申请日2004.09.29
公开(公告)日2005.03.30
IPC分类号C02F1/46; C02F1/72
摘要
本发明公开了一种阴阳两极协同电催化处理有机废水的装置及方法，在反应壳体的中心设置阳极，环绕反应壳体的内壁安装阴极，在反应壳体底部阴极的附近安装一环状微孔曝气装置，反应壳体的底部设与废水储槽相连通的废水进水管，上部设排水管。处理废水时，在废水中加入0.1～5mM硫酸亚铁和1～10g/l的硫酸钠电解质，并调节废水pH 2.0～5.0，将废水从储槽中泵入电化学反应器，同时接通电化学直流电源和通入气体，控制废水流量为10～50 ml/s，电流0.1～2A，曝气速率为1～30mls-1。本发明装置结构简单，采用阳极的电催化氧化和阴极的电化学还原协同处理有机废水，效率高，效果好。
权利要求书
1.一种阴阳两极协同电催化处理有机废水的装置，包括反应壳体(2)、阴极 (3)、阳极(5)，其特征是阳极(5)为经氟树脂改性的β-PbO2的空心柱状陶瓷， 置于反应壳体(2)的中心，阴极环绕安装在反应壳体(2)的内壁，在反应壳体(2) 底部阴极的附近安装一环状微孔曝气装置(4)，曝气装置(4)与进气管(7)相连， 反应壳体(2)的底部设有废水进水管(6)，反应壳体(2)的上部设有排水管(1)。
2.根据权利要求1所述的阴阳两极协同电催化处理有机废水的装置，其特 征是所说的阴极(3)为不锈钢网或活性炭纤维。
3.一种阴阳两极协同电催化处理有机废水的方法，其特征是以经氟树脂改 性的β-PbO2的空心柱状陶瓷为阳极，置于反应壳体的中心，环绕反应壳体的内 壁安装阴极，在反应壳体底部阴极的附近安装一环状微孔曝气装置，反应壳体 的底部设与废水储槽相连通的废水进水管，反应壳体的上部设排水管，在废水 中加入0.1～5mM硫酸亚铁和1～10g/L的硫酸钠电解质，并调节废水pH2.0～ 5.0，将废水从储槽中泵入电化学反应器，同时接通电化学直流电源和通入气体， 控制废水流量为10～50mL/s，电流0.1～2A，曝气速率为1～30mLs-1。
4.根据权利要求1所述的阴阳两极协同电催化处理有机废水的方法，其特 征是气体为空气或氧气。
说明书
一种阴阳两极协同电催化处理有机废水的装置及方法
技术领域
本发明涉及有机废水电催化处理的装置及方法。
背景技术
含有难生化降解污染物的有机废水，由于其可生化性差，常规处理方法难 以致效，给环境带来很大污染，成为环保水处理领域多年关注和要解决的技术 问题。
近年来，电催化技术以其处理效率高、操作简便易实现自动化、环境友好 等优点引起了研究者的广泛注意(Comninellis C.，Nerini A. J.Appl. Electrochem.，1995，25：23)。这一技术的特点是能通过电极催化反应现场产 生极强氧化性的羟基自由基，有效降解难降解有机物，避免了其他高级氧化技 术如臭氧氧化法、Fenton试剂法需投加氧化剂带来运输和存储以及额外设备投 资的问题。目前对有机物的电化学催化降解研究大多侧重于的阳极氧化(Tahar N. B.，Savall A..J.Appl.Electrochem.，1999，29：277;Feng J.，Houk L.L.， Johnson D.C.J.Electrochem.Soc.，1995，142：3627;Polcaro A.M.，Palmas S.Ind.Eng.Chem.Res.，1997，36：1791)，研制出了多种具有较高析氧超 电势和电催化性能的电极。虽然该技术能通过电催化反应现场产生氧化性极强 的羟基自由基，但浓度有限，并且由于降解产生的中间产物常吸附于电极的表 面，阻碍了羟基自由基的产生，导致很难达到有机污染物的彻底矿化。
