[发明专利]一种可减少副反应的废水处理用电催化反应器

说明书

所属技术领域

本发明涉及一种废水处理装置，更具体讲属于电化学废水处理装置。

技术背景

难降解有机废水通常由于具有高色度、高毒性(致畸、致癌、致突变)、高氨氮并难以生化降解等特性而成为废水处理领域的重点和难点。通常处理难降解有机废水的主要方法有焚烧法、超临界水氧化法、湿式空气氧化法、光化学氧化和超声化学氧化等方法，但是都存在处理成本高、设备投资大和处理效率低等缺点。电催化水处理技术通过在电化学过程中能够产生具有强氧化性的羟基自由基(·OH)和其它具有强氧化性的粒子，能够将废水中的有机物分子链断裂、苯环打开、有毒官能团氧化至低毒或无毒的官能团、有机物小分子甚至完全氧化为水和二氧化碳。同时电催化水处理技术由于具有设备占地面积小、处理清洁和彻底、不需添加化学药剂、可自动化控制程度高等优点而日益受到重视。

在没有添加其它氧化剂的情况下，有机污染物的降解主要靠电催化过程中产生的羟基自由基的氧化作用：

酸性条件下：H₂O-e→H⁺+·OH

碱性条件下：OH^--e→·OH

但是在电化学反应中往往会伴随析氧等副反应：

酸性条件下：2H₂O-2e→O₂↑+2H⁺

碱性条件下：2OH^--2e→1/2O₂↑+H₂O

副反应的存在会严重削弱羟基自由基的生成而导致处理效果下降，为了提高羟基自由基的生成率，需要从电极材料选用(阳极采用析氧电位高的电极材料)、电极结构方式、溶液传质效果等方面优化。如果电极结构不合理、溶液与电极相对流动不充分，容易导致极片表面污染，导致副反应增多、电极发热，从而降低电催化处理效率。

最初的电催化反应器按照电解的方式主要由阴阳平板电极和电源构成。国内外这类相关的专利如：“CN 1458075A”、“ZL 200620105379.3”和“USA：5,399,247”。传统的平板二维电极比表面积较小，科学工作者往往把阴阳电极制成网状，但是毕竟比表面积提高有限，因而仍然存在电流效率低的问题，在实际应用中受到很大程度的限制。为了提高电催化效率，专利“ZL200620097876.3”、“CN 1724397”和“DE102007022123(A1)”等在二维电极之间添加了三维电极。三维电极是一种新型的电极，又叫粒子电极或床电极。它是在传统二维电解槽电极之间装填粒状或其他碎屑状工作电极材料并使装填工作电极材料的表面带电，成为新的一极，即第三极。在电场的作用下，粒子电极发生极化，靠近主阳极一端感应成高电势另一端感应成低电势，每一个粒子成为一个微型电解槽，电化学氧化和还原反应可在每一个粒子电极表面同时进行，大大缩短了传质距离，有效利用了电解空间。与二维电极相比，三维电极的比表面积增大，而且因为粒子间距小，导电性好，这些因素使羟基自由基的生成率提高，而使析氢析氧的副反应减少，从而提高了电催化降解有机物的效率；当废水电导率较低时，二维电极处理效果不理想，需要投人大量电解质，加大了处理费用，而三维电极在一定程度上克服了这一缺点。

为了发挥三维粒子的作用，通常有固定床和浮动床两种实现方式。固定床是将粒子电极填充在阴阳电极之间，电催化过程中粒子电极不发生相对运动，由于粒子填充后溶液的空间大为减少，并且电催化过程中产生的絮凝产物也容易堵塞粒子孔道，因此固定床的电催化装置很少见。浮动床是在电催化过程中，粒子电极悬浮在溶液中并处于阴阳电极之间。为了使粒子电极处于悬浮状态，专利“ZL 200620097876.3”、“CN 1654340A”等通过曝气来实现，但曝气往往会削弱电催化的催化效率，其原因是：(1)曝气会使大量气泡迁移至电极表面，导致电极与废水接触的有效面积减少；(2)电极有效面积减少使电极局部电流过大，导致析氧副反应增加；(3)曝气有可能引起电极的空泡腐蚀。另外也可以采用溶液循环或溶液流动来推动粒子悬浮的方法，但往往存在死角，造成粒子堆积或不利于粒子循环利用。为了克服现有技术的不足，减少电催化副反应的发生、提高降解效率，本发明采用可控搅拌的方法实现三维粒子的悬浮，既可解决上述问题，又可通过调速实现对电极表面的清洗，使电极保持洁净状态，从而使电极能够长期保持良好的催化降解效果。

发明内容