三维电化学-多相臭氧催化反应装置及其水处理方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种三维电化学‑多相臭氧催化反应装置及其水处理方法，属于污水处理技术领域。包括腔体、管状膜阳极、阴极和超声波发射头阵列；管状膜阳极设置于腔体中心，阴极设置在腔体的内壁与管状膜阳极之间填充三维颗粒电极；超声波发射头阵列设置在腔体的底部；腔体的底部设置有进水口，侧壁上部设置有出水口，顶部设置有出气口。本发明专利技术可放大化的，运行稳定，有机物致病菌去除效果好，速度快，能耗低。充分利用电‑多相臭氧催化的优势，通过填充具有疏水特性的三维颗粒电极同时耦合超声波作用，显著提升体系处理能力，提高了去除速率，实现臭氧催化、三维电催化、超声波的高效协同，达到高效去除污染物和致病微生物的目的。

【技术实现步骤摘要】
三维电化学-多相臭氧催化反应装置及其水处理方法
本专利技术涉及污水处理
，具体涉及一种三维电化学-多相臭氧催化反应装置及其水处理方法。
技术介绍
近年来，臭氧催化氧化技术在水处理领域中得到广泛的应用。尤其是将电化学和臭氧催化相结合的电-臭氧催化工艺受到广泛关注。专利号为ZL201610920421.5的中国专利技术专利公开了电-多相臭氧催化工艺，通过使用兼备臭氧催化和电催化的曝气电极，将臭氧曝气器和电极有机结合，同时通过使用具有能产生H2O2的炭阴极，实现了臭氧分子在阳极多相催化和在阴极非均相催化的高效协同，可以实现阴阳极同时产生自由基。相比单一臭氧氧化和电催化氧化，在污染物去除效率和速率上均显示出显著优势。然而，通常使用的曝气电极直径较小(通常为2cm-5cm),为了节能的考虑，通常阴阳极间距为(1cm-3cm)，这样不利于反应装置的扩大化，造成高径比过大。从反应器放大化的角度考虑，需要在增加电极间距同时不改变处理能力，或者尽可能提高处理能力。专利号为ZL201310665223.5中国专利技术专利公开了复极性三维电极技术，通过在阴阳极之间填充具有电催化能力的颗粒电极，通过电场诱导作用产生使得每个颗粒电极变成无数带电的第三极(充当固体电解质)，促进羟基自由基的产生。诸多研究表明三维电极系统在有机物去除和能效上显著优于没有调添加颗粒电极的二维电极系统。然而通过实践证明，当三维电极系统长时间运行后，颗粒电极床非常容易结垢，严重影响了系统稳定性。除此之外，超声波技术作为重要辅助手段用于各种水处理领域。超声波通过波场作用有效去除表面污物，还可以促进污染物的传质，这对于电催化至关重要(电化学法在大电流密度下会受到传质扩散限制)，同时对于气液两相体系如臭氧体系，超声作用会强化溶液中会产生微小的空化气泡或者促进微纳气泡产生、通过空化气泡的破裂进一步产生自由基，提高氧化能力。但是单独超声作用的氧化能力非常有限且单独使用时能耗较高。针对重点排水系统如医院废水，粪尿废水等，除了有效去除有机物的同时需要对致病微生物进行高效消毒，确保生物安全性。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种实现臭氧催化、三维电催化、超声波的高效协同，达到高效去除污染物和致病微生物的目的超声波协同的三维电化学-多相臭氧催化反应装置及其水处理方法，以解决上述
技术介绍
中存在的至少一项技术问题。为了实现上述目的，本专利技术采取了如下技术方案：一方面，本专利技术提供一种三维电化学-多相臭氧催化反应装置，包括腔体、管状膜阳极、三维颗粒电极、阴极和超声波发射头阵列；所述的管状膜阳极设置于所述腔体中心，所述的阴极设置在所述腔体的内壁，所述的阴极与所述的管状膜阳极之间填充所述三维颗粒电极；所述的超声波发射头阵列设置在所述腔体的底部；所述腔体的底部设置有进水口，所述腔体的侧壁上部设置有出水口，所述腔体的顶部设置有出气口。优选的，所述的管状膜阳极包括管状钛膜基体和负载在所述管状钛膜基体上的第一催化层，所述管状钛膜基体上设有多个通孔。优选的，所述的阴极包括网状金属电极基体和负载在所述网状金属电极基体上的第二催化层。优选的，所述的三维颗粒电极包括颗粒活性炭基体和负载在所述颗粒活性炭基体上的第三催化层，所述第三催化层上负载有气体扩散层。优选的，所述的管状钛膜基体的内径为1cm～5cm，壁厚为2mm～20mm，孔径为1μm～200μm。优选的，所述的第一催化层为Ti、Zn、Mn、Ce、Cu、Fe、Ni、Sn、Sb或Pb的氧化物；所述的第二催化层为炭涂层；所述的第三催化层为炭涂层或者Ti、Zn、Mn、Ce、Cu、Fe、Ni、Sn、Sb或Pb的氧化物；所述的气体扩散层为聚四氟乙烯涂层。优选的，所述的炭涂层为由炭黑、石墨烯、碳纳米管、碳微球或导电石墨粉中的一种或多种制成。优选的，所述的网状金属电极基体为钛网、不锈钢网、镍网或铜网；所述的第一催化层、所述的第二催化层及所述的第三催化层的形状为球形、线形、棒状、片状或管状。另一方面，本专利技术换提供一种使用如上所述的三位电化学-多相臭氧催化反应装置进行水处理的方法，包括：所述管状膜阳极同时作为O3曝气器和阳极，O3气体从管状膜阳极内部穿过管状钛膜基体和第一催化层后，扩散至装置内部；向管状膜阳极和所述的阴极之间施加恒定电流，在电场作用下，阴、阳极之间填充的三维颗粒电极变成无数复极性的带电颗粒电极，气体扩散层促进O3吸附在颗粒电极界面并发生电-多相催化反应产生H2O2以及羟基自由基；O3气体与阴极发生电化学还原反应，将O3气体中的残余O2转化为H2O2,促进O3与H2O2的均相反应，产生羟基自由基；腔体底部的超声波发射头阵列向腔体内施加一定功率的超声波能量，强化O3的溶解促进气泡在水中的空化效应产生自由基；废水从腔体底部进入，从腔体上部的出水口排出，其中剩余臭氧从腔体顶部排气口排出；废水中的有机物分别与管状膜阳极、阴极、三维颗粒电极以及超声波发生协同反应，完成降解。本专利技术有益效果：可放大化的，运行稳定，有机物致病菌去除效果好，速度快，能耗低。充分利用电-多相臭氧催化的优势，通过填充具有疏水特性的三维颗粒电极同时耦合超声波作用，显著提升体系处理能力，提高了去除速率，实现臭氧催化、三维电催化、超声波的高效协同，达到高效去除污染物和致病微生物的目的。本专利技术附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本专利技术的实践了解到。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术实施例所述的三维电化学-多相臭氧催化反应装置结构图。图2为图1中A-A向截面图。其中：1-腔体；2-管状膜阳极；3-三维颗粒电极；4-阴极；5-超声波发射头阵列；6-进水口；7-出水口；8-出气口。具体实施方式下面详细叙述本专利技术的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本专利技术，而不能解释为对本专利技术的限制。本
技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本专利技术所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。本
技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本专利技术的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种三维电化学-多相臭氧催化反应装置，其特征在于：包括腔体(1)、管状膜阳极(2)、三维颗粒电极(3)、阴极(4)和超声波发射头阵列(5)；/n所述的管状膜阳极(2)设置于所述腔体(1)中心，所述的阴极(4)设置在所述腔体(1)的内壁，所述的阴极(4)与所述的管状膜阳极(2)之间填充所述三维颗粒电极(3)；所述的超声波发射头阵列(5)设置在所述腔体(1)的底部；/n所述腔体(1)的底部设置有进水口(6)，所述腔体(1)的侧壁上部设置有出水口(7)，所述腔体(1)的顶部设置有出气口(8)。/n

