一种管式电化学氧化反应器

摘要

一种管式电化学氧化反应器，本发明属于电化学氧化反应器设计领域，为解决传统电化学氧化法传质阻力大、电解效率低、能耗高等问题，本发明的提供一种管式电化学氧化反应器，所述的反应器包括有作为阳极的圆管、作为阴极的改性活性炭纤维层、位于管式反应器最外层的壳体和位于壳体两端的其中至少一个可拆卸的密封盖，所述的阳极和阴极分别向外引出电极连接至外部电源；所述的阴极和阳极之间还设有多层环状的所述的改性活性炭纤维层，其中层与层之间相互隔开；所述的圆管上设有一个以上的开孔。本发明有益效果在于设备处理效果好，空间利用率高，占地面积小，易模块化、集成化。

权利要求

1.一种管式电化学氧化反应器，其特征在于，所述的反应器包括有作为阳极的圆管、作为阴极的改性活性炭纤维层、位于管式反应器最外层的壳体和位于壳体两端的其中至少一个可拆卸的密封盖，所述的阳极和阴极分别向外引出电极连接至外部电源；所述的阴极和阳极之间还设有多层环状的所述的改性活性炭纤维层作为粒子电极，其中层与层之间相互隔开；所述的圆管上设有一个以上的开孔；

所述的改性活性炭纤维层采用如下方法制备而成：(1)将活性炭纤维先浸泡在5%盐酸，然后再浸泡在5%氢氧化钠中，浸泡的同时用超声振荡，去除活性炭纤维中的杂质，再用去离子水洗去炭纤维表面的酸、碱；

(2)将FeCl3∙6H2O、CuCl2、MnCl2、SnCl4、SbCl2或RuCl3∙3H2O溶解于10%盐酸中，上述金属化合物的质量分数分别为0.1% 1%、0.1% 1%、0.1% 0.6%、0.1 0.5%、0.1 0.5%和0.01% 0.1%~ ~ ~ ~ ~ ~

之间，并用超声振荡至充分溶解；

(3)将(1)中的活性炭纤维放入配置好的浸渍液中，超声振荡，使溶液中的金属离子吸附在活性炭纤维表面；

(4)将浸渍处理后的活性炭纤维用去离子水冲洗，然后在101 110℃下烘干即可。

~

2.如权利要求1所述的管式电化学氧化反应器，其特征在于，所述的圆管两端为封闭结构。

3.如权利要求1所述的管式电化学氧化反应器，其特征在于，所述的反应器连接有用于储存电解液的储液槽。

4.如权利要求3所述的管式电化学氧化反应器，其特征在于，所述的反应器还连接有为电解液注入和抽出反应器提供动力的蠕动泵。

5.如权利要求1所述的管式电化学氧化反应器的使用方法，其特征在于，所述的使用方法为：

（1）将待处理废水送至管式电化学氧化反应器中，打开直流电源，进行电化学氧化反应；

（2）或将待处理废气吹脱至管式电化学氧化反应器，打开蠕动泵，注入电解液，注满后再关闭蠕动泵，然后打开直流电源，进行电化学氧化反应。

说明书

一种管式电化学氧化反应器

技术领域

[0001] 本发明属于电化学氧化反应器设计领域，具体涉及一种管式电化学氧化反应器的构造和一种粒子电极的制备过程，以及其在处理工业废水、废气中的应用。

背景技术

[0002] 在我国工业化快速发展的同时，我们也遭遇了诸多环境问题。譬如在采油，化工等行业中产生了大量含芳香族化合物，苯类，酚类等难降解有机废水；在喷涂，室内装修等行
业中会产生大量含卤代烃，苯系物，有机氯化物，有机酮等挥发性有机物(VOCs)。这些废水、
废气严重污染了自然环境、危害了人们的身体健康。随着人们环保意识的提高与一系列环
保政策地颁布与实施，如何高效、有效地处理这些工业废水、废气已成为我们研究的重要课
题之一。

