一种用于水处理的多用途电化学装置及用途

摘要

本发明涉及一种用于水处理的电化学装置，包括电源和电解单元，所述电解单元包括电解槽、阳极和阴极；所述电解槽的下部设置用于向电解槽内输入待处理水体的进水口；所述阳极和阴极均为滤芯电极，内部为空腔，壁上为多孔结构。本发明的用于水处理的多用途电化学装置，可以在同一个装置上进行不同应用环境的适应，无需针对不同的环境进行不同设备的替换。

权利要求

1.一种用于水处理的多用途电化学装置，包括电源(1)和电解单元(2)，所述电解单元(2)包括电解槽(2‑1)、阳极(2‑2)和阴极(2‑3)；所述电解槽(2‑1)的下部设置用于向电解槽(2‑1)内输入待处理水体的进水口(2‑11)；其特征在于，所述阳极(2‑2)和阴极(2‑3)均为滤芯电极，内部为空腔，壁上为多孔结构；

所述阳极(2‑2)的顶部设置用于从滤芯阳极(2‑2)内抽取电解后的酸性水体的抽水口(2‑21)；

所述阴极(2‑3)的顶部设置贯通到阴极(2‑3)内部的阴极出水口(2‑31)；

所述阳极(2‑2)和阴极(2‑3)的数量相等，呈阵列式排列，在每一行或每一列中阳极(2‑

2)和阴极(2‑3)相互间隔；

相邻的阴极(2‑3)和阳极(2‑2)之间的距离是1‑10cm。

2.根据权利要求1所述的用于水处理的多用途电化学装置，其特征在于，所述阳极(2‑

2)和阴极(2‑3)的材料为钛滤芯、亚氧化钛滤芯或碳滤芯。

3.根据权利要求2所述的用于水处理的多用途电化学装置，其特征在于，所述阳极(2‑

2)和阴极(2‑3)的材料为钛滤芯时，表面烧结有一层金属氧化物涂层，所述金属氧化物为SnO2、SbO5、RuO2、IrO2中的一种或多种。

4.根据权利要求1所述的用于水处理的多用途电化学装置，其特征在于，所述阳极(2‑

2)和阴极(2‑3)的滤芯电极的过滤精度0.45‑50μm，孔隙度35‑45％。

5.权利要求1‑4任一项所述的装置的用途，其特征在于，用于芬顿反应或用于处理RO浓缩液。

6.根据权利要求5所述的用途，其特征在于，用于芬顿反应时，在电解过程中，从阳极(2‑2)的抽水口(2‑21)或阴极(2‑3)的阴极出水口(2‑31)处抽取酸液或碱液以调节芬顿反应的pH值。

7.根据权利要求5所述的用途，其特征在于，用于处理RO浓缩液时，电解时通过从阳极(2‑2)的抽水口(2‑21)或阴极(2‑3)的阴极出水口(2‑31)处抽取酸液或碱液，在阳极(2‑2)实现有机物的氧化降解，在阴极(2‑3)实现水体硬度的去除。

说明书

一种用于水处理的多用途电化学装置及用途

技术领域

[0001] 本发明涉及水处理技术领域，尤其涉及一种用于水处理的多用途电化学装置及用途。

背景技术

[0002] 电化学技术被称为“环境友好”型绿色工艺，由于其环境友好、操作便利、运行维护方便等优点近年来得到了广泛的关注。在其阴极区域发生如下反应：

[0003] 2H2O+2e‑→H2↑+2OH‑

[0004] O2+2H2O+4e‑→4OH‑

[0005] 在其阳极区域以下反应：

[0006] 2H2O→4H++O2+2e‑

[0007] 虽然电化学技术的原理非常简单，但是在面对不同的水处理时，因为被处理的水体不同，导致需要不同的处理手段和设备。

[0008] 现有Fenton反应中pH调节技术依赖于化学药品的投加，导致目标水体含盐量增加，易造成二次污染。内置离子交换膜在分隔酸碱提升利用率的同时也会带来膜污染等问题。解决以上问题及缺陷的难度为：使用大量的化学药剂如盐酸、硫酸、氢氧化钠、石灰等虽可以达到Fenton反应中调节pH的效果，造成二次污染，还会导致目标水体含盐量增加，同时化学药品的运输、储存和处理会带来安全隐患。内置离子交换膜需要频繁更换，造成大量损耗，膜结垢问题难以避免。解决此问题尚且较为困难。

