一种浮动式自然空气扩散电芬顿电极及处理难降解污水的方法技术

本发明专利技术属于电化学水处理领域，具体为一种浮动式载铁自然空气扩散电芬顿电极：所述电极包括自制的载铁空气扩散阴极和DSA阳极，其中阴极包括碳基空气扩散层和非均相芬顿催化层，两个电极中间由绝缘塑料柱相连，塑料柱长短用来调节极板间距；阳极下方四周用铁丝固定四个绝缘浮子；通过污水密度与浮子体积的关系式调节浮子的规格可实现电极漂浮于水面上(阴极空气层在水面上，其它部分在水面下)，并随液面的变化上下浮动。氧气通过阴极的空气扩散层传质到系统中，通过电催化生成H2O2，并与非均相芬顿催化层中的Fe

【技术实现步骤摘要】
一种浮动式自然空气扩散电芬顿电极及处理难降解污水的方法


[0001]本专利技术属于电化学水处理领域，具体涉及一种浮动式自然空气扩散电芬顿电极及处理难降解污水的方法。

技术介绍

[0002]难降解工业废水的基本特征是有机物浓度高、污染物种类多、可生化性低、生物抑制性强、含盐量高，常规的处理技术难以实现高效、稳定运行。电芬顿技术在传统芬顿技术上额外施加电压，使极板电催化产生双氧水，避免了其在运输储存过程中的风险，是一种绿色高效的电化学水处理技术。
[0003]电芬顿降解污水的主要过程有，氧气催化生成双氧水，双氧水与Fe
2+
发生芬顿反应生成羟基自由基，羟基自由基经过一些列的链式反应使有机污染物完全降解或矿化。
[0004]电芬顿技术处理废水时的降解效率和降解产物会随着阴极材料的改变而变化，即阴极材料是影响电芬顿氧化过程中有机物降解去除效果和能源消耗的主要因素之一。
[0005]传统电芬顿技术需要向体系内额外通入氧气，曝气会增加能耗，同时产生噪音等问题，曝气量控制不当还会影响电芬顿的效率，甚至造成电极损坏。除此之外传统电芬顿需要外加铁源，pH适于范围窄，且极易产生铁泥发生二次污染。
[0006]目前国内外已经有学者提出将阴极空气层暴露在空气中的电芬顿技术，一种是将阳极板固定，阴极通过牵引控制位置，这种做法忽略了极板间距对电芬顿处理效果的影响，而且在实际处理中，水面高度随环境、进出水量、电解蒸发等因素不断变化，因此很难时刻控制阴极完全漂浮于水面。
[0007]另一种是将阴极与反应器贴合，空气层朝外，催化层朝内，这种方法对阴极的气密性要求极高，既要保证水不会流出，又要不阻碍氧气的流动，而且电极更换困难，无法在工业上使用。
[0008]本专利技术使阴阳极固定，形成一个整体，在最佳的极板间距下，电极随水面的波动上下漂浮，既能保持阴极的位置，又保证了极板间距的一致，而且电极更换非常简单，本专利技术的各个部分都可以单独拆换，设备稳定性高。

