含有機(jī)污染物廢水的處理裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種含有機(jī)污染物廢水的處理裝置，所述裝置包括儲液槽、循環(huán)流動泵、前吸附池、光電化學(xué)池、光催化池和后吸附池；所述前吸附池和后吸附池內(nèi)均置吸附材料；所述光電化學(xué)池內(nèi)設(shè)有陰極和陽極，在陰極和陽極之間的正上方設(shè)置有第一光源；所述光催化池內(nèi)置負(fù)載光催化劑的多孔材料，其正上方設(shè)有第二光源；所述儲液槽、循環(huán)流動泵、前吸附池、光電化學(xué)池、光催化池和后吸附池通過管路依次連接。該廢水處理裝置，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室含有機(jī)污染物廢水的無害化處理，通過加入電解質(zhì)，結(jié)合粗過濾、高級氧化、光催化以及細(xì)過濾處理，借助能量的有效轉(zhuǎn)換，以低能耗最終實(shí)現(xiàn)高濃度廢水的凈化處理。
【專利說明】含有機(jī)污染物廢水的處理裝置及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及廢水處理領(lǐng)域，尤其涉及實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)生的廢水處理裝置及方法。

【背景技術(shù)】
[0002]全國有數(shù)家高校和科研院所，在教學(xué)和科研過程中會產(chǎn)生許多廢液。廢液存在較分散、數(shù)量少、毒性大，難集中處理的特點(diǎn)，經(jīng)常未經(jīng)處理直接排入下水道，對環(huán)境和人體健康造成嚴(yán)重危害。因此設(shè)計(jì)制造實(shí)驗(yàn)室高危廢水處理裝置，對實(shí)驗(yàn)室分散廢液進(jìn)行及時快速的處理勢在必行。常規(guī)實(shí)驗(yàn)室有機(jī)廢水常規(guī)處理技術(shù)主要包括生物法和物化法。對有機(jī)物濃度高、毒性強(qiáng)、水質(zhì)水量不穩(wěn)定的實(shí)驗(yàn)室廢水，生物法處理效果不佳，而物化主要包括實(shí)驗(yàn)藥品回收、對實(shí)驗(yàn)室廢棄物進(jìn)行分類處理及回收循環(huán)再利用，雖然對降低有機(jī)物濃度有一定效果，但操作復(fù)雜。電化學(xué)氧化降解有機(jī)物操作簡單，但需加電壓較高，產(chǎn)生羥基自由基同時也發(fā)生產(chǎn)氧的副反應(yīng)，電化學(xué)效率較低，能耗大。
[0003]高級化學(xué)氧化技術(shù)對于去除的各種有毒和難降解的有機(jī)和無機(jī)污染物比較有效，甚至達(dá)到完全礦化的程度。將高級氧化技術(shù)應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室廢水處理，利用產(chǎn)生的自由基對有機(jī)物進(jìn)行氧化分解，反應(yīng)物選擇性，能實(shí)現(xiàn)廢水的凈化處理。根據(jù)專利文件馮傳平CN101863548A公開說明書，將電化學(xué)組件與光催化組件設(shè)置于同一反應(yīng)器內(nèi)，協(xié)同去除水中的有機(jī)物。實(shí)驗(yàn)中主要依靠水產(chǎn)生羥基自由基實(shí)現(xiàn)有機(jī)物的礦化，主要用于降解總有機(jī)碳含量為5?35mg/L的微污染水體,而對于處理高濃度廢水效果不佳。
[0004]根據(jù)專利范維林CN102010092A公開說明書的目的是提供一種實(shí)驗(yàn)室廢水處理方式，采用粗過濾層和細(xì)過濾層兩次過濾后，再經(jīng)過紫外殺菌消毒和中和劑中和平衡后達(dá)到安全排放。但不足之處是吸附層存在飽和吸附，需要針對不同組分投放不同的消毒劑、解毒齊U、清潔劑等，實(shí)際操作時繁瑣，添加的各種試劑可能造成二次污染。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種含有機(jī)污染物廢水的處理裝置，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室有毒廢水的無害化處理，通過加入電解質(zhì)，結(jié)合粗過濾、類Fenton高級氧化技術(shù)、光催化以及細(xì)過濾處理，借助能量的有效轉(zhuǎn)換，以低能耗最終實(shí)現(xiàn)高濃度廢水的凈化處理。