[0009] RO工艺在产出清洁水的同时也产生了含有大量结垢性前驱离子(Ca2+、Mg2+等)、有机化合物的RO浓水，处理起来非常困难。对于结垢性前驱离子，传统的电化学沉积会导致阴极表面结垢，增加能耗；并且现有技术也依赖于较大的阴极表面积；内置离子交换膜在分隔酸碱提升处理效果的同时也会带来膜堵塞和膜污染等问题。其次，对于难生化降解有机物，化学混凝工艺的经济成本较高，且沉渣量大，脱水困难。

发明内容

[0010] 针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种用于水处理的电化学装置，包括电源和电解单元，所述电解单元包括电解槽、阳极和阴极；所述电解槽的下部设置用于向电解槽内输入待处理水体的进水口；所述阳极和阴极均为滤芯电极，内部为空腔，壁上为多孔结构。

[0011] 在上述方案的基础上，所述阳极的顶部设置用于从滤芯阳极内抽取电解后的酸性水体的抽水口。

[0012] 在上述方案的基础上，所述阴极的顶部设置贯通到阴极内部的阴极出水口。

[0013] 在上述方案的基础上，所述阳极和阴极的材料为钛滤芯、亚氧化钛滤芯或碳滤芯。

[0014] 在上述方案的基础上，所述阳极和阴极的数量相等，呈阵列式排列，在每一行或每一列中阳极和阴极相互间隔。

[0015] 在上述方案的基础上，所述阳极和阴极的材料为钛滤芯时，表面烧结有一层金属氧化物涂层，所述金属氧化物为SnO2、SbO5、RuO2、IrO2或多元素掺杂的金属氧化物。

[0016] 本发明还提供了上述装置的用途，具体的，用于芬顿反应或用于处理RO浓缩液。

[0017] 用于芬顿反应时，在电解过程中，从阳极的抽水口或阴极的阴极出水口处抽取酸液或碱液以调节芬顿反应的pH值。

[0018] 用于处理RO浓缩液时，电解时通过从阳极的抽水口或阴极的阴极出水口处抽取酸液或碱液，在阳极实现有机物的氧化降解，在阴极实现水体硬度的去除。

[0019] 本发明的用于水处理的多用途电化学装置，可以在同一个装置上进行不同应用环境的适应，无需针对不同的环境进行不同设备的替换。

[0020] 本发明的装置用于芬顿反应时，通过直接提取多孔阴阳极附近边界层中的浓缩‑ + ‑ + + ‑OH 、H 溶液可以减缓OH 、H扩散到溶液中，无需质子交换膜即可获得较高的H ‑OH 分离效率。既能提升电流效率，又能减少器材的损耗。无需投加化学试剂，可以以原水作为电解质‑ +
进行OH、H的提取分离，避免了对水体造成的二次污染和引入外来离子。且通过对阴阳极阵列数量、电流密度、抽取速度的调控，可以灵活适应Fenton反应不同阶段对pH调节的要求。

[0021] 本发明装置用于RO浓缩液处理时，无需添加化学试剂即实现原水硬度和有机物污染物的去除；同时，以特定的反应周期进行电化学倒极清垢，设备系统大大简化，能耗可显著降低。

