申请日2013.03.27
公开(公告)日2013.08.14
IPC分类号C02F1/72; C02F1/461
摘要
本实用新型属于水处理的技术领域，具体是一种超重力强化电Fenton法处理废水的传质过程的装置，解决了传统电Fenton法处理废水时传质受限的难题。所述装置，包括若干圆筒阴极及阴极连接盘和若干波纹圆筒阳极及阳极连接盘，波纹圆筒阳极及阳极连接盘相对外壳静止，阴极连接盘中心连接转轴，阴极连接盘上布有进气孔，阴极连接盘底部设置气体流通室。本实用新型不仅可解决传统牺牲阳极电Fenton技术应用过程中传质受限的难题，从而提高了处理效率，而且反应装置中持液量小、负荷低，设备小，能耗低。
权利要求书
1.一种超重力强化电Fenton法处理废水的传质过程的装置，其特征在于包括内附绝缘层的不锈钢外壳(1.1)，外壳(1.1)内置若干圆筒阴极(1.4)及阴极连接盘(1.2)和若干波纹圆筒阳极(1.5)及阳极连接盘(1.6)，波纹圆筒阳极(1.5)和圆筒阴极(1.4)同心交替排列，各圆筒阴极(1.4)底端连接于阴极连接盘(1.2)，各波纹圆筒阳极(1.5)顶端连接于阳极连接盘(1.6)，各圆筒阴极(1.4)的自由端与阳极连接盘(1.6)之间以及各波纹圆筒阳极(1.5)的自由端与阴极连接盘(1.2)之间均留有距离，波纹圆筒阳极(1.5)及阳极连接盘(1.6)相对外壳(1.1)静止，阴极连接盘(1.2)中心连接可高速旋转的转轴(1.12)，阴极连接盘(1.2)上布有进气孔(1.9)，阴极连接盘(1.2)底部设置气体流通室(1.10)，气体流通室(1.10)与穿过外壳(1.1)设置的气体进口管(1.3)连接，外壳(1.1)顶部设置有气体出口管(1.8)，阳极连接盘(1.6)的中心开孔连接穿过外壳(1.1)设置的废水进口管(1.7)，废水进口管(1.7)与废水储槽(5)相连，外壳(1.1)底部设置有废水出口管(1.11)。
2.根据权利要求1所述的超重力强化电Fenton法处理废水的传质过程的装置，其特征在于所述的波纹圆筒阳极(1.5)的波纹弯曲角度为90°，每150mm高的圆筒电极上设置波纹个数5～10个，波纹峰高10mm～15mm。
3.根据权利要求1或2所述的超重力强化电Fenton法处理废水的传质过程的装置，其特征在于所述的圆筒阴极(1.4)和波纹圆筒阳极(1.5)高度相等，各圆筒阴极(1.4)距离阳极连接盘(1.6)的距离与各波纹圆筒阳极(1.5)距离阴极连接盘(1.2)的距离相等，其距离为圆筒高度的1/10～1/4，各波纹圆筒阳极(1.5)与阳极连接盘(1.6)之间以及各圆筒阴极(1.4)与阴极连接盘(1.2)之间均为可自由拆卸式连接。
4.根据权利要求3所述的超重力强化电Fenton法处理废水的传质过程的装置，其特征在于所述的波纹圆筒阳极(1.5)材料选取可溶出Fe2+的材料，为铁或不锈钢材料，圆筒阴极材料(1.4)采用石墨、不锈钢材料或不锈钢上覆盖活性碳纤维材料。
5.根据权利要求4所述的超重力强化电Fenton法处理废水的传质过程的装置，其特征在于所述的进气孔(1.9)在阴极连接盘(1.2)上呈辐射状、均匀分布，开孔率0.01%～0.03%，进气孔(1.9)在阴极连接盘(1.2)上位于所连接的各个圆筒阴极(1.4)和各个波纹圆筒阳极(1.5)之间形成的各个环隙当中，并且靠近各个圆筒阴极(1.4)的内外周边分布，阴极连接盘(1.2)及其上布置的进气孔(1.9)构成气体分布器。
说明书
超重力强化电Fenton法处理废水的传质过程的装置
技术领域
本实用新型属于水处理的技术领域，具体涉及一种超重力强化电Fenton法处理废水的传质过程的装置。
背景技术
电Fenton法的研究始于20世纪80年代。到目前为止，国内外众多学者采用电Fenton法处理各种废水,并取得了一定的效果。电Fenton法是借助外加电流的作用产生Fe2+ 和H2O2，由此作为Fenton 试剂的持续来源，发生一系列化学反应，使废水中的有害杂质得以转化而被去除。其中H2O2在Fe2+的催化作用下会生成氧化能力很强的羟基自由基·OH，其氧化电位高达2.80V。·OH还具有很高的电负性和亲电性，其电子亲和能力达569.3KJ，具有很强的加成反应特性，因此降解废水中有机物的能力很强，特别适用于生物或一般化学氧化难以奏效的废水的处理。电Fenton法可藉电解方法现场同时生成Fe2+与H2O2，不用外加化学试剂，且Fe2+可循环再生利用，可谓高效、廉价的废水处理技术，近年来广泛应用于处理废水过程的研究。
