申请日2007.04.24
公开(公告)日2008.04.30
IPC分类号C02F1/461; C02F101/30
摘要
本实用新型涉及一种处理废水有机物的电化学装置，属于电化学技术领域。一种处理废水有机物的电化学装置，包括由直流电源供电的电解槽、污水入口、污水出口，其中，所述的电解槽为二个或二个以上电解槽单元构成，电解槽单元的空间排布方式为由下而上垂直迭放且相互连通，其电极由下而上呈正负交替迭加排布;所述的污水入口与最底层的电解槽底部连通，污水出口与设在最上层的电解槽单元的顶部连通，污水自底部最底层电解槽单元的正电极流经各电解槽单元后从污水出口排出，水流方向垂直于电极。提高了有机物的处理效率，降低了能耗和处理成本。此外，本装置结构简单，组装、维护和使用均十分方便。
権利要求書
1.一种处理废水有机物的电化学装置，包括由直流电源供电的电解 槽、污水入口、污水出口，其特征是：
所述的电解槽为二个或二个以上电解槽单元构成，电解槽单元的空间 排布方式为由下而上垂直迭放且相互连通，其电极由下而上呈正负交 替迭加排布;
所述的污水入口与最底层的电解槽底部连通，污水出口与设在最上层 的电解槽单元的顶部连通，污水自底部最底层电解槽单元的正电极流 经各电解槽单元后从污水出口排出，水流方向垂直于电极。
2.根据权利要求1所述的处理废水有机物的电化学装置，其特征是： 所述的电解槽单元由壳体、正极性三维电极、负极性三维电极和一个 防止短路的多孔绝缘网或板组成，正极性三维电极位于负极性三维电 极的下方，隔板置于两电极之中。
3.根据权利要求1或2所述的处理废水有机物的电化学装置，其特 征是：所述的各电解槽单元分别与独立的直流电源的输出端口连接。
4.根据权利要求1或2所述的处理废水有机物的电化学装置，其特 征是：相邻的电解槽单元之间通过垫圈、紧固件密封连接。
5.根据权利要求1或2所述的处理废水有机物的电化学装置，其特 征是：在近污水入口设置一输氧口。
6.根据权利要求2所述的处理废水有机物的电化学装置，其特征是： 外壳截面呈圆柱形或方形。
7.根据权利要求2所述的处理废水有机物的电化学装置，其特征是： 所述的电解槽单元之正极性三维电极由主电极和粒子材料组成，主电 极是微多孔的钛板，表面涂复了InO2-Ta2O5/SnO2(Sb)-PbO2的复合 金属氧化物，粒子材料是粒状的硅胶或r-Al2O3、硅酸铝，表面承载 了MnO2-SnO2(Sb)/PbO2催化剂。
8.根据权利要求2所述的处理废水有机物的电化学装置，其特征是： 所述的电解槽单元之负极性三维电极由主电极和粒子材料组成，主电 极是表面镀Pb的铜网，粒状材料为经表面防水活化处理的炭粒。
说明书
一种处理废水有机物的电化学装置
技术领域
本实用新型涉及一种处理废水有机物的电化学装置，属于电化学 技术领域。
背景技术
随着工业的迅速发展，污水排放量日益增加。我国的年污水排放 量已突破400亿吨，排放的污水大部分都是有机物含量很高的工业有 机废水，污水中的有机物或则毒性很大，很难被微生物降解，或则十 分稳定，很难被一般的化学方法破坏，采用吸附或膜过滤的方法则易 造成有机物的二次污染。因此研究处理污水中有机物的新技术乃是当 今水处理领域的一大课题，也是环境保护的当务之急。
大量的研究表明：电化学技术可以将毒性大和分子结构稳定的有 机分子转化为可生物降解的物质，甚至被彻底氧化为CO2和H2O等简 单的无机分子。但是，采用传统平板二维电极的电化学技术，很难满 足实际水处理要求，因其存在面体比小、单位槽体处理量小、电流效 率低，尤其是电导率低时，需要投入大量电解质，使处理成本提高等 缺陷。
为克服二维电极的缺陷，一种被称为三维电极，又称粒子群电极 的新型电化学技术已被提出，并引起了广大科技人员的极大兴趣。这 是一种由粒状材料与平面电极接触构成的新型电极。无论是面体比， 还是反应物质的传质效果和时空产率均比二维电极显著提高。但是， 目前三维电极的水处理装置仍存在对污水中有机物的转化速度不够 快的问题，有待于进一步改善，使其有更好的实用价值。
另外，在通常的装置中，两个三维电极垂直平行排布，水流方向 与电极平行，影响有机分子在电极表面的整体碰撞反应的几率，而且 正极析出的副产物(O2)大多释放于大气中，被负极当作合成H2O2 的反应物利用只是少部分，所以负极表面发生的主要反应是H+的电 化学还原(析H2)，影响了能量的有效利用率。