附图说明

[0022] 图1是本专利实施例1中的电化学装置的结构示意图；

[0023] 图2是本专利中阳极和阴极的阵列式排列示意图；

[0024] 图3是本专利实施例2中用于芬顿反应的电化学系统的结构示意图；

[0025] 图4是本专利实施例3中用于处理RO浓缩液的电化学系统的结构示意图；

[0026] 图5是本专利实施例2中的使用例1中抽取液pH与电流密度的关系图；

[0027] 图6是本专利实施例2中的使用例2中抽取液pH与抽取速度的关系图；

[0028] 图7是本专利实施例3中的使用例1中阳极抽取液COD去除率、阴极抽取液Ca2+去除率与电流密度的关系图；

[0029] 图8是本专利实施例3中的使用例2中阳极抽取液COD去除率、阴极抽取液Ca2+去除率与流速的关系图；

[0030] 图9是本专利实施例3中的使用例3中阳极抽取液COD去除率、阴极抽取液Ca2+去除率与时间的关系图；

[0031] 图10是本专利实施例3中的使用例4中阳极抽取液COD去除率、阴极抽取液Ca2+去除率与时间的关系图。

具体实施方式

[0032] 为更进一步阐述本发明为实现预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。

[0033] 实施例1

[0034] 如图1所示，一种用于水处理的电化学装置，包括电源1和电解单元2所述电解单元2包括电解槽2‑1、阳极2‑2和阴极2‑3；所述电解槽2‑1的下部设置用于向电解槽2‑1内输入待处理水体的进水口2‑11；

[0035] 所述阳极2‑2和阴极2‑3均为滤芯电极，内部为空腔，壁上为多孔结构，滤芯电极的过滤精度0.45‑50μm，孔隙度35‑45％。

[0036] 具体的，所述阳极2‑2的顶部设置用于从滤芯阳极2‑2内抽取电解后的酸性水体的抽水口2‑21。

[0037] 具体的，所述阴极2‑3的顶部设置贯通到阴极2‑3内部的阴极出水口2‑31。

[0038] 电解时的电流密度为1‑50mA/cm2之间。

[0039] 在电极材料上，本专利中所述的阳极2‑2和阴极2‑3的材料为钛滤芯、亚氧化钛滤芯或碳滤芯。

[0040] 如图2所示(图2示出的是8个阳极和8个阴极，具体应用中数量可以调整)，所述阳极2‑2和阴极2‑3的数量相等，呈阵列式排列，在每一行或每一列中阳极2‑2和阴极2‑3相互间隔。相邻的阴极2‑3和阳极2‑2之间的最小距离是1‑10cm；图中实线圈代表阳极2‑2，虚线圈代表阴极2‑3。

[0041] 电解槽2‑1的底部还设置有用于清除电解时产生的沉淀垢的清污口2‑13，如果电解时沉淀垢较少，可以不使用。电解槽2‑1的上部侧面设置有溢水口2‑12，溢水口2‑12可以根据实际的电解环境决定是否开放。

[0042] 作为一个优选的方案，所述阳极2‑2和阴极2‑3的材料为钛滤芯时，表面烧结有一层金属氧化物涂层，所述金属氧化物为SnO2、Sb2O5、RuO2、IrO2或多元素掺杂的金属氧化物。

[0043] 在钛滤芯表面烧结金属氧化物涂层的方法是：

[0044] (1)钛滤芯预处理

[0045] 将钛滤芯电极置于质量分数5‑15％的NaOH溶液中加热至沸腾，处理0.5‑1.5h以去除钛网表面的油污；取出洗净后置于质量分数为5‑15％的草酸溶液中，加热煮沸2‑3h，然后用大量蒸馏水冲洗干净，再置于蒸馏水中超声5‑15min，超声目的是去除钛滤芯上可能残留的草酸。

[0046] (2)催化活性涂层的制备

[0047] 采用溶胶‑凝胶法制备电极：将摩尔比为142:30的乙二醇与柠檬酸在50‑70℃的水浴锅中搅拌至完全溶解，再继续将混合溶液缓慢加热到80‑100℃。再将SnCl4·5H2O、SbCl3、RuCl3、IrCl3、或者上述几种物质的组合物加入到混合溶液中，并继续在80‑100℃恒温下搅拌10‑60min以得到溶胶凝胶液；随后，将溶胶凝胶液均匀涂覆于钛滤芯电极上，于100‑140℃烘箱中干燥10min，再置于马弗炉中，在430‑470℃条件下锻烧5‑15min。刷涂、干燥和热处理操作重复10‑20次。最后，将钛滤芯电极置于480‑520℃马弗炉环境中氧化烧结30‑90min，得到表面烧结有金属氧化物的钛滤芯电极。

