污水處理裝置及污水處理方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種污水處理裝置，包括：一超聲單元，該超聲單元具有一反應(yīng)室；一污水容器，該污水容器設(shè)置于所述反應(yīng)室內(nèi)；一臭氧輸送單元，該臭氧輸送單元用于向所述污水容器中輸送臭氧；以及一電化學(xué)催化單元，該電化學(xué)催化單元包括一陽極和一陰極，該陽極和陰極設(shè)置于所述污水容器中，所述陽極的表面涂覆一納米涂層。本發(fā)明還涉及一種污水處理方法，該污水處理方法采用上述污水處理裝置對污水進行處理。
【專利說明】
污水處理裝置及污水處理方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種污水處理裝置及污水處理方法，尤其涉及一種超聲/臭氧復(fù)合電 化學(xué)處理污水的裝置，以及使用該裝置處理污水的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 難生物降解有機污水中污染物主要是自然界原本不存在的有機化合物，不易被微 生物降解，排放到水體等自然環(huán)境后也不易通過天然的生物自凈作用而逐漸減少其含量， 它們會在水體、土壤等自然介質(zhì)中不斷積累，然后通過食物鏈進入生物體并逐漸富集，最后 進入人體，危害人體健康。
[0003] 高級氧化工藝(AOPs)處理技術(shù)因其能產(chǎn)生氧化能力極強的羥基自由基，可有效分 解有毒難生物降解水中的有機污染物，具有操作條件易于控制的優(yōu)點，已成為針對此類污 水的主流處理技術(shù)。臭氧氧化法、超聲聲化法以及電化學(xué)法均為常用的高級氧化技術(shù)。然 而，當(dāng)臭氧氧化法、超聲聲化法或電化學(xué)法單獨處理此類污水時存在不可避免的劣勢。臭氧 氧化法選擇性強而導(dǎo)致降解不徹底;超聲聲化法氧化降解不徹底且能耗太大；電化學(xué)法反 應(yīng)速度比較慢，對高濃度污水的處理比較困難，降解不徹底。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 有鑒于此，確有必要提供一種污水處理裝置，該污水處理裝置可以克服以上缺點。
[0005] -種污水處理裝置，包括:一超聲單元，該超聲單元具有一反應(yīng)室;一污水容器，該 污水容器設(shè)置于所述反應(yīng)室內(nèi)；一臭氧輸送單元，該臭氧輸送單元用于向所述污水容器中 輸送臭氧；以及一電化學(xué)催化單元，該電化學(xué)催化單元包括一陽極和一陰極，該陽極和陰極 設(shè)置于所述污水容器中，所述陽極的表面涂覆一納米涂層。
[0006] -種采用上述污水處理裝置進行污水處理的方法，包括以下步驟:將待處理的污 水注入所述污水容器中；將所述電化學(xué)催化單元中的陽極與一電源的正極電連接，陰極與 該電源的負(fù)極電連接，打開電源開關(guān);使所述臭氧輸送單元向污水容器中輸送臭氧；以及打 開超聲單元的開關(guān)。
[0007] 與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明提供的污水處理裝置及方法包括一電化學(xué)催化單元， 該電化學(xué)催化單元的陽極表面涂覆一層納米涂層，由于納米顆粒具有更大的表面積和更高 的催化活性，能夠產(chǎn)生更多的羥基自由基，而且超聲單元可以使陽極表面的納米涂層產(chǎn)生 的羥基自由基快速的擴散到污水中，并與污水中有機污染物快速反應(yīng)，可以使污水中的有 機物降解的更徹底。
【附圖說明】
[0008] 圖1是本發(fā)明實施例提供的污水處理裝置的示意圖。
[0009] 圖2是本發(fā)明實施例提供的污水處理裝置中的電化學(xué)催化單元的陽極表面的納米 涂層的電子顯微鏡照片。
如下【具體實施方式】將結(jié)合上述附圖進一步說明本發(fā)明。
【具體實施方式】
