本發(fā)明涉及一種三維扇形轉盤式電Fenton反應器及其生產方法與應用，屬于污水處理的技術領域。

背景技術：

電Fenton作為一種環(huán)境友好型高級氧化技術，可以高效的處理難生物降解有機污染物。雖然電Fenton被認為是一種有前途的環(huán)境修復技術，但它在應用中仍遇到了一些困難。例如氧氣的利用效率低(往往小于0.1％)，攪拌和曝氣需要消耗過多能源等。氣體擴散電極是改善氧氣傳輸效率的一種常用裝置，雖然氣體擴散電極有優(yōu)異的H₂O₂生成能力，但是長期運行穩(wěn)定性不佳。因此，它是開發(fā)一種性能高效，運行經濟的反應器至關重要。

中國專利CN201410239633.8U公開了一種轉盤式電Fenton反應器及其應用，包括電解反應池、石墨轉盤電極、普通石墨電極、飽和甘汞參比電極、直流電機、轉動軸、導電圓環(huán)、聯(lián)軸器和隔板，直流電機通過聯(lián)軸器與轉動軸連接，轉動軸通過導電圓環(huán)與外部電源連接，轉動軸與石墨轉盤電極固定連接，通過石墨轉盤電極在中空容器內的機械轉動進行充氧曝氣生成過氧化氫，過氧化氫再與反應液中的Fe²⁺同時作用對反應液進行降解。該裝置取消了傳統(tǒng)的曝氣裝置，使用機械方式進行充氧曝氣，節(jié)省了能源消耗，且該裝置結構簡單，使用方便，實驗使用效果良好，對四環(huán)素等有機物具有較高的去除率。該反應器的陰極為轉盤式電極，電極材料為石墨。該轉盤式電Fenton反應器的工作電極為平面規(guī)整圓盤工作電極，傳質過程不很理想，溶解氧的利用效率低。

技術實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明提供一種三維扇形轉盤式電Fenton反應器。

本發(fā)明還提供一種上述三維扇形轉盤式電Fenton反應器中三維扇形碳氈電極的生產方法。

本發(fā)明還提供一種利用上述三維扇形轉盤式電Fenton反應器降解廢水中四環(huán)素的方法。

本發(fā)明的技術方案為：

一種三維扇形轉盤式電Fenton反應器，包括電解反應池、三維扇形碳氈電極、陽電極、飽和甘汞參比電極、電機、轉動軸；所述電解反應池為一頂部開口的中空容器；陽電極和飽和甘汞參比電極固定設置在電解反應池內；轉動軸轉動設置在電解反應池內；轉動軸的一端與電機的驅動軸連接，另一端套接有導電滑環(huán)，轉動軸與導電滑環(huán)轉動連接；三維扇形碳氈電極與轉動軸垂直固定連接；陽電極、飽和甘汞參比電極和導電滑環(huán)與電化學工作站電連接。本裝置工作電極為三維扇形碳氈電極，在保證三維扇形碳氈電極最大導電效率的同時，提升了攪拌反應液的效率，增強了反應液中四環(huán)素以及溶解氧等物質在溶液中的傳質(傳質是由于物質濃度不均勻質量轉移，化學工業(yè)領域，應用氣-液系統(tǒng)，發(fā)生質量轉移過程)。三維扇形碳氈電極在本裝置中用作陰極電極；飽和甘汞參比電極用作參比電極；鉑片電極用作陽極電極。鉑片陽極、飽和甘汞參比電極和三維扇形碳氈電極三者構成傳統(tǒng)的三電極體系。

優(yōu)選的，所述三維扇形碳氈電極包括四個扇葉，相鄰扇葉的夾角為30°；扇葉偏離圓形電極所在平面30°。此設計的好處在于，便于溶液向三維扇形碳氈電極對側轉移，增強反應物在液相和氣相的傳質過程，提高溶解氧的利用效率，使2電子的氧還原反應更多地進行，進而提高H₂O₂產率。

進一步優(yōu)選的，所述三維扇形碳氈電極的半徑為50毫米，厚度為5毫米。此設計的好處在于，在成本相同的情況下，此規(guī)格的三維扇形碳氈電極工作效率最高。

