一种用于化工废水高效处理的电催化芬顿氧化-电化学氧化耦合工艺及其装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种用于化工废水高效处理的电催化芬顿氧化‑电化学氧化耦合工艺及其装置，属于污水处理领域。它包括电催化芬顿氧化步骤、电化学氧化步骤和pH调节步骤；控制所述电催化芬顿氧化步骤中阴阳极之间的间距，以使阳极产生的氧气在阴极反应生成H

An electrocatalytic Fenton oxidation electrochemical oxidation coupling process and its device for efficient treatment of chemical wastewater

【技术实现步骤摘要】
一种用于化工废水高效处理的电催化芬顿氧化-电化学氧化耦合工艺及其装置
本专利技术属于污水处理
，更具体地说，涉及一种用于化工废水高效处理的电催化芬顿氧化-电化学氧化耦合工艺及其装置。
技术介绍
含氮杂环化合物(NitrogenousHeteraromaticCompounds，NHCs)和含氧杂环化合物(OxygenousHeteraromaticCompounds，OHCs)，均是难降解有毒有害有机物，NHCs和OHCs如环唑类、嘧啶类、吡啶类、呋喃类化合物等，属于典型化学工业合成物，并被广泛应用于医药、化妆品、消毒剂、染料、农药等行业中。生产NHCs和OHCs精细化工产生的废水处理工艺一般采用沉淀、气浮或化学氧化还原等预处理工艺提高废水可生化性，然后再经过一系列生物处理工艺使水质COD、氨氮、总磷等常规指标而排放。生产NHCs和OHCs产生的精细化工废水经过二级生化处理出水(也称“化工尾水”)一般会残留氮杂环类难降解污染物，相关研究发现，江苏某生产农药企业生产戊唑醇、粉唑醇和三环唑废水经过二级生化处理排放的化工尾水中COD浓度为180-250mg/L，但废水毒性依然较高，B/C值为0.028-0.035，其中致毒因子三氮唑、三环唑和丙环唑浓度依然高达10-200mg/L[CQZhong,KJWei,WQHan,etal.ElectrochemicaldegradationoftricyclazoleinaqueoussolutionusingTi/SnO2-Sb/PbO2anode[J].JournalofElectroanalyticalChemistry,2013,705:68～74]，这些杂环化合物排放外环境水体，会长期滞留、显示具有一定的生态风险和生态危害性[WShi,GJHu,SLChen,etal.Occurrenceofestrogenicactivitiesinsecond-gradesurfacewaterandgroundwaterintheYangtzeRiverDelta,China[J].EnvironmentalPollution,2013,181:31～37]，近年来含氮、氧杂环化合物的降解和该类尾水的深度处理引起了研究者的极大关注。目前典型的化工废水物化处理技术有微电解技术和芬顿氧化技术，这些技术在化工废水处理工艺设计中经常被利用到，有较好的处理效果。对微电解技术和芬顿氧化技术耦合利用时，一般把微电解反应装置和芬顿氧化反应装置先后串联，通过这一耦合的处理方式使废水生物毒性降低并且提高废水可生化性，从而满足后续生化处理的处理条件。传统的芬顿法在处理污水时存在的问题主要在于铁泥量产生较大，铁离子流失严重，铁离子利用率低；芬顿氧化工艺所产生的铁泥属于危险固废，危险固废需要进行后续处理且成本较高。电芬顿技术(Electro-Fenton)自20世纪80年代起，由电化学氧化技术(AO、AO-H2O2)发展而来，属于EAOPs与芬顿联合技术，是一种新型、高效、清洁的电化学氧化技术[JingJ,LiuM,ColvinVL,etal.Photocatalyticdegradationofnitrogen-containingorganiccompoundsoverTiO2[J].JournalofMolecularCatalysisA:Chemical,2011,351:17-28]。区别于传统芬顿技术，电芬顿技术的重要反应物H2O2来源于外加曝气在阴极的还原作用，在AO-H2O2基础上，过程中添加芬顿试剂(Fe2+)，从而激活H2O2，发生芬顿反应，产生羟基自由基降解污染物。O2+2e-+2H+→H2O2(1)Fe2++H2O2→Fe3++·OH+OH-(2)在电芬顿氧化反应过程中，西班牙巴塞罗那大学的EnricBrillas课题组研究发现如下反应：[Fe(OH)]2++hv→Fe2++·OH(3)[Fe(OOCR)]2++hv→Fe2++CO2+R·(4)即在电芬顿过程中产生的铁的络合物难降解中间体的降解速度非常缓慢，如铁(III)-羧酸盐络合物[ChengM,ZengG,HuangD,etal.Hydroxylradicalsbasedadvancedoxidationprocesses(AOPs)forremediationofsoilscontaminatedwithorganiccompounds:Areview[J].ChemicalEngineeringJournal,2016,284:582-598]，这严重制约了电芬顿技术的规模化和高效催化。有文献报道利用光电芬顿氧化过程处理微污染废水，电流效率甚至达到了425％以上，这都归功于光协同催化作用带来氧化效率的提高，也是目前电芬顿技术发展的重要方向。典型的UVA-PEF系统中，UVA(λ＝315-400nm)可催化所有铁(III)络合物。但是利用UVA进行该反应时，由于光解的无选择性，造成运行费用高，往往限制了光电芬顿氧化的实际工程化应用。故如何能够尽量减少外部添加，打破芬顿过程中产生的铁(III)-羧酸盐络合物等难降解中间体的降解瓶颈，以及在经济性的前提下，尽可能减少铁泥产生量或循环利用二价铁催化剂成为亟待解决的难题。
技术实现思路
1.要解决的问题针对现有技术的电催化芬顿氧化处理污水时仍需外加曝气或外部添加H2O2的问题，本专利技术提供一种用于化工废水高效处理的电催化芬顿氧化-电化学氧化耦合工艺及其装置，该装置中将电催化芬顿氧化步骤采用窄通道进行，使阳极析氧反应产生的氧气与阴极接触生成H2O2供芬顿反应进行，无须外加曝气或外部添加H2O2即能够满足处理需求；进一步针对电催化芬顿氧化过程中产生的铁的络合物难降解的问题，本专利技术提供了与窄通道的电催化芬顿氧化耦合使用的窄通道电化学氧化步骤，使电催化芬顿氧化过程中产生的铁的络合物在窄通道电化学氧化阶段的阳极破络后直接在阴极还原，保证体系内的亚铁离子浓度，并释放出低分子有机酸和其他易络合的有机物供前端的电催化芬顿氧化步骤继续降解，进一步提高电芬顿氧化去除COD的效率；更进一步针对芬顿氧化后产生的铁离子形成的铁泥不能循环利用的技术问题，通过将pH调节池与电催化芬顿氧化耦合电化学氧化装置串联，使铁泥溶解为铁离子并返回到电化学氧化步骤还原为亚铁离子，实现铁泥近零产生的耦合处理工艺。2.技术方案为了解决上述问题，本专利技术所采用的技术方案如下：一种用于化工废水高效处理的电催化芬顿氧化-电化学氧化耦合工艺，包括电催化芬顿氧化步骤、电化学氧化步骤和pH调节步骤；控制所述电催化芬顿氧化步骤中阴阳极之间的间距，以使阳极产生的氧气在阴极反应生成H2O2。所述电催化芬顿氧化步骤发生的反应包括：铁在阳极失电子生成亚铁离子以及阳极发生析氧反应产生氧气；所述阳极产生的氧气在窄通道中靠近阴极反应生成H2O2；在窄通道条件下阳极产生的亚铁离子和阴极产生的H2O2发生芬顿氧化反应降解有机物；...

