极制作方法，该方法包括：从外部到内部依次设置多孔聚乙烯塑料圆柱体框架、石墨纤维碳毡外层、钛阴极、石墨纤维碳毡内层、钛阳极和铁阳极，石墨纤维碳毡将钛阴极牢固包覆在其内部，在聚乙烯塑料圆柱体框架和石墨纤维碳毡外层之间填充有电解液，在石墨纤维碳毡内层和钛阳极之间填充有电解液，在钛阳极和铁阳极之间填充有电解液;
其中，石墨纤维碳毡层的处理方式包括：将裁好的石墨纤维碳毡经稀酸、稀碱浸泡，蒸馏水洗净后，再经95%乙醇浸泡、清洗，之后经105℃烘干后，浸于1%--3%的PTEF或PVDF乳液中10-30秒，经提拉出液面后再经105℃烘干，以上过程反复多次，最后经350℃进行部分碳化。
其中，所述钛阳极厚度为1-2mm，网目为20目，钛阳极为表面涂覆有钌、铱、钛三元涂层的阳极，铁阳极为纯铁的圆柱铸铁或纯铁阳极。
本发明所述用氧阴极电Fenton处理餐饮废水的装置及电极制作方法，通过在气泵出口处设置负氧离子发生器的方式，利用负氧离子发生器产生的含有大量O2-2的气体代替普通空气或氧气，使得O2-2这种活性氧化-还原剂不但可以和污染物作用分解油脂，降低废水化学需氧量(以下简称CODcr)，还可以利用O2-2是一种强烈的溶剂化试剂的作用，将分相的油水混悬液作用为接近均相的溶液，为下一步羟基自由基·OH与水中的油脂完全作用提供理想条件，使得餐饮废水在油水分离状态下可以快速、完全、彻底地被处理。
进一步，利用市售商品大孔隙石墨纤维碳毡，经疏水处理制得理想氧阴电极的电极材料。不但提高了电极面积，也为大批量生产电极创造了条件。
进一步，所述脉冲电解电源，采用独立的双路脉冲电源形式，将电源脉冲频率、输出电压、占空比均设置为合适范围内的可以调节，实现了大约节能1/3-1/2的目的，并能够保证提供合适的H2O2和Fe2+浓度比。