[0006]本發(fā)明采用的技術(shù)方案是提供一種廢水處理裝置，所述裝置包括儲液槽、循環(huán)流動泵、前吸附池、光電化學(xué)池、光催化池和后吸附池；所述前吸附池和后吸附池內(nèi)均置吸附材料；所述光電化學(xué)池內(nèi)設(shè)有陰極和陽極，在陰極和陽極之間的正上方設(shè)置有第一光源；所述光催化池內(nèi)置負(fù)載光催化劑的多孔材料，其正上方設(shè)有第二光源；所述儲液槽、循環(huán)流動泵、前吸附池、光電化學(xué)池、光催化池和后吸附池通過管路依次連接。
[0007]優(yōu)選地，所述前吸附池、光電化學(xué)池、光催化池和后吸附池均設(shè)有進(jìn)水口和出水口 ；所述前吸附池的進(jìn)水口與循環(huán)流動泵連接，所述前吸附池的出水口與光電化學(xué)池的進(jìn)水口連接，所述光電化學(xué)池的出水口與光催化池的進(jìn)水口連接，所述光催化池的出水口與后吸附池的進(jìn)水口連接，所述后吸附池的出水口與儲液槽連接，儲液槽與循環(huán)流動泵連接。
[0008]優(yōu)選地，所述前吸附池的內(nèi)置吸附材料選自多孔陶瓷、活性碳纖維、石英砂濾料或卵石濾料。其中石英砂濾料是采用天然石英礦為原料，經(jīng)破碎，水洗精篩等加工而成，目前是水處理行業(yè)中使用最廣泛、量最大的凈水材料。卵石濾料是指水處理應(yīng)用中，起過濾作用的小鵝卵石(又叫礫石)。
[0009]優(yōu)選地，所述后吸附池的內(nèi)置吸附材料選自活性炭、泡沫濾珠或纖維球。
[0010]優(yōu)選地，所述光電化學(xué)池的陽極選自硼摻雜的金剛石電極(BDD)、二氧化鉛(PbO2)或二氧化銥(IrO2),所述陰極選自硼摻雜的金剛石電極(BDD)、鉬電極(Pt)、鈦板或不銹鋼，所述陽極和陰極之間的距離為1.5-3cm。
[0011]優(yōu)選地，所述負(fù)載光催化劑的多孔材料選自分子篩、玻璃微珠或泡沫金屬網(wǎng)，所述泡沫金屬網(wǎng)選自鎳網(wǎng)、銅網(wǎng)、鋁網(wǎng)或鐵網(wǎng)，所述光催化劑為T12。
[0012]優(yōu)選地，述負(fù)載光催化劑的多孔材料浸泡于T12溶膠中超聲半小時，去除溶膠，將浸有溶膠的多孔材料在100°c烘箱中烘干，再放入馬弗爐中200°C煅燒2小時，得到負(fù)載了T12的多孔材料。
[0013]優(yōu)選地，所述光源為紫外光源，所述紫外光源的波長為254nm或365nm。
[0014]本發(fā)明的廢水處理裝置外部連接供電池，所述供電池主要是給電極、光源、及循環(huán)流動泵供電。
[0015]本發(fā)明所要解決的第二個技術(shù)問題是提供廢水處理方法，該方法包括如下步驟:I)將待處理廢水與電解質(zhì)溶液混合；2)混合液倒入儲液罐中，由流動循環(huán)泵作用，依次流經(jīng)前吸附池、光電化學(xué)池、光催化池和后吸附池。
[0016]優(yōu)選地，步驟I)中所述電解質(zhì)溶液為含有硫酸根離子的溶液，所述硫酸根離子的濃度為 0.1-0.3mol/l。
[0017]本發(fā)明中所述含有機(jī)污染物的廢水在整個的裝置內(nèi)發(fā)生氧化反應(yīng)的時間及循環(huán)次數(shù)是根據(jù)處理水量不同、有機(jī)污染物濃度不同、降解物的不同而定的。在處理污染物之前先向整個裝置內(nèi)通入電解質(zhì)循環(huán)流動十幾分鐘，使處理裝置內(nèi)活性氧化物及自由基產(chǎn)生達(dá)到平衡，處理樣品量較多(>300ml)時，根據(jù)待處理廢水的體積不同加入相應(yīng)的電解質(zhì)溶液，將含有電解質(zhì)的待處理樣品流過廢水處理裝置，循環(huán)多次反復(fù)降解。處理樣品量較少(5ml-200ml)時，可以將待處理廢液加入電解質(zhì)溶液中，反應(yīng)裝置循環(huán)流動數(shù)分鐘。處理完樣品后加入不含有機(jī)污染物的電解質(zhì)溶液，并循環(huán)流動十幾分鐘，對吸附池進(jìn)行凈化。