[0048] 使用上述方法可以得到在钛滤芯表面烧结有SnO2、Sb2O5、RuO2和/或IrO2的钛滤芯电极。

[0049] 与不进行处理的钛滤芯电极相比，处理后的电极在使用过程中所需工作电压低，能耗小，具有较强的耐腐蚀性，使用寿命长。

[0050] 以下提供一种在钛滤芯表面烧结RuO2‑IrO2‑SnO2‑Sb2O5的方法：

[0051] (1)钛滤芯预处理

[0052] 将钛滤芯电极置于10％的NaOH溶液中加热至沸腾，处理1h以去除钛网表面的油污；取出洗净后置于质量分数为10％的草酸溶液中，加热煮沸2.5h，然后用大量蒸馏水冲洗干净，再置于蒸馏水中超声10min；

[0053] (2)催化活性涂层的制备

[0054] 采用溶胶‑凝胶法制备电极：将摩尔比为142:30的乙二醇与柠檬酸在60℃的水浴锅中搅拌至完全溶解，再继续将混合溶液缓慢加热到90℃。再按SnCl4·5H2O/SbCl3/RuCl3/IrCl3的摩尔比为77:8:10:5加入到混合溶液中，并继续在90℃恒温下搅拌30min以得到溶胶凝胶液；随后，将溶胶凝胶液均匀涂覆于钛滤芯电极上，于120℃烘箱中干燥10min，再置于马弗炉中，在450℃条件下锻烧10min。刷涂、干燥和热处理操作重复15次。最后，将钛滤芯电极置于500℃马弗炉环境中氧化烧结60min，得到表面烧结有多元素掺杂的金属氧化物(RuO2‑IrO2‑SnO2‑Sb2O5)的钛滤芯电极。

[0055] 实施例2

[0056] 基于实施例1的装置，本实施例提供一种用于芬顿反应(Fenton reaction)的电化学系统。

[0057] 如图3所示，一种用于芬顿反应(Fenton reaction)的电化学系统，包括电化学装置和芬顿反应单元，电化学装置参考实施例1。具体的在电解过程中，从阳极2‑2的抽水口2‑21或阴极2‑3的阴极出水口2‑31处抽取酸液或碱液以调节芬顿反应的pH值。

[0058] 一种用于芬顿反应(Fenton reaction)的pH调节方法，使用上述的系统，具体的：

[0059] 待处理的原水一部分进入芬顿反应单元，一部分进入电化学装置，通过抽取阳极+ ‑2‑2或者阴极2‑3中电解原水产生的浓缩H、OH 溶液，可以抑制阴阳极电解所产生酸碱的混合，实现酸碱分离的效果；同时可将产生的酸液引入芬顿反应单元，维持芬顿反应所需的低pH氛围，芬顿反应结束后可将抽取阴极2‑3内的碱液引入芬顿反应单元，从而实现对芬顿反应过程中pH的调控。

[0060] 本实施例的装置针对芬顿反应设计。其中的电化学装置无需内置离子交换膜即可实现酸碱分离的效果，减缓了电极产生的酸碱混合，提升了电流效率，实现资源的充分利用。通过将抽取的酸液或碱液引入Fenton反应单元即可完成对Fenton反应中不同阶段pH的调控，避免了投加药剂造成的二次污染及药剂存放和运输中存在的潜在风险。

[0061] 使用例1

[0062] 配制1.42g/L的Na2SO4溶液作为模拟料液。

[0063] 电解槽2‑21内使用四个孔隙度34‑45％、过滤精度1μm的钛滤芯电极(直径20mm，高100mm，表面烧结有RuO2‑IrO2‑SnO2‑Sb2O5涂层)，正方形排布，电极间距为1.5cm，其中两个作为阳极，两个作为阴极，对角放置(如图2中的虚线方框内的放置方式)。