【技术特征摘要】
1.一种三维电化学-多相臭氧催化反应装置，其特征在于：包括腔体(1)、管状膜阳极(2)、三维颗粒电极(3)、阴极(4)和超声波发射头阵列(5)；
所述的管状膜阳极(2)设置于所述腔体(1)中心，所述的阴极(4)设置在所述腔体(1)的内壁，所述的阴极(4)与所述的管状膜阳极(2)之间填充所述三维颗粒电极(3)；所述的超声波发射头阵列(5)设置在所述腔体(1)的底部；
所述腔体(1)的底部设置有进水口(6)，所述腔体(1)的侧壁上部设置有出水口(7)，所述腔体(1)的顶部设置有出气口(8)。


2.根据权利要求1所述的三维电化学-多相臭氧催化反应装置，其特征在于：所述的管状膜阳极(2)包括管状钛膜基体和负载在所述管状钛膜基体上的第一催化层，所述管状钛膜基体上设有多个通孔。


3.根据权利要求2所述的三维电化学-多相臭氧催化反应装置，其特征在于：所述的阴极(4)包括网状金属电极基体和负载在所述网状金属电极基体上的第二催化层。


4.根据权利要求3所述的三维电化学-多相臭氧催化反应装置，其特征在于：所述的三维颗粒电极包括颗粒活性炭基体和负载在所述颗粒活性炭基体上的第三催化层，所述第三催化层上负载有气体扩散层。


5.根据权利要求4所述的三位电化学-多相臭氧催化反应装置，其特征在于：所述的管状钛膜基体的内径为1cm～5cm，壁厚为2mm～20mm，孔径为1μm～200μm。


6.根据权利要求5所述的三位电化学-多相臭氧催化反应装置，其特征在于：所述的第一催化层为Ti、Zn、Mn、Ce、Cu、Fe、Ni、Sn、Sb或Pb的氧...

【专利技术属性】
技术研发人员：李新洋，姚宏，
申请(专利权)人：北京交通大学，
类型：发明
国别省市：北京;11