使用电化学电池有效处理废水制造技术

在此披露一种用于电化学处理包含有机和/或无机污染物的废水的有效方法和系统。该系统至少包括第一固体聚合物电解质电解池堆和第二固体聚合物电解质电解池堆，其中每个电池包括在无阴极电解质或其他支持电解质的情况下运行的一种固体聚合物、质子交换膜电解质。该第一堆和该第二堆的构造或运行条件是不同的。所选择的电池堆设计和运行条件提供了显著更大的运行效率。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】使用电化学电池有效处理废水专利
本专利技术涉及用于电化学处理废水的方法和系统。具体地说，本专利技术涉及用于使用固体聚合物膜电解质电化学电池去除有机污染物并且氧化无机化合物的方法和系统。背景对新的废水处理技术的需求大量增加，这是由人口增长和所产生的废水体积增加、更严格的废水质量条例、清洁水成本和水短缺增加、保护清洁水源的意识以及老化废水系统的替换所驱使的。工业尤其受到更严格的排放标准和成本压力迫使，以便在排放之前消除其难降解废水污染物并且采取现场水再使用和再循环系统避免水供应和污水排放成本增加。需要成本有效的、可持续水处理技术，该技术不需要添加化学品并且不会产生二次污染，符合严格的水质量标准，并且具有最小操作和维护要求。工业废水可能包含有机化合物，其中许多是有毒的、持久的且抵抗常规生物和化学废水处理的。处理难降解废水的最好方式是借助可以使污染物矿化并且减小废物的有机负荷和毒性的非化学氧化技术，如电化学氧化。电化学氧化是可持续的、安全的并且具有高处理效率，从而消除各种各样的污染物如持久性有机污染物、二噁英、含氮物质(例如，氨)、药物、病原体、微生物、大部分优先污染物以及杀虫剂。存在电氧化废水中的污染物的两种主要方式。第一种方式是通过间接电解氧化污染物，从而原位生成一种氧化还原试剂作为化学反应物。介体可以是一种金属氧化还原对或化学试剂(例如，氯、臭氧、过氧化物)。这些方法需要添加大量的化学品和/或供应氧气，并且产生二次污染，从而导致用于处置经处理的废水和运行及维护该方法的额外成本。第二种方式是使用直接电化学氧化，其中有机污染物在阳极表面上被氧化。已开发用于直接电化学废水处理的各种各样的电池构型，这些电池构造包括流通型平行板、分隔室、填充床电极、堆叠圆盘、同心圆筒、移动床电极以及压滤器。然而，所有这些电化学电池构型所共有的是较差的运行效率，这导致高能耗。将废水用作电解质，并且在分隔池的情况下用作阳极电解质和阴极电解质。但由于废水的极低离子导电性，需要添加一种支持电解质以提高电池效率并获得合理的电池电压。这通常导致超过许可的污染物排放限度的盐、碱和/或酸浓度，从而增加处置经处理的废水的成本和平衡液体电解质处理的工厂成本的成本。大电极间距和低表面积电极也是效率损失和能耗增加的主要贡献者。在多孔床的多个孔中的缓慢质量输运、具有较差反应动力学的未优化催化材料、高电极过电位、以及具有对于副反应(例如，析氧)的低过电位的催化剂也导致较低性能和效率损失。快速钝化并且增加电池电阻率和不稳定性的电池部件材料的使用导致效率损失。运行条件也导致效率损失。在高的质量和离子传输损失的情况下，在标称运行电流密度下，电压太低，使得发生有机污染物的不完全破坏并且一个有机薄膜阻断催化剂位点，从而降低性能并且需要使用电池反向技术清洁电极表面。例如，公开的PCT申请WO9901382披露了一种用于净化流体的电解池方法和设备。该系统有利地包括用于将一种或多种化学物质(例如，酸、二氧化碳、碱、过氧化氢、或盐)添加到有待处理的流体中的装置。在另一个实例中，安德雷德(Andrade)等人在有害物质期刊(J.Haz.Mats.)153,252-260(2008)中披露了一种分隔电解池处理模拟的苯酚废水的用途。