[0018]本裝置對高毒性有機(jī)污染物采用四級處理池，前吸附池主要對廢水進(jìn)行粗過濾處理，去除廢水中顆粒狀雜質(zhì)，并保護(hù)下一級電極免受損傷。第二級光電化學(xué)池是本裝置的核心部件，利用電與光協(xié)同作用將電解質(zhì)轉(zhuǎn)化成強(qiáng)氧化劑，再進(jìn)一步分解成自由基，利用自由基有效氧化降解水中污染物，反應(yīng)后自由基還原成電解質(zhì)，實(shí)現(xiàn)電解質(zhì)的循環(huán)利用。光催化池在紫外光的照射下利用光催化劑T12產(chǎn)生光生電子和空穴，捕獲由光電化學(xué)池部分產(chǎn)生并流至此單元的O2產(chǎn)生氧自由基和羥基自由基，與由光電化學(xué)池部分產(chǎn)生并流至此單元的強(qiáng)氧化劑作用進(jìn)一步產(chǎn)生自由基，氧化分解有機(jī)物，自由基的產(chǎn)生及消耗流程圖如圖10所示。光電化學(xué)池作為自由基泵，光催化池作為輔助的自由基產(chǎn)生池，整個廢水處理裝置作為化學(xué)焚燒池，在均相體系中實(shí)現(xiàn)有機(jī)物的礦化。此裝置中的電解質(zhì)可以循環(huán)使用，無需額外加入其它化學(xué)試劑，整個體系不斷地產(chǎn)生自由基氧化分解有機(jī)物，吸附池可通過強(qiáng)氧化劑對吸附污染氧化降解，無需對吸附池單獨(dú)凈化處理，只需處理廢水前和處理廢水后循環(huán)流動電解質(zhì)溶液十幾分鐘，實(shí)現(xiàn)廢水處理裝置的預(yù)熱和凈化。
[0019]本發(fā)明的效果是:
[0020](I)運(yùn)用光催化與電化學(xué)的協(xié)同降解效應(yīng)，電化學(xué)氧化實(shí)現(xiàn)電能向化學(xué)能的轉(zhuǎn)換，光催化作用實(shí)現(xiàn)化學(xué)能間的相互轉(zhuǎn)換。反應(yīng)過程中電解質(zhì)溶液被氧化產(chǎn)生強(qiáng)氧化劑，紫外光的照射將強(qiáng)氧化劑分解產(chǎn)生自由基?？朔朔磻?yīng)只在電極表面發(fā)生的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)在均相溶液中進(jìn)行，有利于有機(jī)物礦化。
[0021](2)光電化學(xué)池與光催化聯(lián)用，可以進(jìn)一步利用光電化學(xué)池中產(chǎn)生的強(qiáng)氧化劑和水在陽極表面發(fā)生副反應(yīng)產(chǎn)生的氧氣，強(qiáng)氧化劑進(jìn)一步分解產(chǎn)生自由基。氧氣作為光生電子捕獲劑，提高光催化部分光生電子和空穴的分離效率，提高光催化部分降解效率。
[0022](3)光電化學(xué)池連續(xù)不斷的產(chǎn)生強(qiáng)氧化劑，對吸附池在線凈化處理，吸附效果一直保持較好。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1本發(fā)明廢水處理裝置主視圖；
[0024]圖2本發(fā)明廢水處理裝置處理單元截面圖；
[0025]圖3本發(fā)明實(shí)施例1不同電壓及光強(qiáng)下活性氧化物含量；
[0026]圖4本發(fā)明實(shí)施例1不同電壓及光強(qiáng)下Orange II含量變化；
[0027]圖5本發(fā)明實(shí)施例1不同極間距下活性氧化物含量；
[0028]圖6本發(fā)明實(shí)施例1不同極間距下Orange II含量變化；
[0029]圖7本發(fā)明實(shí)施例1光催化、電化學(xué)及光電協(xié)同條件下Orange II含量變化；
[0030]圖8本發(fā)明實(shí)施例4苯酚在光電化學(xué)池內(nèi)降解效果圖；
[0031]圖9光電化學(xué)池及光催化反應(yīng)池內(nèi)自由基變化流程圖。
[0032]圖中:1是儲液槽，2是恒壓電源，3是循環(huán)流動泵，4是前吸附池，5是光電化學(xué)池，6是光催化池，7是后吸附池，8是陰極，9是陽極，12是第一光源，13是第二光源，41、51,61和71是進(jìn)水口，42、52、62和72是出水口。

【具體實(shí)施方式】
[0033]下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步加以說明。
[0034]實(shí)施例1
[0035]如圖所示，本發(fā)明的廢水處理裝置包括儲液槽1、循環(huán)流動泵3、前吸附池4、光電化學(xué)池5、光催化池6和后吸附池7 ;所述前吸附池4和后吸附池7內(nèi)均置吸附材料；所述光電化學(xué)池5內(nèi)設(shè)有陰極8和陽極9，在陰陽極之間的正上方設(shè)置有第一光源12 ;所述光催化池6內(nèi)置負(fù)載光催化劑的多孔材料，其正上方設(shè)有第二光源13 ;所述儲液槽1、循環(huán)流動泵