優(yōu)選的，電機的驅動軸通過聯(lián)軸器與轉動軸連接；所述轉動軸水平設置。

優(yōu)選的，所述電解反應池為長方體結構，轉動軸貫通設置在電解反應池的左、右側壁上，轉動軸與電解反應池的左、右側壁轉動連接；導電滑環(huán)與電解反應池的外側壁固定連接。

進一步優(yōu)選的，電解反應池的規(guī)格為長10厘米，寬5厘米，高7厘米；三維扇形碳氈電極設置在電解反應池的一條對稱軸上，陽電極和飽和甘汞參比電極設置在轉動軸的兩側；陽電極、飽和甘汞參比電極和三維扇形碳氈電極兩兩之間的距離為1.5厘米。

優(yōu)選的，電解反應池的外側壁上設置有電機平臺，所述電機固定設置在電機平臺上。

優(yōu)選的，所述電解反應池的頂部開口固定設置有隔板，陽電極和飽和甘汞參比電極分別垂直固定設置在隔板上。

進一步優(yōu)選的，隔板上設置有固定孔，陽電極和飽和甘汞參比電極嵌入設置在所述固定孔內。

優(yōu)選的，所述陽電極為鉑片電極或石墨電極。

優(yōu)選的，陽電極和飽和甘汞參比電極的頂端分別連接有銅棒；陽電極、飽和甘汞參比電極通過銅棒與電化學工作站電連接。

一種上述三維扇形碳氈電極的生產方法，包括步驟如下：

A1)選用碳氈作為電極材料，將其加工成半徑為2厘米，厚度0.5厘米的圓形電極板；將圓形電極板浸泡在丙酮溶液，超聲處理20分鐘后再浸泡12小時；浸泡完成后，使用去離子水反復沖洗5～8次，在80℃的氣溫條件下干燥8～12小時；

A2)將處理后的圓形電極板與不銹鋼網組成電極，電極的組成依次為圓形電極/不銹鋼網骨架/圓形電極；使用粘結劑將圓形電極板粘結在不銹鋼網骨架表面，并在10Mpa壓力下壓制4～6分鐘成型，得到碳氈電極；

A3)將步驟A2)制備得到的碳氈電極進行加工，對稱去掉圓心角為30°的三角形，使其具有四個均勻分布的扇葉，然后將扇葉偏離碳氈電極所在平面30°，得到三維扇形碳氈電極。

優(yōu)選的，所述步驟A1)中將選用的碳氈電極材料進行加工前，還包括對碳氈電極材料進行去油污處理的步驟。

優(yōu)選的，所述步驟A2)中的粘結劑為聚四氟乙烯。

一種利用上述三維扇形轉盤式電Fenton反應器降解廢水中四環(huán)素的方法，包括步驟如下：

B1)將含有Fe²⁺的廢水注入到所述電解反應池中，調節(jié)廢水的pH值，使廢水的pH＝5；

B2)啟動電機，電機帶動轉動軸轉動，與轉動軸連接的三維扇形碳氈電極在廢水中旋轉進行傳質；

B3)啟動電化學工作站，陽電極、飽和甘汞參比電極和導電滑環(huán)通電；

B4)通過調節(jié)電機的電源電壓調節(jié)電機轉速，進而改變轉動軸轉速，三維扇形碳氈電極在廢水中旋轉，氧氣在廢水和空氣的之間傳質，并在三維扇形碳氈電極表面發(fā)生2電子的還原反應，生成H₂O₂。調節(jié)電機轉速的目的在于優(yōu)化轉速，采用使降解效果最佳的轉速值。

優(yōu)選的，所述步驟B1)中，電解反應池中廢水達到的水位為三維扇形碳氈電極的中心位置處。首先，放在中心位置是考慮三電極體系成立的前提下工作電極與電解質溶液有最大的接觸面積，導電性最好，電子傳遞速率最高；其次，工作電極與電解液接觸面積最大時液面攪動最劇烈，有助于提高電解液中的溶解氧含量。

優(yōu)選的，所述步驟B1)中，調節(jié)廢水的pH值的具體方法，使用緩沖溶液調節(jié)廢水的pH值。

本發(fā)明的有益效果為：

1、本發(fā)明所述三維扇形轉盤式電Fenton反應器，對陰極進行了改進創(chuàng)新，采用三維扇形碳氈電極作為陰極，同時也取消了傳統(tǒng)的曝氣裝置，通過三維扇形碳氈的機械轉動，在扇葉表面形成一層薄水膜，氧氣擴散進入水膜，從而在水膜表面發(fā)生還原反應，生成H₂O₂；較傳統(tǒng)的曝氣方法，曝氣效率更高；