随着人们对电Fenton法处理废水的深入研究发现，阴极和阳极上分别发生析氢和析氧反应，生成的H2和O2会以气泡的形式附着于电极表面造成电极有效面积减小，阻碍了O2在阴极还原成H2O2。O2在废水中传质受阻，这致使阴极表面生成H2O2的还原反应速度迟缓;而且废水中Fe2+和H2O2传输过程中易产生浓差极化，这致使离子间传质受阻，Fenton反应速度迟缓，副反应增加，从而使处理效率降低、能耗增加。目前，许多研究者都致力于研制对O2生成H2O2过程具有高催化活性、大O2接触面积的阴极材料，而对废水中O2、Fe2+和H2O2以及参与反应的离子之间的传质过程的强化的研究却很少。因此研制强化电Fenton法处理废水传质过程的工艺及其装置是推动电Fenton法处理废水深入发展的关键技术之一。
发明内容
本实用新型为了解决传统电Fenton法处理废水时传质受限的难题，提供了一种超重力强化电Fenton法处理废水的传质过程的装置。
本实用新型采用如下的技术方案实现：
超重力强化电Fenton法处理废水的传质过程的装置，包括内附绝缘层的不锈钢外壳，外壳内置若干圆筒阴极及阴极连接盘和若干波纹圆筒阳极及阳极连接盘，波纹圆筒阳极和圆筒阴极同心交替排列，各圆筒阴极底端连接于阴极连接盘，各波纹圆筒阳极顶端连接于阳极连接盘，各圆筒阴极的自由端与阳极连接盘之间以及各波纹圆筒阳极的自由端与阴极连接盘之间均留有距离，波纹圆筒阳极及阳极连接盘相对外壳静止，阴极连接盘中心连接可高速旋转的转轴，阴极连接盘上布有进气孔，阴极连接盘底部设置气体流通室，气体流通室与穿过外壳设置的气体进口管连接，外壳顶部设置有气体出口管，阳极连接盘的中心开孔连接穿过外壳设置的废水进口管，废水进口管与废水储槽相连，外壳底部设置有废水出口管。
所述的波纹圆筒阳极的波纹弯曲角度为90°，为保证废水在波纹圆筒电极上的湍动状态，每150mm高的圆筒电极上设置波纹个数5～10个，波纹峰高10mm～15mm。
所述的圆筒阴极和波纹圆筒阳极高度相等，各圆筒阴极距离阳极连接盘的距离与各波纹圆筒阳极距离阴极连接盘的距离相等，其距离为圆筒高度的1/10～1/4，各波纹圆筒阳极与阳极连接盘之间以及各圆筒阴极与阴极连接盘之间均为可自由拆卸式连接。
所述的波纹圆筒阳极材料选取可溶出Fe2+的材料，为铁或不锈钢材料，圆筒阴极材料采用石墨、不锈钢材料或不锈钢上覆盖活性碳纤维材料。
所述的进气孔在阴极连接盘上呈辐射状、均匀分布，开孔率0.01%～0.03%，进气孔在阴极连接盘上位于所连接的各个圆筒阴极和各个波纹圆筒阳极之间形成的各个环隙当中，并且靠近各个圆筒阴极的内外周边分布，阴极连接盘及其上布置的进气孔构成气体分布器。
所述的同心交替排列的阳极连接盘上所连接的同心圆筒波纹阳极和阴极连接盘上所连接的同心圆筒阴极的个数，根据废水停留时间和流量大小来确定，反应装置的尺寸也由此可确定。各波纹圆筒阳极与阳极连接盘之间以及各圆筒阴极与阴极连接盘之间均可自由拆卸式连接，可根据处理要求更换所需材料的电极。
超重力强化电Fenton法处理废水的传质过程的工艺，基于上述的超重力强化电Fenton法处理废水的传质过程的装置完成，利用旋转的阴极连接盘及圆筒阴极和静止的阳极连接盘及波纹圆筒阳极，以及通入的氧气组成超重力电Fenton反应体系;反应步骤如下：
废水中加入酸性溶液调节pH值在2.5～3.5范围内，通过调节转速500r/min~1000r/min营造超重力环境，每立方米废水中去除每千克的COD需通入0.05m3～0.1m3的氧气，氧气由气体流通室经进气孔分布后进入超重力电Fenton法处理废水传质过程的装置中，在超重力作用下，废水由装置中心沿径向通过超重力电Fenton反应体系进而得以降解;处理后的废水由装置的外壳收集后，从废水出口管流出，或循环处理，或进入下一步处理，或排放;废水处理完毕后，装置中产生的气体由气相出口管排出。