3、前吸附池4、光電化學(xué)池5、光催化池6和后吸附池7通過管路依次連接。
[0036]所述前吸附池4設(shè)有進(jìn)水口 41和出水口 42，光電化學(xué)池5設(shè)有進(jìn)水口 51和出水口 52，光催化池6設(shè)有進(jìn)水口 61和出水口 62，后吸附池7設(shè)有進(jìn)水口 71和出水口 72 ;所述前吸附池4的進(jìn)水口 41與循環(huán)流動泵連接，所述前吸附池4的出水口 42與光電化學(xué)池5的進(jìn)水口 51連接，所述光電化學(xué)池5的出水口 52與光催化池6的進(jìn)水口 61連接，所述光催化池6的出水口 62與后吸附池7的進(jìn)水口 71連接，所述后吸附池7的出水口 72與儲液槽I連接，儲液槽I與循環(huán)流動泵3連接。所述連接管道是內(nèi)徑5mm的硅膠管。
[0037]廢水處理裝置外部連接恒壓電源2，所述恒壓電源2主要是給電極8和9、光源12和13、及循環(huán)流動泵3供電，置于廢水處理裝置的上部分同時防水。
[0038]應(yīng)用本發(fā)明的裝置進(jìn)行廢水處理的方法:
[0039]選擇優(yōu)化參數(shù):通過基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)對光電化學(xué)池內(nèi)部參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)光電化學(xué)池，使產(chǎn)生的活性物質(zhì)的量達(dá)到最大，優(yōu)化參數(shù)主要包括優(yōu)化電壓、光強(qiáng)、極間距。
[0040]實(shí)施例2
[0041]實(shí)驗(yàn)中以0.2M Na2SO4作為電解質(zhì)，Ag/AgCl為參比電極，恒電位儀提供恒電壓，BDD和Pt分別作為陰陽極，電極面積5cm2,固定極間距2.5cm,測定一定電壓和光強(qiáng)下加入硫酸鈉電解質(zhì)反應(yīng)40min時產(chǎn)生的Na2S2O8活性物質(zhì)的量，如圖4。再在同樣條件下測定對Orange II的降解效果,如圖5。選定效果最好的條件電壓4V和在最大光強(qiáng)的40%,改變極間距,測定硫酸鈉電解質(zhì)產(chǎn)生的Na2S2O8活性物質(zhì)的量，如圖6，同樣條件下測定對OrangeII的降解效果，如圖7，得出最佳極間距2.5cm。實(shí)驗(yàn)中Na2S2O8及Orange II的量用反相高效液相色譜測定，上圖均采用峰面積作圖。選定最優(yōu)電壓、光強(qiáng)、極間距，對比光催化、電化學(xué)及光電協(xié)同降解效果，如圖8。實(shí)驗(yàn)得出光電協(xié)同有利于污染物的降解，光可以到達(dá)的有效范圍內(nèi)，活性氧化物的量越多對污染物的降解效果越好。
[0042]實(shí)施例3
[0043]在前吸附池4內(nèi)裝入多孔陶瓷，光電化學(xué)池5內(nèi)裝入BDD陰陽極電極片及2根254nm紫外燈，光催化池6內(nèi)填充負(fù)載T12的分子篩及2根254nm紫外燈，后吸附池7內(nèi)裝有顆粒狀活性炭，填滿反應(yīng)池。
[0044]利用所述裝置,對含50ppm的Orange II染料廢水IL進(jìn)行降解處理。支持電解質(zhì)為0.2mol/L Na2SO4溶液，恒電壓12V條件下，先通入電解質(zhì)溶液15min進(jìn)行預(yù)熱處理，再通入含0.2mol/L Na2SO4電解質(zhì)溶液的50ppm Orange II染料廢水,循環(huán)流動一次脫色率可達(dá)到92.3%，兩次脫色率可以達(dá)到100%。
[0045]實(shí)施例4
[0046]利用實(shí)施例3所述裝置,對苯酹濃度為400mg/L的廢水IL進(jìn)行降解處理。支持電解質(zhì)為0.2mol/L Na2SO4溶液，恒電壓12V條件下，先通入電解質(zhì)溶液15min進(jìn)行預(yù)熱處理，再通入含0.2mol/L Na2SO4電解質(zhì)溶液的400mg/L苯酚廢水，降解效果隨循環(huán)流動次數(shù)如圖
9所示。經(jīng)過十次降解之后濃度降到0.0519mg/L。
【權(quán)利要求】