[0011]下面將結(jié)合附圖及具體實施例，對本發(fā)明提供的污水處理裝置100作進一步的詳 細(xì)說明。
[0012]請參閱圖1，本發(fā)明提供的污水處理裝置100包括一臭氧輸送單元10,一電化學(xué)催 化單元20，一超聲單元30，以及一污水容器40。所述超聲單元30具有一反應(yīng)室31，該反應(yīng)室 31中裝有水，所述污水容器40設(shè)置于所述反應(yīng)室31內(nèi)，并且至少部分所述污水容器40浸入 到反應(yīng)室31的水中。所述電化學(xué)催化單元20設(shè)置于所述污水容器40中并與電源50電連接。 [0013]所述臭氧輸送單元10用于產(chǎn)生臭氧并將臭氧輸送到所述污水容器40中。所述臭氧 輸送單元10包括一氧氣凈化器11，一臭氧發(fā)生器12以及一臭氧監(jiān)測器13。所述氧氣凈化器 11用于凈化氧氣，凈化后的氧氣進入所述臭氧發(fā)生器12發(fā)生反應(yīng)生成臭氧，所述臭氧監(jiān)測 器13用于監(jiān)測臭氧的流量。優(yōu)選的，所述臭氧輸送單元10產(chǎn)生的臭氧濃度為10~20mg/L，臭 氧的流量為〇. 05~0.15L/min。
[0014] 所述電化學(xué)催化單元20包括一陽極21以及一陰極22。所述陽極21與電源50的正極 電連接，所述陰極22與電源50的負(fù)極電連接。所述陽極21的表面涂覆一納米涂層，優(yōu)選的， 所述納米涂層為一納米氧化物涂層。更優(yōu)選的，所述納米涂層為一納米稀土氧化物涂層。由 于納米稀土氧化物具有更大的表面積和更高的催化活性，能夠產(chǎn)生更多的羥基自由基，可 以使污水中的有機物降解的更徹底。所述納米涂層的厚度優(yōu)選〇 · 5nm~IOnm0
[0015]本實施例中，所述陽極21的電極板為鈦板，所述陰極22的電極板為不銹鋼板。所述 陽極21的表面包括一納米稀土氧化物涂層，該納米稀土氧化物涂層為二氧化釕(Ru02)、二 氧化銥（IrO 2)、二氧化錫(SnO2)及二氧化鈦組成的多元納米稀土氧化物。圖2為本實施例納 米稀土氧化物涂層的表面結(jié)構(gòu)形態(tài)。從圖2可以看出，納米涂層表面光滑且具有更高的比表 面積。
[0016] 涂覆有納米稀土氧化物涂層的陽極的制作過程包括：制備包括稀土氧化物Ru〇2、 IrO2及SnO2納米顆粒的第一混合溶液;在所述第一混合溶液中加入鈦酸四丁酯制成一涂液； 將所述涂液涂刷到一鈦板上，并將該涂刷有涂液的鈦板在氧氣氛圍內(nèi)120°C左右加熱約1小 時。
[0017] 所述涂液可以采用醇熱還原法或溶膠凝膠法制備。其中，采用醇熱還原法制備所 述涂液包括以下步驟:在金屬鹽RuCl3, IrCl3和SnCl3的乙醇溶液中加入溴化十六碳烷基三 甲銨(HTAB)，并在溫度120°C左右干燥約4h得到一固體;將所述固體用乙醇清洗后，在真空 下干燥約6h，得到納米金屬顆粒Ru，Ir和Sn;將所述金屬顆粒Ru，Ir和Sn溶入乙醇中形成一 懸濁液，在所述懸濁液中加入少量鈦酸四丁酯(C 16H36O4Ti)后，將所述懸濁液超聲約20min， 得到所述涂液。
[0018]所述納米稀土氧化物涂層并不限定于本實施例中的二氧化^!了 (Ru〇2)、二氧化銥 (Ir02)、二氧化錫(SnO2)及二氧化鈦構(gòu)成的多元納米稀土氧化物。所述陽極的電極板以及陰 極的電極板也并不限定于本實施例中鈦板和不銹鋼板，也可以根據(jù)實際需要選擇其它材料 作為陽極的電極板和陰極的電極板。
[0019] 所述超聲單元30進一步包括一超聲換能器32,該超聲換能器設(shè)置于所述超聲單元 30的兩側(cè)。所述超聲單元30的頻率優(yōu)選40~50kHz。所述超聲單元30的功率優(yōu)選200~300W。