需要一种硫酸支持电解质。为了消除对支持电解质添加的需要，已开发不同方法，这些方法减小了单隔室电化学电池构型中的电极间距。例如，US6328875披露了允许废水穿透阳极流过毛细管电极间间距的一种多孔阳极的用途。然而，当在无支持电解质的情况下运行时能耗仍然很高。与所有单室电化学系统一样，同时产生氢并且废水成分在阴极上被还原，这消耗大量能量。通常因这些反应产物发生阴极积垢，从而降低电池效率并且导致能耗增加。在氧化过程中在单室系统中遇到的另一个问题是产生中间化合物。这些化合物在阴极处被还原并且然后在阳极处被重新氧化，从而降低电池效率并且增加能耗。消除对于添加支持电解质的需要的一种方式是在电解池中使用一种固体聚合物电解质(SPE)。已开发SPE技术用于其他目的，这些目的包括通过水电解产生氢气以及使用聚合物电解质膜燃料电池产生能量。例如，在WO03093535所披露的系统中，在阴极上通过电化学还原进行卤化的有机化合物的脱卤作用和硝酸盐的破坏。在此构型中，通过一个离子交换膜分开阳极和阴极隔室并且使阳极电解质和含卤素的阴极电解质穿过其对应隔室。尽管该系统在没有支持电解质的情况下运行，为了在低电流密度(高电池效率)下运行，在阳极电解质和/或阴极电解质中需要一种支持电解质。墨菲(Murphy)等人在水研究(Wat.Res.)26(4)1992443-451中使用一种SPE电解池以低或可忽略的支持电解质含量处理废水。将废水再循环通过阳极和阴极二者。然而能耗是非常高的并且是归因于低速率的苯酚氧化和副反应，主要是从水中析氧。J.H.格林姆(J.H.Grimm)等人在应用电化学杂志(J.Appl.Elect.)30,293-302(2000)中使用一种SPE电解池处理模拟的含苯酚废水。废水被泵送通过串联的阳极室和阴极室。然而对于苯酚去除能耗也是很高的，这被作者归因于副反应如析氧所致的电流效率损失。另外，A.海尔(A.Heyl)等人在应用电化学杂志(2006)36:1281-1290中研究了在较高温度下使2-氯苯酚模拟的废水脱氯化的一系列SPE电解池构型。在所有情况下，废水经过膜中的穿孔或者通过经处理的膜的辅助电渗透拖曳穿过膜从阴极或阳极被泵送到相反的腔室。发现能耗对于未处理的膜是不切实际地高的，对于化学处理的膜是较低的，并且对于多孔膜是最低的。然而，首先使用阳极氧化然后以较高能耗进行阴极还原获得最好的矿化。再者，在WO2005095282中披露了用于处理低导电性废水而不使用支持电解质的另一种方式。该系统使用夹在置于低导电性废水单室中的阳极与阴极电极之间的一种固体聚合物电解质。由于所需要的高电压，用于此设置的污染物矿化的能耗是高的。本领域中还开发了通过与废水电解处理结合来减小由电解产生氢气的成本的系统。所涉及的电解池可以使用含有有机污染物的阳极电解质。例如，帕克(Park)等人在物理化学杂志C(J.Phys.Chem.C.)112(4)885-889(2008)中使用一种单室电池处理含水污染物并且产生氢气。与所有单室系统一样，需要一种支持电解质。所生成的氢气包含在一种混合产物气体中，该混合产物气体需要进一步处理以回收有用的氢气。T.布特(T.Butt)和H.帕克(H.Park)在WEFTEC2008会议论文集(ConferenceProceedings)并且J.江(J.Jiang)等人在环境科学与技术(Environ.Sc.&Tech.)42(8),3059(2008)中披露了类似的单室构型。例如在WO2009045567中、并且纳瓦罗-索利斯(Navarro-Solis)等人在国际氢能杂志(IJHydrogenEnergy)35(2010)10833-10841中披露了分隔池构型。以上系统全部涉及另外的支持电解质的使用。例如F.