1.一種含有機(jī)污染物廢水的處理裝置，其特征在于:所述裝置包括儲液槽(I)、循環(huán)流動泵(3)、前吸附池(4)、光電化學(xué)池(5)、光催化池(6)和后吸附池(7);所述前吸附池(4)和后吸附池(7)內(nèi)均置吸附材料；所述光電化學(xué)池(5)內(nèi)設(shè)有陰極⑶和陽極(9)，在陰極(8)和陽極(9)之間的正上方設(shè)置有第一光源(12);所述光催化池￠)內(nèi)置負(fù)載光催化劑的多孔材料，其正上方設(shè)有第二光源(13);所述儲液槽(I)、循環(huán)流動泵(3)、前吸附池(4)、光電化學(xué)池(5)、光催化池(6)和后吸附池(7)通過管路依次連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的處理裝置，其特征在于:所述前吸附池(4)、光電化學(xué)池(5)、光催化池(6)和后吸附池(7)均設(shè)有進(jìn)水口和出水口 ；所述前吸附池(4)的進(jìn)水口(41)與循環(huán)流動泵⑶連接，所述前吸附池⑷的出水口(42)與光電化學(xué)池(5)的進(jìn)水口(51)連接，所述光電化學(xué)池(5)的出水口(52)與光催化池(6)的進(jìn)水口 ￠1)連接，所述光催化池(6)的出水口(62)與后吸附池(7)的進(jìn)水口(71)連接，所述后吸附池(7)的出水口(72)與儲液槽(I)連接，儲液槽(I)與循環(huán)流動泵(3)連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的處理裝置，其特征在于:所述前吸附池的內(nèi)置吸附材料選自多孔陶瓷、活性碳纖維、石英砂濾料或卵石濾料。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的處理裝置，其特征在于:所述后吸附池的內(nèi)置吸附材料選自活性炭、泡沫濾珠或纖維球。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的處理裝置，其特征在于:所述光電化學(xué)池的陽極選自硼摻雜的金剛石電極(BDD)、二氧化鉛(PbO2)或二氧化銥(IrO2),所述陰極選自硼摻雜的金剛石電極(BDD)、鉬電極(Pt)、鈦板或不銹鋼，所述陽極和陰極之間的距離為1.5-3cm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的處理裝置，其特征在于:所述負(fù)載光催化劑的多孔材料選自分子篩、玻璃微珠或泡沫金屬網(wǎng)，所述泡沫金屬網(wǎng)選自鎳網(wǎng)、銅網(wǎng)、鋁網(wǎng)或鐵網(wǎng)，所述光催化劑為Ti02。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的處理裝置，其特征在于:將分子篩、玻璃微珠或泡沫金屬網(wǎng)浸泡于T12溶膠中超聲>半小時，去除溶膠，將浸有溶膠的分子篩、玻璃微珠或泡沫金屬網(wǎng)在100°C烘箱中烘干，再放入馬弗爐中200°C煅燒2小時，得到負(fù)載了 T12的多孔材料。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7任一項(xiàng)所述的處理裝置，其特征在于:所述第一光源和第二光源均為紫外光源，所述紫外光源的波長為254nm或365nm。
9.使用權(quán)利要求1-8所述裝置處理含有機(jī)污染物廢水的方法，其特征在于包括如下步驟: 1)將待處理廢水與電解質(zhì)溶液混合； 2)混合液倒入儲液罐中，由流動循環(huán)泵作用，依次流經(jīng)前吸附池、光電化學(xué)池、光催化池和后吸附池。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于:步驟I)中所述電解質(zhì)溶液為含有硫酸根離子的溶液，所述硫酸根離子或氯離子的濃度為0.1-0.3mol/l。
【文檔編號】C02F9/08GK104230067SQ201310228719
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2013年6月8日 優(yōu)先權(quán)日:2013年6月8日
【發(fā)明者】只金芳, 韓現(xiàn)英, 吳良專, 余愿 申請人:中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所