相比之下，阴极还原的间接降解作用没有引起足够的重视。实际上，在合适 的阴极上能还原氧气产生强氧化剂H2O2，若以Fe2+为催化剂，则形成类似Fenton 试剂(Hsiao Y.L.，Nobe K.J.Appl.Electrochem.，1993，23：943)。因此， 若同时利用阴阳两极的作用，将会大大提高处理效率。申哲民等人的专利(申 请号02136606.3)采用膜气体扩散电极作阴极，注意到了上述问题并开发了一 种双极氧化电化学废水处理方法来提高处理效果，但由于阳极采用形稳阳极， 电催化氧化作用欠强，并且阴极和阳极采用盐桥的方式分隔，因此，结构复杂， 限制了废水处理的实际应用。
发明内容
本发明的目的是开发一种简单实用的阴阳两极协同电催化处理有机废水的 装置及方法。
本发明目的是这样实现的，以改性二氧化铅为阳极，用简单的阴极曝气代替 气体扩散电极，并在废水中投加Fe2+催化剂，进一步转化阴极上还原氧气产生 的H2O2，形成类似Fenton试剂，从而达到同时发挥阴阳两电极电催化降解作用 以提高苯酚的总去除效率。
阴阳两极协同电催化处理有机废水的装置包括反应壳体，在反应壳体的中 心设置经氟树脂改性的β-PbO2的空心柱状陶瓷阳极，环绕反应壳体的内壁安装 阴极，在反应壳体底部阴极的附近安装一环状微孔曝气装置，曝气装置与进气 管相连，反应壳体的底部设有废水进水管，反应壳体的上部设有排水管。
上述的阴极可以是不锈钢网或活性炭纤维。微孔曝气装置的微孔孔径为5～ 20μm。
阴阳两极协同电催化处理有机废水的方法，其过程为：在废水中加入0.1～ 5mM硫酸亚铁和1～10g/L的硫酸钠电解质，并调节废水pH 2.0～5.0，将废水 从储槽中泵入电化学反应器，同时接通电化学直流电源和通入气体，控制废水 流量为10～50mL/s，电流0.1～2A，曝气速率为1～30mL s-1。废水经处理后 从反应壳体上部排出。这里，通入的气体为空气或氧气。
本发明电化学直流电源电流的大小和曝气速率，可根据待处理有机废水的 水质浓度进行调节。
本发明的主要反应原理如下：
1.阳极反应
本发明采用的经改性的二氧化铅高析氧过电势电极在合适的电势条件下产 生氧化性极强的羟基自由基(·OH)，其反应如下，
H2O→・OH+H+ (1)
2.阴极反应
在连续曝氧下，氧气扩散于溶液中成为溶解氧(O2(aq))，吸附在有催化活 性的阴极表面(O2(ads))还原为过氧化氢，反应如下：
O2(g)�O2(aq) (2)
O2(aq)�O2(ads) (3)
O2(ads)+2H++2e-→H2O2 (4)
3.溶液
亚铁离子催化(Fenton反应)
Fe2++H2O2→Fe3++OH-+・OH (5) 污染物(RH)的降解
RH+・OH→R+H2O (6)
R+Fe3+→R++Fe2+ (7)
本发明具有以下的突出特点和有益效果：
(1)反应器简单。阴极曝气采用微孔曝气结构，孔径为5～20μm，产生的微 小气泡能最大限度地被阴极利用，通过电化学还原为过氧化氢。阴极为不锈钢 网或活性炭纤维，而非气体扩散电极，便于工业应用和放大。
(2)处理效率高。进一步通过加入亚铁离子作催化剂，转化过氧化氢为更强 的氧化剂羟基自由基，从而处理效率更高。同时，在合理的电位条件下，能通 过电化学作用实现亚铁离子再生，维持亚铁离子一定浓度，从而不断催化形成 过氧化氢，并产生协同作用。能有效克服了常规Fenton工艺中常因亚铁离子消 耗而使处理效果下降。