发明内容
本实用新型的目的在于：提供一种处理废水有机物的电化学装 置。需要解决的技术问题是：如何提高污水中有机物在电极反应装置 中的氧化降解速度。
本实用新型技术问题通过下述技术方案解决：一种处理废水有机 物的电化学装置，包括由直流电源供电的电解槽、污水入口、污水出 口，其中：
所述的电解槽为二个或二个以上电解槽单元构成，电解槽单元的 空间排布方式为由下而上垂直迭放且相互连通，其电极由下而上呈正 负交替迭加排布;
所述的污水入口与最底层的电解槽底部连通，污水出口与设在最 上层的电解槽单元的顶部连通，污水自底部最底层电解槽单元的正电 极流经各电解槽单元后从污水出口排出，水流方向垂直于电极。其工 作原理是：污水由下而上通过装置中的各个电解槽单元进行处理，水 流方向与电极相垂直，污水首先接触的是正电极。
在上述方案基础上，所述的电解槽单元由壳体、正极性三维电极、 负极性三维电极和一个防止短路的多孔绝缘网或板组成，正极性三维 电极位于负极性三维电极的下方，隔板置于两电极之中。
在上述方案基础上，所述的各电解槽单元分别与独立的直流电源 的输出端口连接。
相邻的电解槽单元之间通过垫圈和紧固件密封连接，其中，紧固 件可以是螺钉、螺栓、销钉、铆钉等。
在近污水入口设置一输氧口，促进污水在电解槽内氧化还原反 应。
所述电解槽单元的外壳截面呈圆柱形或方形等。
本实用新型中构成三维电极的正极性和负极性的材料各不相同， 正极性三维电极的主电极为多孔钛板，粒状材料为硅酸铝小珠;在其 表面修饰析氧过电位高的过渡金属氧化物;负极性三维电极的主电极 为镀Pb的钢网，粒状材料为经表面防水活化处理的炭粒。
其中，正极性三维电极的主电极是微多孔的钛板，表面镀复了 InO2-Ta2O5/SnO2(Sb)-PbO2的复合金属氧化物，粒子材料是粒状的 硅胶或r-Al2O3、硅酸铝，表面担载了MnO2-SnO2(Sb)/PbO2催化 剂。
负极性三维电极的主电极是表面镀Pb的钢网，粒状材料为经表 面防水活化处理的炭粒，如：采用石墨粉、活性炭和少量的PTFE经 混合成型并烧结后制成的小珠。
由于主电极和粒子材料表面修饰的析氧过电位高的过渡金属复 合氧化物(MOX)作为催化剂，不仅有利于污水中的有机物(RH)在 电极表面直接被电化学氧化，而且有利于表面生成·OH自由基，其反 应机理是：
RH→氧化产物+ne ①
MOX+H2O→MOX[·OH]+H++e ②
·OH自由基是一种氧化性极强的物质，其氧化电位2.85V，比臭 氧(2.07V)、H2O2(1.77V)高的多，故能与绝大多数的有机物发生 氧化反应，使有机分子(RH)发生碳链裂变，最终降解为CO2和H2O 等简单的无机分子：
RH+MOX[·OH]→…→MOX+CO2+H2O ③
除此之外，电极表面还发生析氧的副反应：
2H2O→O2↑+4H++4e ④
负极性三维电极是现场电化学合成Fenton试剂(H2O2+Fe2+)的 重要场所。正极析出的副产物氧气和溶液中的Fe3+离子(在污水处理 前加入)，为合成Fenton试剂提供了基本的反应原料。如⑤⑥两式所 示，O2分子和Fe3+离子从三维电极表面获得电子(e)分别被还原为 H2O2和Fe2+。由于炭粒经过了防水活化处理，增加了三相界面，有 利于O2的富集(吸附)和加速的电化学还原生成H2O2。为了增加 H2O2的产量，在本实用新型的底部，近污水入口处设置一氧气入口， 以补充一定量的氧气。
O2+2H2O+2e→2H2O2 ⑤
Fe3++e→Fe2+ ⑥
生成Fe2+离子和H2O2的同时，它们之间迅速发生Feton反应， 生成·OH自由基：
Fe2++H2O2→Fe3++OH-+·OH ⑦
紧接着·OH与有机分子发生氧化降解反应：
RH+·OH→…→CO2+H2O ⑧
本实用新型的优越性在于：其结构与电极材料的设计对于提高能 量利用效率和有机物的氧化降解速度是十分有益的，而且结构简单， 组装、维护和使用也十分方便。
由上述可知，本实用新型对有机物分子的氧化降解作用是两个 正、负极性三维电极的加和。负极性三维电极的贡献在于它能现场合 成Fenton试剂。结构上这种垂直于污水流动方向的三维电极极大的 增加了有效的反应面积和有机分子碰撞电极表面的反应几率及O2的 有效利用。