[0020] 所述超聲單元30可以將超聲波加到陽極21，使得陽極表面的納米涂層產(chǎn)生的羥基 自由基快速的擴散到污水中，并與污水中有機污染物快速反應(yīng)。即超聲單元30產(chǎn)生的超聲 波可以促進污水中有機污染物的傳質(zhì)過程。超聲單元30還可以將進入污水中的含臭氧的氣 體粉碎為直徑為0.2~0.3μπι的微氣泡，增大臭氧與污水的接觸面積，提高傳質(zhì)從而提高臭 氧利用率。超聲單元30也能夠強化臭氧的分解，促使空化泡中的臭氧未經(jīng)溶解擴散就可以 直接釋放〇(自由基，自由基隨空化泡的潰滅進入水體與有機污染物快速反應(yīng)，從而加快反 應(yīng)進程。超聲和電化學(xué)協(xié)同處理污水過程中，在超聲的作用下，污水中發(fā)生由臭氧和氧氣引 發(fā)的多種反應(yīng)，產(chǎn)生·__0._?·Ι、· H、ΗΟ：^·、出〇2等多種強氧化物質(zhì)參與污水處理過程，大大 加快水處理進程。當(dāng)污水中有氧氣或是氮氣時，超聲可以將污水中的氧氣或氮氣通過超聲 空化產(chǎn)生自由基0·或，超聲空化產(chǎn)生的沖擊波和射流能夠使Ο·、N f、ΗΟ·等自由 基快速進入污水中與有機物反應(yīng)，從而提高污水處理效率。另外，超聲還能增加電極表面納 米涂層的催化活性并清潔電極表面，大大提高污水處理效率。
[0021] 所述污水容器40用于盛放待處理污水以及電化學(xué)催化單元20。本實施例中，所述 污水容器40的材料為有機玻璃。
[0022] 所述電源50優(yōu)選為直流可控電源，所述陽極21和陰極22的間距以及陽極21和陰極 22之間的電壓可以根據(jù)需要控制，優(yōu)選的，所述陽極21和陰極22的間距為卜5cm;所述陽極 21和陰極22之間的電壓為1~15V。
[0023]所述污水處理裝置100進一步包括一臭氧擴散單元60,該臭氧擴散單元60設(shè)置于 所述污水容器40的內(nèi)部，用于使臭氧在污水容器40中快速分散均勻。本實施例中，所述臭氧 擴散單元60為一曝氣砂板。
[0024] 所述污水處理裝置100進一步包括一尾氣處理單元70,用于處理污水中的有機物 分解過程中產(chǎn)生的廢氣，進而保護環(huán)境。該尾氣處理單元70可進一步包括一臭氧監(jiān)測器13， 用于監(jiān)測未發(fā)生分解的臭氧的量。
[0025] 實施例一 使用厭氧-好氧生物處理工藝處理后的無法再進一步生物降解的制藥廢水，水質(zhì)指標(biāo) 為:〇?為3501^/1，1'0(：為2001^/1及?!1為5.6，使用所述污水處理裝置100處理所述制藥廢水 的操作條件為：電流密度為300mA，超聲頻率為45kHz，超聲功率為250 W;臭氧的流量為 0. lL/min。在該操作條件下所述制藥廢水COD去除率為99%。
[0026] 實施例二 苯酚模擬廢水，水質(zhì)指標(biāo)為:C0D為400mg/L，pH為4,極間距為lcm，所述污水處理裝置 100處理所述苯酚模擬廢水的操作條件為：電流密度為300mA，超聲頻率為45kHz，超聲功率 為200W。在該操作條件下所述COD去除率為98%。
[0027] 本發(fā)明還提供一種采用上述污水處理裝置100進行污水處理的方法，包括以下步 驟： Sl:將待處理的污水注入所述污水容器40中； S2:將所述電化學(xué)催化單元20中的陽極21與電源50的正極電連接，陰極22與電源50的 負(fù)極電連接，打開電源開關(guān)； S3:使所述臭氧輸送單元10向污水容器40中輸送臭氧；以及 S4:打開超聲單元30的開關(guān)。
[0028] 可以理解，步驟S2到步驟S4的順序可以相互調(diào)換。
[0029]步驟S2中，所述陽極21的表面涂覆一納米涂層，優(yōu)選的，所述納米涂層為一納米氧 化物涂層。更優(yōu)選的，所述納米涂層為一納米稀土氧化物涂層。由于納米稀土氧化物具有更 大的表面積和更高的催化活性，能夠產(chǎn)生更多的羥基自由基，可以使污水中的有機物降解 的更徹底。所述納米涂層的厚度優(yōu)選〇 · 5nm~I Onm 〇
[0030]步驟S3中，所述臭氧輸送單元10產(chǎn)生的臭氧的濃度優(yōu)選10~20mg/L，所述臭氧輸送 單元10向污水容器40中輸送臭氧的流量優(yōu)選0.05~0.15L/min。