本实用新型所述的波纹圆筒阳极和圆筒阴极同心交替排列，依靠与转轴连接的阴极连接盘及同心圆筒阴极旋转形成超重力场，构成超重力电Fenton反应装置，以此强化废水反应的传质过程，消除浓差极化，提高电流效率和处理效率。
本实用新型采用超重力技术强化电Fenton法处理废水的传质过程。可溶性阳极氧化产生Fe2+，见式(1)。通入的氧气在阴极上被还原成H2O2，见式(4)。阳极产生的Fe2+与阴极产生的H2O2在一定pH值条件下发生Fenton反应生成·OH和Fe3+，见式(7)。其中生成的·OH 将废水中的有机物降解，见式(8);式(7)中的Fe2+可通过Fe3+在阴极还原再生，见式(5)，也可与H2O2反应生成，见式(9)和式(10)，这样Fe2+可持续产生。式(1)中的O2可以通过通入氧气提供, 也可通过H2O在阳极氧化产生，见式(2)，这样H2O2可在阴极持续产生，见式(4)，保证了Fenton 反应持续发生，·OH的持续生成，见式(7)。式(8)中的·OH可由式(7)产生，也可由式(3)H2O在阳极氧化产生。由阳极溶解出的活性Fe2+和生成的Fe3+可部分水解成对有机物有强络合吸附作用的Fe(OH)2、Fe(OH)3及nFe(OH)2·mFe(OH)3(n，m=1，2…)，分别见式(11)、(12)、(13)，其具有混凝和絮凝作用，可有效去除废水中的悬浮物与胶体杂质。同时阴极和阳极上分别发生析氢和析氧反应，分别见式(6)和(2)。在超重力作用下，阳极生成的O2会快速脱离阳极表面，而在阴极还原成H2O2，变不利为有利;阴极产生的H2不会附着于阴极表面而造成阴极有效电极面积减小，而是会快速逸出并吸附废水中的微粒杂质，而后成为较易去除的浮渣得以去除。
涉及到的化学反应如下：
阳极：Fe-2e→Fe2+ (1)
2H2O-4e→O2+4H+ (酸性介质) (2)
2H2O-2e→2·OH+2H+ (酸性介质) (3)
阴极：O2+2e+2H+→H2O2 (4)
Fe3++e→Fe2+ (5)
2H2O+2e→2OH-+H2 (酸性介质) (6)
Fenton反应：H2O2+Fe2+→Fe3++OH-+·OH (7)
有机物降解：·OH+有机物→CO2+H2O+小分子有机物 (8)
溶液中：Fe3++H2O2→Fe2++HO2·+H+ (9)
Fe3++HO2·→Fe2++O2+H+ (10)
Fe2++2OH-→Fe(OH)2 (11)
Fe3++3OH-→Fe(OH)3 (12)
nFe(OH)2+mFe(OH)3→nFe(OH)2·mFe(OH)3(n，m=1，2…) (13)
超重力电Fenton法处理废水的工艺：调节废水pH值，通过调节转速营造超重力环境，在超重力场中，废水由装置中心沿径向通过多级电Fenton反应装置。氧气由气体流通室经进气孔分布后进入超重力电Fenton反应装置中。装置中发生上述的化学反应(1)-(13)使废水中的有机物得以降解。处理后的废水由装置的外壳收集后，从废水出口管流出，或循环处理，或进入下一步处理，或排放。过程中产生的气体由气体出口管排出。
本实用新型相对现有技术具有如下有益效果：
1、本实用新型中使用的各个阳极是波纹圆筒式。波纹圆筒式的电极形状相比现有的圆筒电极而言，首先，等高度装置内可安置的电极面积增大，电极面积利用率大，适合消耗阳极材料的、需安置大面积阳极材料的牺牲阳极电Fenton反应过程;其次废水流经波纹圆筒阳极时的湍动程度增大，可对涉及到的反应的传质过程起到强化作用;再者，废水流经波纹圆筒阳极时流经的路程增长，在装置内停留时间延长，可提高废水的处理效率。本实用新型中通入的氧气需在阴极还原成H2O2，因此各个阴极形状是常规的圆筒形状，以减少氧气在电极表面的传质阻力。目前在电Fenton法处理废水的研究中还未有此结构的电极使用。
2、本实用新型中使用的各个波纹圆筒阳极和常规圆筒阴极同心、交替排列，这样的电极结构使得电极正反两面均可参与反应，电极面积利用率大，并且构成多级反应装置。同时废水也呈上下交替流动，对电极表面可起到冲刷作用，可防止电极界面的浓差极化。
