公布日：2023.09.01
申请日：2023.06.19
分类号：C02F1/461(2023.01)I;C02F1/72(2023.01)I;C02F101/30(2006.01)N
摘要
本发明提供一种三维电化学反应器及其处理有机废水的方法。该三维电化学反应器，包括网状阴极、网状阳极和粒子电极粉末；粒子电极粉末的制备原料包括：钒钛磁铁冶炼渣和咖啡渣。本发明通过利用钒钛磁铁冶炼渣和咖啡渣作为制备粒子电极粉末的原料，在实现了固体废物资源化的同时，还达到以废治废的良好循环。且本发明将三维电化学技术与基于过氧化氢和过硫酸盐高级氧化技术结合，一方面，粒子电极可在电流作用下极化为若干个微电场，缩短了体系传质距离，提供更多的反应面积；另一方面，可促使过氧化氢和过硫酸盐等氧化剂的高效活化，增加体系中的活性氧化物种的种类和含量。与现有技术相比，本发明通过利用过有效协同电化学氧化和催化氧化，大大提高了废水中难降解有机物的降解效果。
权利要求书
1.一种三维电化学反应器，包括网状阴极、网状阳极和粒子电极粉末；其特征在于，所述粒子电极粉末的制备原料包括：钒钛磁铁冶炼渣和咖啡渣。
2.根据权利要求1所述的三维电化学反应器，其特征在于，所述粒子电极粉末的制备包括以下步骤：将烘干的钒钛磁铁冶炼渣和烘干的咖啡渣，按质量比为3：1混合，将两者的混合物渣在管式炉中进行煅烧，将煅烧后的混合物研磨为粉末状，使用100目不锈钢筛进行筛分，留存筛下物质，即得到所述粒子电极粉末。
3.根据权利要求2所述的三维电化学反应器，其特征在于，所述烘干的钒钛磁铁冶炼渣的制备包括：将钒钛磁铁冶炼渣破碎，使用50目的不锈钢筛进行筛分；将筛下物质用去离子水淋洗、并在烘箱中以30℃烘干；将烘干后的筛下物质浸入含过渡金属离子的溶液中，在500～800转/分的转速下搅拌，同时实施超声浸渍，一定时间后，取出筛下物质并过滤，并在烘箱中以35℃烘干。
4.根据权利要求2所述的三维电化学反应器，其特征在于，所述烘干的咖啡渣的制备包括：将咖啡渣和质量百分比浓度为75％的乙醇，按质量比1：5混合，并将混合物置于玻璃器皿中，使用超声振荡清洗一定时间后过滤；将过滤后的咖啡渣用去离子水淋洗、并在烘箱中以35℃烘干。
5.根据权利要求3所述的三维电化学反应器，其特征在于，所述含过渡金属离子的溶液，过渡金属离子的浓度为0.5-1.0mol/L。
6.根据权利要求2所述的三维电化学反应器，其特征在于煅烧温度为500-700℃，煅烧时间为1-3h。
7.根据权利要求1所述的三维电化学反应器，其特征在于，所述阴极网环、阳极网环之间的间距为1.5～2.5cm。
8.根据权利要求1所述的三维电化学反应器，其特征在于，所述三维电化学反应器的内部设置有曝气和搅拌装置；所述粒子电极粉末的投加量为1-3g/L。
9.一种利用权利要求1-8任一所述的三维电化学反应器处理有机废水的方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：检测待处理有机废水pH值，使其pH值在3.5至9.5之间；S2：将调整好pH的待处理有机废水注入三维电化学反应器中，将阴极网环、阳极网环插入所述三维电化学反应器中，同时开启搅拌装置使反应器内的有机废水达到紊流状态；S3：在阴极网环、阳极网环中填充粒子电极，使粒子电极伴随水利搅拌呈流化状态；S4：连接阴阳网环与直流电源，使电源正极与所述阳极网环相连，电源负极与阴极网环相连，开启所述直流电源的同时加入过氧化氢或过硫酸盐溶液，对废水进行催化降解。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述过氧化氢或过硫酸盐溶液在难降解有机废水中的浓度为5-20mmol/L。
发明内容
本发明的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供一种三维电化学反应器及其处理难降解有机废水的方法。