[0003] 电化学氧化技术，是指在特定的反应器内，放置有与直流电源相连接的阴极和阳‑
极，在电场的作用下，有机物在阳极表面被直接降解或在电极表面生成∙OH、∙O2 、Cl∙等具有
强氧化性物质，间接降解有机污染物。电化学氧化法因具有无需添加药剂，反应易调控，停
留时间短，无二次污染，处理效果好等优点，因此得到了广泛研究与报道。然而，能耗高，电
解效率低又极大地限制了电化学氧化法的应用。因此，本发明专利旨在利用活性炭纤维
(ACF)构建三维电化学体系和一种管式电化学氧化反应器，用于处理工业废水、废气，解决
传统电化学氧化法存在传质阻力大，电解效率低等问题。

[0004] 活性炭纤维(ACF)，比表面积大，吸附能力强，具有良好的导电性和化学稳定性。因此，活性炭纤维非常适合用作三维电化学氧化中的粒子电极。为进一步提高活性炭纤维的
电催化性能，本发明中将活性炭纤维进行改性处理，负载多种具有催化性能的金属离子。根
据污染物种类、氧化反应路径的不同，负载的金属离子不同。

发明内容

[0005] 本发明旨在提供一种管式电化学氧化反应器，可用于处理工业废水、废气。设备处理效果好，空间利用率高，占地面积小，易模块化、集成化。在管式反应器中，嵌入了改性后
的活性炭纤维作粒子电极，解决了传统电化学氧化法传质阻力大，电解效率低，能耗高等问
题。此外，在催化离子的用下，电化学反应器对污染物的氧化效果大幅提高。

[0006] 本发明的第一个目的在于提供一种管式电化学氧化反应器，所所述的反应器包括有作为阳极的圆管、作为阴极的改性活性炭纤维层、位于管式反应器最外层的壳体和位于
壳体两端的其中至少一个可拆卸的密封盖，所述的阳极和阴极分别向外引出电极连接至外
部电源；所述的阴极和阳极之间还设有多层环状的所述的改性活性炭纤维层作为粒子电
极，其中层与层之间相互隔开；所述的圆管上设有一个以上的开孔。所述的阴极和阳极分别
和外界的电源相连接；至少一个可拆卸的密封盖便于装填、更换活性炭纤维;

[0007] 进一步的，所述的圆管两端为封闭结构。

[0008] 进一步的，所述的反应器连接有用于储存电解液的储液槽，电解液可为NaCl溶液或NaSO4溶液等多种。

[0009] 进一步的，所述的反应器还连接有为电解液注入和抽出反应器提供动力的蠕动泵。

[0010] 其中，所述的改性活性炭纤维层采用如下方法制备而成：

[0011] (1)将活性炭纤维先浸泡在5%盐酸，然后再浸泡在5%氢氧化钠中，浸泡的同时用超声振荡，去除活性炭纤维中的杂质，再用去离子水洗去炭纤维表面的酸、碱；

[0012] (2)将FeCl3∙6H2O、CuCl2、MnCl2、SnCl4、SbCl2和/或RuCl3∙3H2O溶解于10%盐酸中，上述金属化合物的质量分数为0.1% 1%、0.1% 1%、0.1% 0.6%、0.1 0.5%、0.1 0.5%和0.01%
~ ~ ~ ~ ~ ~
0.1%之间，并用超声振荡至充分溶解；

[0013] (3)将(1)中的活性炭纤维放入配置好的浸渍液(2)中，超声振荡，使溶液中的金属离子吸附在活性炭纤维表面；

[0014] (4)将浸渍处理后的活性炭纤维用去离子水冲洗，然后在101 110℃下烘干即可。~

[0015] 本发明的管式电化学氧化反应器的使用方法，所述的使用方法为：

[0016] （1）将待处理废水送至管式电化学氧化反应器中，打开直流电源，进行电化学氧化反应；

[0017] （2）或将待处理废气吹脱至管式电化学氧化反应器，打开蠕动泵，注入电解液，注满后再关闭蠕动泵，然后打开直流电源，进行电化学氧化反应。

[0018] 有益效果

[0019] 本发明采用改性的活性炭纤维作粒子电极，构造一种管式电化学氧化反应器，具有以下优点：

[0020] (1)相比传统电化学氧化法，本发明中的管式电化学氧化反应器，具有更高的电解效率和更低的电能消耗，在处理中转站渗滤液时，COD、氨氮去除率均高于90%；水力停留时
3
间缩短了3h，处理成本可降低5.7元/m 。另外，由于本电化学氧化反应器为管式，可同时承
担废水运输和处理功能，各单元排布更紧凑，占地面积可节省30%。