技术实现思路

[0009]本专利技术解决的问题是提供一种可以随水面波动而上下浮动的，无需额外曝气和外加铁源的自然空气扩散电芬顿电极。并应用于电芬顿系统处理难降解废水。
[0010]为解决上述问题本专利技术所采取的技术方案是：
[0011]一种浮动式自然空气扩散电芬顿电极及处理难降解污水的方法，所述电极包括自制的载铁空气扩散阴极和阳极，所述阴极包括碳基空气扩散层和非均相芬顿催化层，阴阳极通过绝缘塑料柱相连，阳极底部四周用铁丝固定数个浮子并使电极浮动于水面上。控制浮子的规格可准确控制空气层和催化层与水面的相对位置。
[0012]量取一定量的难降解污水，用稀硫酸和NaOH调节pH为2
‑
5；连接电源并施加6
‑
10V的外加电压，同时计时，每小时取样测定污染物的降解效率。
[0013]其关键技术在于：
[0014](1)所述电极的阴阳极固定为一个整体，所述浮子固定在电极下方，通过浮子与溶液密度的关系式调整其规格，使电极在水面上浮动，并能准确控制空气层和催化层与水面的相对位置关系。
[0015](2)所述自制的载铁空气扩散阴极，包括碳基空气扩散层和非均相芬顿催化层，液面上的空气层作为氧气从空气向系统中传质的通道，液面下的催化层用来催化H2O2的生成、为系统持续提供铁源以及催化
·
OH的产生，两者协同作用实现了难降解污水的高效降解。
[0016]所述浮子体积与溶液密度的关系式为：
[0017][0018]注：连接柱的质量体积相对较小因此忽略不计
[0019]其推导过程为：
[0020]F
浮
＝G
总
ꢀꢀꢀ
(1.1)
[0021]F
浮
＝ρ
液
g(V
DSA
+n*V
浮子
)
ꢀꢀꢀ
(1.2)
[0022]G
总
＝g*(m
DSA
+m
钛网
+n*m
浮子
)
ꢀꢀꢀ
(1.3)
[0023]所述催化层的制备过程为：将一定比例针状焦和氯化亚铁溶液经过溶解、搅拌、煅烧，最后用液压机固定在钛网上，经过二次煅烧增加其稳定性。
[0024]作为专利技术的进一步改进，
[0025](1)所述非均相载铁催化层的碳材料应选择导电性能良好、稳定性高、且廉价易得的碳材料，本专利技术的气体扩散电极的制备材料不限于某一种或某一类，可根据实际情况进行最优化调整。
[0026](2)所述碳基空气扩散层的材料应选择疏松多孔的碳材料，本专利技术使用碳毡作为空气层，碳毡导电性能良好，疏水性高且表面稀疏多孔，有利于氧气的传质和催化。
[0027]所述的亚克力材料强度较高，不易损坏，密度较小，不会影响整体电极的浮动。
[0028]所述浮子其外观为空心椭圆柱型，中间为圆柱型中空结构。
[0029]采用上述方案的优势在于：
[0030]电极阴极空气层接触空气，克服了传统电芬顿需要外加曝气的缺点。且极大限度的发挥了传统气体扩散电极的特点和优势。具有高效的氧传质能力。
[0031]电极整体通过浮力原理推导出浮子与液体密度的关系式调整浮子的规格使其浮动于水面上，根据这个关系式可以调节电极入水深度，准确控制了空气层与催化层相对于水面的位置，这不仅无需人工时刻调整电极位置，还保持了极板间距不变。
[0032]自制的载铁碳材料催化层无需外加铁源，Fe
2+
在电催化的作用下不断循环再生，有效提高电芬顿的效率。
[0033]本专利技术各个部分都可分别拆换，操作方便快捷。
附图说明
[0034]为更清楚展示电极的完整形状和在水处理中的表现形式，下面将具体实施方案中的各个部分进行简要的附图说明：
[0035]图1为电极整体在电芬顿过程中的形貌状态。
[0036]图2是浮子的形态。
[0037]图3是几种电极搭建方式处理焦化废水的COD去除率图。
[0038]图4是不同pH下处理该电极处理焦化废水的COD去除率图。
[0039]其中1是碳毡、2是钛网、3是连接柱、4是浮子、5是DSA阳极、6是载铁催化层、7、8、9同1、6、2。
具体实施方式
[0040]为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合具体实施例对专利技术进行清楚、完整的描述。
[0041]1.实施例1
[0042]2.搭建如图1所示的浮动式自然空气电芬顿系统处理500mL焦化废水，实验设置外加电压9V、溶液初始pH为3、极板间距2cm、催化层面积为3cm
×
4cm，反应6小时后，COD去除率达到93％。完全达到焦化废水的出水标准。
[0043]3.实施例所述电极的各项参数为V
DSA
＝7.5cm3、本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种浮动式载铁自然空气扩散电芬顿电极包括自制的载铁空气扩散电芬顿阴极和阳极，两者通过绝缘塑料柱相连，阳极底部四周用铁丝固定数个浮子并浮动于水面上。其特征在于：所述电极为四层式结构，从上至下分别为阴极、连接柱、阳极板、浮子，通过浮子体积与处理水密度的关系式调节浮子规格可使电极浮动于水面。所述阴极包括碳基空气扩散层和自制的非均相芬顿催化层，其中空气层取代了传统电芬顿的曝气过程，直接暴露于空气中，进行氧气的传质与扩散，使催化层可以直接有效利用空气中的氧气，同时催化部分H2O2的生成，；催化层为非均相载铁催化剂，可以为系统持续提供铁源，并且高效催化氧气产双氧水和双氧水产
·
OH，该过程通过控制浮子位置与数量准确控制阴极空气层和催化层与水面的相对位置来实现。将电极应用于电芬顿系统中处理难降解污水，可彻底取消曝气过程，高效催化电芬顿反应过程，无需外加铁盐，不产生铁泥，拓宽电芬顿工艺的pH范围。2.根据权利要求1所述的自制载铁空气扩散电芬顿阴极，其特征在于：所述阴极一面为非均相芬顿催化层(通过浸渍煅烧法制备)，另一面为碳基空气扩散层。催化层面向于阳极放置。其主要作用为利用自然空气中的氧气催化产H2O2，催化生成
·
OH，为系统提供铁源，并实现Fe
2+
的持续再生。3.根据权利要求2所述的非均相芬顿催化层，其制备方法为将4％的氯化亚铁和针状焦浸渍搅拌6
...

【专利技术属性】
技术研发人员：王艳秋，王轶先，李沛沛，高鑫宇，王双玉，尹梓珊，高格，
申请(专利权)人：王轶先，
类型：发明
国别省市：