卡尔格(F.Kargi)在国际氢能杂志36(2011)3450-3456中还披露了没有支持电解质的系统。在本领域中还已经披露了使用一种基本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于能量有效处理污染废水的方法，该方法包括：至少提供一个第一固体聚合物电解质电解池堆和一个第二固体聚合物电解质电解池堆，该第一堆和该第二堆中的电池各自包括：一个阳极，该阳极包括一个阳极催化剂层并且该阳极催化剂层包含一种阳极催化剂；一个阴极，该阴极包括一个阴极催化剂层并且该阴极催化剂层包含一种阴极催化剂，其中该阴极不含液体电解质；以及将该阳极与该阴极分开的一种固体聚合物膜电解质；以一个流速和流动压向该第一电解池堆和该第二电解池堆中的每一个的阳极供应包含污染物的一个废水流；在该第一电解池堆和该第二电解池堆中的每个电池上提供小于约3伏特的电压，其中该阳极相对于该阴极是正电的；在一个运行温度下和小于约20mA/cm2下的电流密度运行这些电解池堆中的每个电池，从而降解该污染物并且在该阴极生成氢气；以及从该阴极排出所生成的氢气；其中在该第一固体聚合物电解质电解池堆中的堆部件和该第一固体聚合物电解质电解池堆的运行条件中的至少一个是不同于该第二固体聚合物电解质电解池堆的堆部件和该第二固体聚合物电解质电解池堆的运行条件的。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.12.03 US 61/732,9271.一种用于能量有效处理污染废水的方法，该方法包括：至少提供一个第一固体聚合物电解质电解池堆和一个第二固体聚合物电解质电解池堆，该第一堆和该第二堆中的电池各自包括：一个阳极，该阳极包括一个阳极催化剂层并且该阳极催化剂层包含一种阳极催化剂；一个阴极，该阴极包括一个阴极催化剂层并且该阴极催化剂层包含一种阴极催化剂，其中该阴极不含液体电解质；以及将该阳极与该阴极分开的一种固体聚合物膜电解质；以一个流速和流动压向该第一电解池堆和该第二电解池堆中的每一个的阳极供应包含污染物的一个废水流；在该第一电解池堆和该第二电解池堆中的每个电池上提供小于约3伏特的电压，其中该阳极相对于该阴极是正电的；在一个运行温度下和小于约20mA/cm2下的电流密度运行这些电解池堆中的每个电池，从而降解该污染物并且在该阴极生成氢气；以及从该阴极排出所生成的氢气；其中“约”被解释为包括在所提及的值正负10％之内的一个范围的值；以及其中在该第一固体聚合物电解质电解池堆中的堆部件和该第一固体聚合物电解质电解池堆的运行条件中的至少一个是不同于该第二固体聚合物电解质电解池堆的堆部件和该第二固体聚合物电解质电解池堆的运行条件的。2.如权利要求1所述的方法，其中该不同的堆部件是选自下组，该组由以下各项组成：一个阳极流体递送层、该阳极催化剂、该阳极催化剂层、一个阳极流场板、一个阳极过滤层、该固体聚合物电解质膜、以及该堆中的多个电池。3.如权利要求2所述的方法，其中该不同的堆部件是该阳极催化剂层并且该第一固体聚合物电解质电解池堆的该阳极催化剂层中的催化剂负载量和催化剂活性面积中的至少一个与该第二固体聚合物电解质电解池堆的该阳极催化剂层中的催化剂负载量和催化剂活性面积中的至少一个的差异超过约5％。4.如权利要求3所述的方法，其中该第一固体聚合物电解质电解池堆的该阳极催化剂层中的催化剂负载量和催化剂活性面积中的至少一个与该第二固体聚合物电解质电解池堆的该阳极催化剂层中的催化剂负载量和催化剂活性面积中的至少一个的差异超过约10％。5.如权利要求1所述的方法，其中...

【专利技术属性】
技术研发人员：科琳·莱格兹丁斯，
申请(专利权)人：安克信水技术公司，
类型：发明
国别省市：加拿大;CA