【技术保护点】
1.一种用于化工废水高效处理的电催化芬顿氧化-电化学氧化耦合工艺，其特征在于，包括电催化芬顿氧化步骤、电化学氧化步骤和pH调节步骤；控制所述电催化芬顿氧化步骤中阴阳极之间的间距，以使阳极产生的氧气在阴极反应生成H

【技术特征摘要】
1.一种用于化工废水高效处理的电催化芬顿氧化-电化学氧化耦合工艺，其特征在于，包括电催化芬顿氧化步骤、电化学氧化步骤和pH调节步骤；控制所述电催化芬顿氧化步骤中阴阳极之间的间距，以使阳极产生的氧气在阴极反应生成H2O2。


2.根据权利要求1所述的用于化工废水高效处理的电催化芬顿氧化-电化学氧化耦合工艺，其特征在于，所述电催化芬顿氧化步骤中采用阴极和阳极之间间距小于等于5cm的窄通道电催化芬顿氧化步骤；和/或所述电化学氧化步骤中采用阴极和阳极之间间距小于等于5cm的窄通道电化学氧化步骤。


3.根据权利要求1所述的用于化工废水高效处理的电催化芬顿氧化-电化学氧化耦合工艺，其特征在于，所述电催化芬顿氧化步骤中阳极产生的氧气在阴极反应生成H2O2质量浓度在100-5000mg/L。


4.根据权利要求2所述的用于化工废水高效处理的电催化芬顿氧化-电化学氧化耦合工艺，其特征在于，所述电催化芬顿氧化步骤的电极为平板或管式；
所述电催化芬顿氧化步骤中阳极和阴极材料分别为：
阳极：利用铁粉压制、焙烧成型成为复合微孔铁电极；
阴极：改性后碳材料或不锈钢电极；
和/或所述电化学氧化步骤的电极为管式，阳极和阴极材料分别为：
阳极：析氧电位大于1.5V的电极；
阴极：不锈钢或钛基体或改性后碳材料。


5.根据权利要求2所述的用于化工废水高效处理的电催化芬顿氧化-电化学氧化耦合工艺，其特征在于，所述电催化芬顿氧化步骤中调节电流密度和阴阳极间距，实时监测H2O2的浓度，使ΔCOD与H2O2的质量浓度比为1:...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩卫清，崔韬，魏卡佳，李维，王连军，刘晓东，孙秀云，李健生，沈锦优，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32