[0064] 待处理水体通过进水口2‑11输入电解槽2‑1内进行电解，电解槽有效容积为1L，进水流速100mL/min，水力停留时间10min，电解后的水体从阳极2‑2的抽水口2‑21抽取电解产生的酸性水体，抽水流速50mL/min，同时，从阴极2‑3的阴极出水口2‑31抽取电解产生的碱2 2
性水体，抽水流速50mL/min，此时电解单元施加电流密度分别为5mA/cm、10mA/cm 、20mA/
2 2 2 2
cm、30mA/cm、40mA/cm、50mA/cm。抽取液pH与电流密度的关系图，结果如图5所示。

[0065] 使用例2

[0066] 配制1.42g/L的Na2SO4溶液作为模拟料液。

[0067] 电解槽内使用四个孔隙度34‑45％、过滤精度1μm的钛滤芯电极(直径20mm，高100mm，表面烧结有RuO2‑IrO2‑SnO2‑Sb2O5涂层)，正方形排布，电极间距为1.5cm，其中两个作为阳极，两个作为阴极，对角放置(如图2中的虚线方框内的放置方式)。

[0068] 待处理水体通过进水口2‑11输入电解槽2‑1内进行电解，电解槽有效容积为1L，电2
流密度使用20mA/cm ，电解后的水体从阳极2‑2的抽水口2‑21抽取电解产生的酸性水体，从阴极2‑3的阴极出水口2‑31抽取电解产生的碱性水体，此时抽取酸性水体和抽取碱性水体的流速相当，进水流速为二者之和。此时电解单元抽取酸性水体或碱性水体流速分别为
10mL/min、30mL/min、50mL/min、80mL/min、100mL/min，水力停留时间分别对应50min、
17min、10min、6min、5min。抽取液pH与抽取酸性水体或碱性水体流速的关系图，结果如图6所示。

[0069] 实施例3

[0070] 基于实施例1的装置，如图4所示，本实施例提供一种用于处理RO浓缩液的电化学系统，包括实施例1的电化学装置，还包括调节单元。所述调节单元用于混合阳极抽取的酸液和阴极抽取的碱液，均衡水质。

[0071] 电解时通过从阳极2‑2的抽水口2‑21或阴极2‑3的阴极出水口2‑31处抽取酸液或碱液。在电解时，可以在电解到一定时间时进行倒极清垢，或者按照反应周期进行电化学倒极清垢，以恢复阴极2‑3的电极活性，清垢后脱落的沉淀垢通过清污口2‑13清除。

[0072] 基于上述的电化学系统，一种用于处理RO浓缩液的方法，具体的是在处理RO浓缩液时，电解时通过从阳极2‑2的抽水口2‑21或阴极2‑3的阴极出水口2‑31处抽取酸液或碱液，在阳极2‑2实现有机物的氧化降解，在阴极2‑3实现水体硬度的去除。水在阴极表面电解‑ ‑ 2‑产生OH ，营造局域高碱性环境，HCO3能够转化为CO3 形式，促进难溶CaCO3的形成，在抽取碱液的同时阴极还可以发挥微滤功能，实现了CaCO3结晶产物与水体的高效分离。

[0073] 本实施例的系统针对高硬度、高碱度、难生化处理的RO浓缩液设计。

[0074] 使用例1

[0075] 用无水氯化钙、碳酸氢钠、苯酚、无水硫酸钠配制模拟料液，其中含有Ca2+浓度2+
300mg/L，Ca 与HCO3‑摩尔比为1:1.5，苯酚浓度50mg/L。

[0076] 电解槽2‑1内使用四个孔隙度34‑45％、过滤精度1μm的钛滤芯电极(直径20mm，高100mm，表面烧结有RuO2‑IrO2‑SnO2‑Sb2O5涂层)，正方形排布，电极间距为1.5cm，其中两个作为阳极，两个作为阴极，对角放置(如图2中的虚线方框内的放置方式)。

[0077] 待处理水体通过进水口2‑11输入电解槽2‑1内进行电解，电解槽有效容积为1L，进水流速20mL/min，水力停留时间50min，电解后的水体从阳极2‑2的抽水口2‑21抽取电解产生的酸性水体，抽水流速10mL/min，同时，从阴极2‑3的阴极出水口2‑31抽取电解产生的碱2 2
性水体，抽水流速10mL/min，此时电解单元施加电流密度分别为10mA/cm、20mA/cm、30mA/
2 2 2 2+
cm、40mA/cm、50mA/cm。阳极抽取液COD去除率、阴极抽取液Ca 去除率与电流密度的关系图，结果如图7所示。