[0021] (2)本发明中的管式电化学氧化反应器，不仅可用于处理工业废水，对工业废气也具有良好的处理效果；炭纤维吸附气体污染物，电化学氧化法充分降解污染物，其中活性炭
纤维可多次重复使用；在处理甲醛废气时，可去除95%的甲醛气体，其中活性炭纤维可使用
3
10次以上，处理成本降低3.2元/m。

附图说明

[0022] 图1是本发明装置的第一结构示意图(剖面图)；

[0023] 图2是本发明装置的进、出气示意图(剖面图)；

[0024] 图3是本发明装置的第二结构示意图(剖面图)。

具体实施方式

[0025] 请参阅图1，本发明中用于处理工业废水的管式电化学氧化反应器，分别以改性后的活性炭纤维层4和圆管6为阴极和阳极，圆管6的材料为不锈钢，圆管6上为废水通管，但是
其侧壁上设有一个以上的开孔71用于进或出水；所述的改性活性炭纤维层4为多层的改性
活性炭纤维层，其中层与层之间相互隔开，其中最外层引出电极与外部的直流电源8相连；
或者是中间的多层活性炭纤维层与阴、阳极隔开，充当粒子电极。整个反应器有不锈钢外壳
1和密封盖2固定，参阅图2，废水由第一种方式进、出反应器，当废水进入反应器时，打开直
流电源8，进行电化学氧化反应，降解废水中的污染物。外层为圆形不锈钢外壳壳体1，且在
外壳壳体1与最外层活性炭纤维间有绝缘层3。

[0026] 本发明中的一种管式电化学氧化反应器在处理工业废水时，具体包括以下三种进、出水方式，如图2：第一种为废水从反应器顶部，不锈钢圆管6内部进入，从反应器顶部的
外层活性炭纤维处流出；第二种为废水从反应器底部，不锈钢圆管6内部进入，从反应器顶
部的外层活性炭纤维处流出；第三种为废水从反应器底部，外层活性炭处进入，从反应器顶
部的不锈钢圆管6内部流出。

[0027] 参阅图3，本发明中用于处理工业废气的管式电化学氧化反应器，改性后的活性炭纤维层4和不锈钢圆管6分别作为阴极和阳极，其中最外层活性炭纤维与直流电源8相连，中
间多层活性炭纤维与阴、阳极隔开，充当粒子电极。整个反应器有不锈钢外壳1和密封盖2固
定，在反应器外配有储液槽9，内储有电解液，可通过蠕动泵7，进、出管式电化学反应器。在
处理废气时，可将废气用鼓风机抽入到反应器中，活性炭纤维层4将废气中的污染物吸附到
活性炭纤维表面。吸附后，打开蠕动泵7，将电解液注入管式反应器中。当反应器充满电解液
时，关闭蠕动泵7。再打开直流电源8，进行电化学氧化反应，降解活性炭纤维吸附的污染物。
降解反应结束后，再打开蠕动泵7，将电解液抽回储液槽9中，待下次使用。

[0028] 实施例1

[0029] (1)将活性炭纤维浸泡在盐酸(5%)中，并超声振荡40min；取出活性炭纤维，放入氢氧化钠(5%)中，再超声振荡40min；然后取出活性炭纤维，再用去离子水冲洗3次；