一种三维电化学反应器，包括网状阴极、网状阳极和粒子电极粉末；所述粒子电极粉末的制备原料包括：钒钛磁铁冶炼渣和咖啡渣。
进一步地，如上所述的三维电化学反应器，所述粒子电极粉末的制备包括以下步骤：
将烘干的钒钛磁铁冶炼渣和烘干的咖啡渣，按质量比为3：1混合，将两者的混合物渣在管式炉中进行煅烧，将煅烧后的混合物研磨为粉末状，使用100目不锈钢筛进行筛分，留存筛下物质，即得到所述粒子电极粉末。
进一步地，如上所述的三维电化学反应器，所述烘干的钒钛磁铁冶炼渣的制备包括：
将钒钛磁铁冶炼渣破碎，使用50目的不锈钢筛进行筛分；将筛下物质用去离子水淋洗、并在烘箱中以30℃烘干；
将烘干后的筛下物质浸入含过渡金属离子的溶液中，在500～800转/分的转速下搅拌，同时实施超声浸渍，一定时间后，取出筛下物质并过滤，并在烘箱中以35℃烘干。
进一步地，如上所述的三维电化学反应器，所述烘干的咖啡渣的制备包括：
将咖啡渣和质量百分比浓度为75％的乙醇，按质量比1：5混合，并将混合物置于玻璃器皿中，使用超声振荡清洗一定时间后过滤；
将过滤后的咖啡渣用去离子水淋洗、并在烘箱中以35℃烘干。
进一步地，如上所述的三维电化学反应器，所述含过渡金属离子的溶液，过渡金属离子的浓度为0.5-1.0mol/L。
进一步地，如上所述的三维电化学反应器，其特征在于煅烧温度为500-700℃，煅烧时间为1-3h。
进一步地，如上所述的三维电化学反应器，所述阴极网环、阳极网环之间的间距为1.5～2.5cm。
进一步地，如上所述的三维电化学反应器，所述三维电化学反应器的内部设置有曝气和搅拌装置；所述粒子电极粉末的投加量为1-3g/L。
一种利用三维电化学反应器处理有机废水的方法，包括以下步骤：
S1：检测待处理有机废水pH值，使其pH值在3.5至9.5之间；
S2：将调整好pH的待处理有机废水注入三维电化学反应器中，将阴极网环、阳极网环插入所述三维电化学反应器中，同时开启搅拌装置使反应器内的有机废水达到紊流状态；
S3：在阴极网环、阳极网环中填充粒子电极，使粒子电极伴随水利搅拌呈流化状态；
S4：连接阴阳网环与直流电源，使电源正极与所述阳极网环相连，电源负极与阴极网环相连，开启所述直流电源的同时加入过氧化氢或过硫酸盐溶液，对废水进行催化降解。
如上所述的方法，所述过氧化氢或过硫酸盐溶液在难降解有机废水中的浓度为5-20mmol/L。
本发明提供的三维电化学反应器，粒子电极采用钒钛磁铁冶炼渣和咖啡渣制备得到，实现了固体废物资源化的同时，还达到以废治废的良好循环。而且本发明将三维电化学技术与基于过氧化氢、过硫酸盐的高级氧化技术结合，一方面，粒子电极可在电流作用下极化为若干个微电场，缩短了体系传质距离，提供更多的反应面积；另一方面，可促使过氧化氢或过硫酸盐等氧化剂的高效活化，增加体系中的活性氧化物种的种类和含量，从而大大提高了废水中难降解有机物的降解效果。
此外，本发明利用三维电化学反应活化过氧化氢或过硫酸盐等氧化剂，克服了传统铁基催化剂活化过氧化氢反应所需低pH范围的缺陷，使系统在酸性到弱碱性的广pH范围(约小于等于9.5)内均具有良好降解效果，大大降低pH调解药剂成本。
本发明在三维电化学反应器底部设置搅拌器，一方面能够使废水保持紊流状态，防止废水中悬浮物质的沉积堆叠，另一方面也使粒子电极呈现流化状态，从而增加了传质效率且不易短路、板结，提高了三维电化学反应器的寿命。
本发明将固废资源化利用、三维电化学技术、过氧化氢高级氧化技术协同，结构简单、工艺集成、利于自动化，可经济、高效地实现难降解有机废水的深度处理。
本发明通过将筛下物质浸入含过渡金属离子的溶液中，使得将相应金属能够负载到钢渣上，从而使粒子电极有更好的导电和催化性能。
（发明人：任旭;宋凯;汤培新;彭鑫;潘志成;曾丽）