[0078] 使用例2

[0079] 用无水氯化钙、碳酸氢钠、苯酚、无水硫酸钠配制含有Ca2+浓度300mg/L，Ca2+与‑HCO3摩尔比为1:1.5，苯酚浓度50mg/L模拟料液。

[0080] 电解槽2‑1内使用四个孔隙度34‑45％、过滤精度1μm的钛滤芯电极(直径20mm，高100mm，表面烧结有RuO2‑IrO2‑SnO2‑Sb2O5涂层)，正方形排布，电极间距为1.5cm，其中两个作为阳极，两个作为阴极，对角放置(如图2中的虚线方框内的放置方式)。

[0081] 待处理水体通过进水口2‑11输入电解槽2‑1内进行电解，电解槽有效容积为1L，电2
流密度使用30mA/cm ，电解后的水体从阳极2‑2的抽水口2‑21抽取电解产生的酸性水体，从阴极2‑3的阴极出水口2‑31抽取电解产生的碱性水体，此时抽取酸性水体和抽取碱性水体的流速相当，进水流速为二者之和。此时电解单元抽取酸性水体或碱性水体流速分别为
5mL/min、10mL/min、15mL/min、20mL/min、25mL/min，水力停留时间分别对应100min、50min、
2+
33min、25min、20min。阳极抽取液COD去除率、阴极抽取液Ca 去除率与流速的关系图，结果如图8所示。

[0082] 使用例3

[0083] 用无水氯化钙、碳酸氢钠、苯酚、无水硫酸钠配制含有Ca2+浓度300mg/L，Ca2+与‑HCO3摩尔比为1:1.5，苯酚浓度50mg/L模拟料液。

[0084] 电解槽2‑1内使用四个孔隙度34‑45％、过滤精度1μm的钛滤芯电极(直径20mm，高100mm，表面烧结有RuO2‑IrO2‑SnO2‑Sb2O5涂层)，正方形排布，电极间距为1.5cm，其中两个作为阳极，两个作为阴极，对角放置(如图2中的虚线方框内的放置方式)。

[0085] 待处理水体通过进水口2‑11输入电解槽2‑1内进行电解，电解槽有效容积为1L，进水流速20mL/min，水力停留时间50min，电解后的水体从阳极2‑2的抽水口2‑21抽取电解产生的酸性水体，抽水流速10mL/min，同时，从阴极2‑3的阴极出水口2‑31抽取电解产生的碱2
性水体，抽水流速10mL/min，此时电解单元施加电流密度分别为30mA/cm ，阳极抽取液COD
2+
去除率、阴极抽取液Ca 去除率与时间的关系图，结果如图9所示。

[0086] 使用例4

[0087] 用无水氯化钙、碳酸氢钠、苯酚、无水硫酸钠配制含有Ca2+浓度300mg/L，Ca2+与‑HCO3摩尔比为1:1.5，苯酚浓度50mg/L模拟料液。

[0088] 电解槽内使用四个孔隙度34‑45％、过滤精度1μm的钛滤芯电极(直径20mm，高100mm，表面烧结有RuO2‑IrO2‑SnO2‑Sb2O5涂层)，正方形排布，电极间距为1.5cm，其中两个作为阳极，两个作为阴极，对角放置(如图2中的虚线方框内的放置方式)。

[0089] 待处理水体通过进水口2‑11输入电解槽2‑1内进行电解，电解槽有效容积为1L，进水流速20mL/min，水力停留时间50min，电解后的水体从阳极2‑2的抽水口2‑21抽取电解产生的酸性水体，抽水流速10mL/min，同时，从阴极2‑3的阴极出水口2‑31抽取电解产生的碱2
性水体，抽水流速10mL/min，此时电解单元施加电流密度分别为30mA/cm，每次倒极的时间
2+
间隔为30min条件下进行实验，阳极抽取液COD去除率、阴极抽取液Ca 去除率与时间的关系图，结果如图10所示。

[0090] 以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简介修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。