一种双极性电极产生羟基自由基的反应器及其应用制造技术

本发明专利技术涉及一种双极性电极产生羟基自由基的反应器及其应用，包括电源和反应池，所述的反应池设置有两个驱动电极，两个驱动电极之间设置有双极性电极，双极性电极表面设置有催化材料；反应池还设置有进水口、出水口和进气孔；两个驱动电极分别通过导线与电源的正负极连接。本发明专利技术还提供利用该反应器降解废水中的亚甲基蓝的应用。本发明专利技术中双极电极未与电源直接相连接，但能对污染物进行降解，具有节能的显著优势，为以后的水处理提供了一个方向；且该装置结构简单，使用方便，实验使用效果良好。

A bipolar electrode reactor for producing hydroxyl radicals and its application

【技术实现步骤摘要】
一种双极性电极产生羟基自由基的反应器及其应用
本专利技术涉及一种双极性电极产生羟基自由基(·OH)的反应器及其应用，属于水处理

技术介绍
19世纪60年代，Fleischmann开创了流化床电极的概念，这是双极性电极(bipolarelectrode，简称BPE)最早的雏形。几十年来，由于技术条件的约束和参阅资料的局限性，双极性电化学的发展是迟缓的，对其研究基本局限于电解、电池等领域。近年来，随着科技的发展以及技术的逐渐成熟，双极性电化学以其成本低廉、装置简单、操作简易、不受地域控制的优势获得了研究者的青睐。当前国内水资源污染日趋加剧，并且水中污染物种类日益繁多，传统的物理化学工艺以及生物方法难以达到排放废水水质要求的指标，进而导致可用水资源短缺、水体环境恶化、二次污染严重等现象，电化学法处理废水一般无需很多化学药品，后处理简单，占地面积小，管理方便，污泥量很少，并且能通过特定的电化学反应使目标污染物降解并去除，被称为清洁处理法。当前处理废水的电化学法主要有电-Fenton法、二维电极法、三维电极法等方法，例如：中国专利文件CN208802872U公开了一种三维电解催化氧化装置。在电-Fenton法长期应用以来，由于受电极材料及氧气在电解液中传质的限制，致使阴极表面生成H202的还原反应速度迟缓，效率低，要实现电-Fenton处理难降解有机废水的工业化应用，研制高催化活性的阴极材料是必须解决的关键问题之一；另外，Fe2+不易再生；容易产生大量铁泥，造成二次污染。而众所周知，三维电化学过程是在二维电化学过程的基础上建立起来的，除了第三个电极外，在电极材料和处理工艺等方面有许多相似之处。它也被称为颗粒电极或床电极，基本上是颗粒状或碎片状材料，填充在两个反电极之间。在适当的电压下，这些粒子将被极化，形成大量的带电微电极，由于粒子电极的存在，三维电化学过程的性能优于传统的二维电化学体系。但是，在三维电极中，带电颗粒较小，极化现象也比较微弱；除此之外，颗粒电极在连续运行过程中，由于其不均匀分布，易导致局部副反应的发生，从而使降解反应不易控制。中国专利文件CN207483413U公开一种基于双极性电化学原理的无线电絮凝水处理装置，包括电解池、电源、主阳极、主阴极，电解池内分设主阳极、主阴极并分别与电源电性连接，电解池内在主阳极和主阴极之间设有至少一个双极性电极，双极性电极的主面或主轴不与电解池中的电场线方向垂直。但是，该基于双极性电化学原理的无线电絮凝水处理装置主要基于电絮凝原理，以牺牲阳极来产生絮凝剂，吸附水中相关污染物形成絮凝体，便于后期去除。该电絮凝水处理装置所用双极性电极为易腐蚀性金属，容易与水及水中空气发生反应生成铁锈等氧化物，产生的絮凝体及氧化物需要作为危险废物进行后续处理；且絮凝过程需要碱性环境，在酸性条件下无法生成氢氧化物胶体絮凝剂，从而无法达到絮凝效果；该装置的双极性电极在反应过程中为耗材，需要持续更换，无法实现连续使用，运行成本高。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术提供一种双极性电极产生羟基自由基的反应器及其应用。本专利技术利用双极性电化学处理污废水，提高电化学高级氧化技术的处理效果。双极性电极产生羟基自由基(·OH)的模型如图1所示。主要由连接到直流电源上的驱动电极和浸在溶液中的导体(即双极性电极)组成。基于以上模型，本专利技术将催化材料修饰在双极性电极(BipolarElectrode，BPE)上，在外加电场的作用下，在双极性电极两端分别发生阴极还原及阳极氧化生成羟基自由基，从而形成阴极、阳极同步自由基生成的高级氧化还原体系。本专利技术的BPE体系的特点主要有：(1)BPE无需与驱动电源直接连接；(2)简单的直流电源可以控制多个双极性电极；(3)低能耗就能产生处理污水所需的羟基自由基；(4)成本低廉，装置简单，操作简易，不受地域控制。本专利技术的技术方案如下：一种双极性电极产生羟基自由基的反应器，包括电源和反应池，所述的反应池设置有两个驱动电极，所述的两个驱动电极之间设置有双极性电极，所述的双极性电极表面设置有催化材料；所述的反应池还设置有进水口、出水口和进气孔；所述的两个驱动电极分别通过导线与电源的正负极连接。根据本专利技术，优选的，所述的反应池设置有固定板安装槽，固定板安装槽内设置有固定板，所述的固定板设置有缝隙，双极性电极通过固定板的缝隙固定设置在两个驱动电极之间；进一步优选的，所述的固定板为长方形薄片，固定板的数量为两片，两片固定板平行设置；固定板上的缝隙同样平行设置。此设计的目的在于，将固定板嵌入反应池的固定板安装槽内，以固定双极性电极，保证了双极性电极在反应体系中的稳定性。根据本专利技术，优选的，所述的反应池设置有驱动电极安装槽，所述的驱动电极固定设置在驱动电极安装槽内。此设计的目的在于，固定驱动电极。既保证了驱动电极的稳定性，又保证了反应体系的安全性，不会出现漏电问题。根据本专利技术，优选的，所述驱动电极为石墨板。平行设置在反应池的内壁中。石墨板化学稳定，不因电流而腐蚀，避免产生大量铁泥，造成二次污染。根据本专利技术，优选的，所述的反应池为中空长方体容器，进一步优选有机玻璃材质。所述的出水口和进气孔设置在反应池的底部，以便向反应池中曝氧和处理水的排出。所述的进水口设置在反应池的上部。根据本专利技术，优选的，所述的电源为直流稳压电源，工作电压为1-2V。为电解池提供反应电压。根据本专利技术，优选的，所述的两个驱动电极顶部设置有凸起。设计的凸起利于驱动电极跟直流稳压电源相连接。根据本专利技术，优选的，所述的反应池的底部设置有底座，用于稳固反应池。根据本专利技术，优选的，双极性电极为板状，进一步优选长方形板。双极性电极为反应电极，双极性电极与两个驱动电极相互垂直。根据本专利技术，催化材料可市购，也可按现有技术制备得到。优选的，所述的催化材料按如下步骤制备得到：(1)将石墨粉放于去离子水中煮沸1h，石墨粉的质量与去离子水的体积比为22g:1L；(2)将钛酸四丁酯加入到无水乙醇中，搅拌均匀后，加入石墨粉，得A溶液；(3)将去离子水和硝酸加入到无水乙醇中，搅拌均匀，得B溶液；(4)将B溶液逐滴加入A溶液中，直至反应体系成为不能流动的凝胶体系，得凝胶；(5)将凝胶干燥后研磨，然后煅烧，即得催化材料。根据本专利技术，所述的催化材料的制备过程，优选的条件如下：步骤(1)中钛酸四丁酯与无水乙醇的体积比为1:3，石墨粉的质量与钛酸四丁酯的体积比为1g:3mL；步骤(2)中去离子水、硝酸和污水乙醇的体积比为6:1.2:45，硝酸的质量浓度为65-68％；步骤(3)中滴加速率为3-5mL/min；步骤(4)中干燥温度为105℃，干燥时间为8h，干燥过程使有机溶剂全部挥发；煅烧温度为500℃，煅烧时间为两小时。根据本专利技术，将催化材料与粘结胶混合后，均与涂覆在双极性电极，干燥后即可安装在固定板的缝隙中。根据本专利技术，上述双极性电极产生羟基自由基的反应器的应本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种双极性电极产生羟基自由基的反应器，其特征在于，该反应器包括电源和反应池，所述的反应池设置有两个驱动电极，所述的两个驱动电极之间设置有双极性电极，所述的双极性电极表面设置有催化材料；/n所述的反应池还设置有进水口、出水口和进气孔；/n所述的两个驱动电极分别通过导线与电源的正负极连接。/n