3、本实用新型中使用的波纹圆筒阳极材料为铁或不锈钢材料，以满足电Fenton法靠可溶性阳极电极反应溶解Fe2+的要求，而现有的超重力多级同心圆筒式电解反应选取析氧电位较高的电极(如钛电极，钛基涂层电极)做阳极，以防止电解法反应过程中阳极上的析氧竞争反应。处理方法不同，电极材料选用也不同。现有的工艺依靠的是电解技术，主要是靠阳极氧化有机物，但阳极易发生析氧竞争反应，析出的氧气会以气泡的形式附着于阳极表面从而降低阳极活性，影响电解效率，所以为了防止阳极上的气泡附着，阳极连接盘中心连接高速旋转的转轴以带动阳极旋转比较合适。而本实用新型的工艺涉及到电Fenton反应过程，阴极上的O2还原成H2O2的反应是决定反应速度以及能否维持反应持续进行的关键，为了防止阴极界面层溶液的浓差极化，阴极连接中心连接高速旋转的转轴以带动阴极旋转比较合适。这样依靠电极结构和电极运动营造超重力环境的研究还未见在电Fenton反应过程中使用。
4、本实用新型的超重力电Fenton反应装置增设了通入气体的相关设置，如气体进口管、气体流通室、进气孔及其与阴极连接盘形成的气体分布器。此结构可使装置不仅适用于电解反应，而且适用于电Fenton反应，扩大了装置的应用范围。其中所发明的进气孔在阴极连接盘上呈辐射状、均匀分布。为保证进气量和阴极连接盘的机械强度，开孔率控制在0.01%～0.03%。进气孔在阴极连接盘上位于所连接的各个圆筒阳极和各个圆筒阴极之间形成的各个环隙当中，并且靠近各个圆筒阴极的周边分布。阴极连接盘及其上布置的进气孔构成气体分布器，氧气不经气体分布器而直接通入时，气体大都会沿轴向运动，径向的气体分布会不均匀，甚至会径向分布短路，而通入的氧气经各个同心分布环中的进气孔分布后会保证径向气相分布的均匀，尤其是在超重力场中当受到离心力的作用时，径向分布会更趋于均匀化，这样会最大程度的保证通入的氧气在各个圆筒阴极上发生还原反应生产H2O2，提高氧气的利用率和H2O2的生产率，从而提高处理效率，同时气体经各个分布环的进气孔喷入时会加强废水的湍流强度，强化反应的传质过程，避免浓差极化，本实用新型在设计气体分布器时，有效利用了电极连接盘，将气体分布器与电极连接盘合二为一，结构简单、制作成本低、可使反应效果增强，生产效率提高。
5、本实用新型中装置外壳的材料为不锈钢，外壳内附绝缘层，而现有常用的是有机玻璃外壳。本实用新型的超重力电Fenton法处理难降解废水的工艺需向装置中通入气体，这样首先有机玻璃外壳的密封性不如不锈钢，会发生漏气现象;再者当设备中通入的气体达到一定气量时，有机玻璃外壳易涨裂，而不锈钢外壳则可避免此问题。使用内附绝缘层的不锈钢外壳以保证使用安全。
6、本实用新型静止的同心波纹圆筒阳极及阳极连接盘、旋转的同心圆筒阴极及阴极连接盘，以及通入的氧气组成超重力电Fenton反应体系。依靠超重力场中产生的强大剪切力使电Fenton反应过程中产生的气体的线速度得到提高来加快气泡的脱离，维持电极有效活化面积，提高电极表面的传质速率。同时超重力技术的微观混合性能使得阳极溶解的Fe2+和阴极产生的H2O2在废水传输过程中的浓差极化消除，也使二者之间以及废水中其它离子之间的传质过程得以强化。利用该工艺可使废水的处理效率提高。利用该装置，可使传统的电Fenton反应装置的传质受限的问题能得到很好的解决。目前还未有该结构的装置和该技术的工艺在废水处理中的应用。
7、超重力电Fenton法处理废水过程，相比常重力条件下电Fenton法处理废水过程，在转速500r/min~1000r/min时，槽电压可降低2%~14%，处理时间可缩短9%~21%，污染物去除率可提高3%-12%。
综上所述，超重力电Fenton法处理废水的工艺及装置中电极面积利用率、氧气利用率、以及H2O2的生产率均提高，不仅可解决传统牺牲阳极电Fenton技术应用过程中传质受限的难题，从而提高了处理效率，而且反应装置中持液量小、负荷低，设备小，能耗低，适合连续运行、规模处理，具有广阔的应用前景。