[0030] (2)将FeCl3∙6H2O，MnCl2，SbCl2溶解于盐酸(10%)中，其质量分数分别为0.5%、0.2%、0.1%，超声振荡至充分溶解；

[0031] (3)将(1)中的活性炭纤维放入配置好的浸渍液中，超声振荡2h；

[0032] (4)将浸渍处理后的活性炭纤维用去离子水冲洗2次，然后在101℃下烘干，备用；

[0033] (5)将改性后的活性炭纤维装入管式电化学氧化反应器中，放入隔网5，连接好密封盖2，准备完毕；

[0034] (6)将经SBR工艺处理后的中转站渗滤液从不锈钢圆管6中注入，进入电化学氧化反应器中；

[0035] (7)打开直流电源8，进行电化学氧化反应，水力停留时间为2h。检测进、出水的COD、氨氮数值；

[0036] (8)结果表明，进、出水COD从570mg/L下降至46mg/L，氨氮从135mg/L下降为9mg/L，COD、氨氮去除率分别为91.9%、93.3%。

[0037] 实施例2

[0038] (1)将活性炭纤维浸泡在盐酸(5%)中，并超声振荡40min。取出活性炭纤维，放入氢氧化钠(5%)中，再超声振荡40min；然后取出活性炭纤维，再用去离子水冲洗3次；

[0039] (2)将FeCl3∙6H2O，MnCl2溶解于盐酸(10%)中，其质量分数分别为0.6%、0.4%，超声振荡至充分溶解；

[0040] (3)将(1)中的活性炭纤维放入配置好的浸渍液中，超声振荡2h；

[0041] (4)将浸渍处理后的活性炭纤维用去离子水冲洗2次，然后在101℃下烘干，备用；

[0042] (5)将改性后的活性炭纤维装入管式电化学氧化反应器中，放入隔网5，连接好密封盖2，准备完毕；

[0043] (6)将混凝/气浮处理后的采油厂废水从不锈钢圆管6中注入，进入电化学氧化反应器中；

[0044] (7)打开直流电源8，进行电化学氧化反应，停留时间为2h。检测进、出水COD数值；

[0045] (8)结果表明，进水COD从450mg/L下降至32mg/L，去除率为92.9%。

[0046] 实施例3

[0047] (1)将活性炭纤维浸泡在盐酸(5%)中，并超声振荡40min。取出活性炭纤维，放入氢氧化钠(5%)中，再超声振荡40min；然后取出活性炭纤维，再用去离子水冲洗3次；

[0048] (2)将FeCl3∙6H2O，MnCl2溶解于盐酸(10%)中，其质量分数分别为0.6%、0.4%，超声振荡至充分溶解；

[0049] (3)将(1)中的活性炭纤维放入配置好的浸渍液中，超声振荡2h；

[0050] (4)将浸渍处理后的活性炭纤维用去离子水冲洗2次，然后在101℃下烘干，备用；

[0051] (5)将改性后的活性炭纤维装入管式电化学氧化反应器中，放入隔网5，连接好密封盖2，准备完毕；

[0052] (6)将装有300ml 30mg/ml的甲醛溶液不断吹脱至管式电化学氧化反应器中，控制鼓起速率，使进气甲醛浓度约为20mg/L；

[0053] (7)在活性炭纤维的吸附作用下，前50min，出气甲醛浓度低于0.5mg/L。之后，出气甲醛浓度不断升高。2h后，出气甲醛浓度接近20mg/L；

[0054] (8)此时，停止向反应器中吹脱甲醛气体。打开蠕动泵7将储液槽9中的NaSO4溶液注入电化学氧化反应器中，当反应器充满电解液后，再关闭蠕动泵7；

[0055] (9)打开直流电源8，进行电化学氧化反应，电解时间为3h；

[0056] (10)电解后，再打开蠕动泵7，将NaSO4溶液抽回储液槽9中，备用；

[0057] (11)重复(6) (10)步骤，检测每次出气甲醛浓度；~

[0058] (12)结果表明，在前6次实验中，前50min出气中的甲醛浓度均低于0.5mg/L，前11次实验中，前50min出气中的甲醛浓度低于1.0mg/L。