[0031 ] 步驟S4中，所述超聲單元30的頻率優(yōu)選40~50kHz，所述超聲單元30的功率優(yōu)選 200~300W。
[0032]本發(fā)明實施例提供的污水處理裝置和污水處理方法，由于電化學(xué)催化氧化法、臭 氧氧化法和超聲氧化法均是通過電能產(chǎn)生強氧化性能的物質(zhì)來處理廢水，具有環(huán)境兼容性 好，可操作性能強等優(yōu)點，將以上高級氧化廢水處理技術(shù)相結(jié)合，可以更好地發(fā)揮其協(xié)同效 應(yīng)，克服各自的缺陷，解決諸如臭氧在選擇性氧化、電化學(xué)在水電解電位窗口、以及超聲在 利用效率等方面的不足，大大加快自由基與有機物的反應(yīng)進程，有效提高廢水降解效率，徹 底降解有機物。本發(fā)明實施例提供的污水處理裝置中的陽極表面涂覆一層納米涂層，由于 納米顆粒具有更大的表面積和更高的催化活性，能夠產(chǎn)生更多的羥基自由基，而且超聲單 元可以使陽極表面的納米涂層產(chǎn)生的羥基自由基快速的擴散到污水中，并與污水中有機污 染物快速反應(yīng)，可以使污水中的有機物降解的更徹底。
[0033]另外，本領(lǐng)域技術(shù)人員還可以在本發(fā)明精神內(nèi)做其它變化，這些依據(jù)本發(fā)明精神 所做的變化，都應(yīng)包含在本發(fā)明所要求保護的范圍內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種污水處理裝置，包括： 一超聲單元，該超聲單元具有一反應(yīng)室； 一污水容器，該污水容器設(shè)置于所述反應(yīng)室內(nèi)； 一臭氧輸送單元，該臭氧輸送單元用于向所述污水容器中輸送臭氧；以及 一電化學(xué)催化單元，該電化學(xué)催化單元包括一陽極和一陰極，該陽極和陰極設(shè)置于所 述污水容器中，所述陽極的表面涂覆一納米涂層。2. 如權(quán)利要求1所述的污水處理裝置，其特征在于，所述納米氧化物涂層為一納米稀土 氧化物涂層。3. 如權(quán)利要求2所述的污水處理裝置，其特征在于，所述納米稀土氧化物涂層為一由二 氧化釕、二氧化銥、二氧化錫及二氧化鈦組成的多元納米稀土氧化物涂層。4. 如權(quán)利要求1所述的污水處理裝置，其特征在于，所述納米涂層的厚度為0.5nm~ 10nm〇5. 如權(quán)利要求1所述的污水處理裝置，其特征在于，進一步包括一臭氧擴散單元，該臭 氧擴散單元設(shè)置于所述污水容器的內(nèi)部，用于使臭氧在污水容器中分散均勻。6. 如權(quán)利要求1所述的污水處理裝置，其特征在于，所述陽極和陰極的間距為1~5cm。7. 如權(quán)利要求1所述的污水處理裝置，其特征在于，所述臭氧輸送單元包括一氧氣凈化 器，一臭氧發(fā)生器以及一臭氧監(jiān)測器;所述氧氣凈化器用于凈化氧氣，凈化后的氧氣進入所 述臭氧發(fā)生器發(fā)生反應(yīng)生成臭氧，所述臭氧監(jiān)測器用于監(jiān)測臭氧的流量。8. -種采用如權(quán)利要求1-7中所述的任意一種污水處理裝置進行污水處理的方法，包 括以下步驟： 將所述電化學(xué)催化單元中的陽極與一電源的正極電連接，陰極與該電源的負(fù)極電連 接，打開電源開關(guān)； 使所述臭氧輸送單元向污水容器中輸送臭氧； 打開超聲單元的開關(guān)；以及 將待處理的污水注入所述污水容器中。9. 如權(quán)利要求8所述的污水處理的方法，其特征在于，所述臭氧輸送單元向污水容器中 輸送臭氧的流量為0.05 L/min~0.15L/min。10. 如權(quán)利要求8所述的污水處理的方法，其特征在于，所述超聲單元的頻率為40 kHz ~50kHz。
【文檔編號】C02F1/46GK106006849SQ201610535185
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月8日
【發(fā)明人】左劍惡, 楊波, 余忻, 張蒙雨
【申請人】清華大學(xué)