【技术特征摘要】
1.一种双极性电极产生羟基自由基的反应器，其特征在于，该反应器包括电源和反应池，所述的反应池设置有两个驱动电极，所述的两个驱动电极之间设置有双极性电极，所述的双极性电极表面设置有催化材料；
所述的反应池还设置有进水口、出水口和进气孔；
所述的两个驱动电极分别通过导线与电源的正负极连接。


2.根据权利要求1所述的双极性电极产生羟基自由基的反应器，其特征在于，所述的反应池设置有固定板安装槽，固定板安装槽内设置有固定板，所述的固定板设置有缝隙，双极性电极通过固定板的缝隙固定设置在两个驱动电极之间。


3.根据权利要求2所述的双极性电极产生羟基自由基的反应器，其特征在于，所述的固定板为长方形薄片，固定板的数量为两片，两片固定板平行设置；固定板上的缝隙同样平行设置。


4.根据权利要求1所述的双极性电极产生羟基自由基的反应器，其特征在于，所述的反应池设置有驱动电极安装槽，所述的驱动电极固定设置在驱动电极安装槽内。


5.根据权利要求1所述的双极性电极产生羟基自由基的反应器，其特征在于，所述驱动电极为石墨板。


6.根据权利要求1所述的双极性电极产生羟基自由基的反应器，其特征在于，所述的反应池为中空长方体容器，优选有机玻璃材质。


7.根据权利要求1所述的双极性电极产生羟基自由基的反应器，其特征在于，所述的电源为直流稳压电源，工作电压为1-2V；
优选...

【专利技术属性】
技术研发人员：高明明，孙智勇，苗菲，王新华，赵珊，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东;37