2、本發(fā)明所述三維扇形碳氈電極，采用碳氈材質作為陰極，碳氈具有較大的比表面積和孔隙度，本身就可以吸附去除廢水中的四環(huán)素，同時碳氈作為多孔材料，首先將溶液中的污染物富集到電極表面，進而被電極表面活性自由基氧化降解，從而提高降解效果；另外，用碳氈為電極材料，其與氣體擴散電極相比具有更高的機械強度，應用操作性優(yōu)良；

3、本發(fā)明所述三維扇形轉盤式電Fenton反應器，取消了傳統(tǒng)的攪拌裝置，通過三維扇形碳氈電極的轉動，帶動電解液攪動，促進了電解液中四環(huán)素等物質傳質，提高了反應速率，節(jié)省能源消耗，從而節(jié)約成本；

4、本發(fā)明所述三維扇形轉盤式電Fenton反應器，采用三維扇形碳氈電極代替?zhèn)鹘y(tǒng)的固定電極作為陰極，由于三維扇形電極在旋轉的過程中，整個葉片表面都浸有水膜，使得陰極的反應面積不僅僅局限于電解液中的部分，相比傳統(tǒng)的電極而言，增大了反應器陰極的比表面積，有利于反應速率的提高；

5.本發(fā)明所述三維扇形碳氈電極通過旋轉實現(xiàn)氧氣的傳輸擴散，在電極表面形成的液膜，可降低氧氣從氣相擴散到液相的傳質阻力；

6、本發(fā)明所述三維扇形轉盤式電Fenton反應器，外形小巧，結構簡單，使用方便，實驗使用效果良好，對四環(huán)素等物質具有較高的去除率。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所述三維扇形轉盤式電Fenton反應器的側視圖；

圖2為本發(fā)明所述三維扇形轉盤式電Fenton反應器的俯視圖；

圖3a為實施例11所述圓形電極板的結構示意圖；

圖3b為實施例11所述三維扇形碳氈電極的結構示意圖；

圖4為利用本發(fā)明所述三維扇形轉盤式電Fenton反應器對四環(huán)素的降解圖；；

圖5為利用本發(fā)明所述三維扇形轉盤式電Fenton反應器對四環(huán)素廢水COD去除效果圖；

其中：1、電解反應池；2、底座；3、電機；4、聯(lián)軸器；5、轉動軸；6、導電滑環(huán)；7、飽和甘汞參比電極；8、三維扇形碳氈電極；9、平臺；10、陽電極；11、隔板；12、凹槽；13、銅棒；14、反應液。

具體實施方式

下面結合實施例和說明書附圖對本發(fā)明做進一步說明，但不限于此。

實施例1

如1-2圖所示。

一種三維扇形轉盤式電Fenton反應器，包括電解反應池1、三維扇形碳氈電極8、陽電極10、飽和甘汞參比電極7、電機3、轉動軸5；所述電解反應池1為一頂部開口的中空容器；陽電極10和飽和甘汞參比電極7固定設置在電解反應池1內；轉動軸5轉動設置在電解反應池1內；轉動軸5的一端與電機3的驅動軸連接，另一端套接有導電滑環(huán)6，轉動軸5與導電滑環(huán)6轉動連接；三維扇形碳氈電極8與轉動軸5垂直固定連接；陽電極10、飽和甘汞參比電極7和導電滑環(huán)6與電化學工作站電連接。本裝置工作電極為三維扇形碳氈電極8，在保證三維扇形碳氈電極8最大導電效率的同時，提升了攪拌反應液的效率，增強了反應液中四環(huán)素以及溶解氧等物質在溶液中的傳質(傳質是由于物質濃度不均勻質量轉移，化學工業(yè)領域，應用氣-液系統(tǒng)，發(fā)生質量轉移過程)。三維扇形碳氈電極8在本裝置中用作陰極電極；飽和甘汞參比電極7用作參比電極；鉑片電極用作陽極電極。鉑片陽極、飽和甘汞參比電極7和三維扇形碳氈電極8三者構成傳統(tǒng)的三電極體系。電解反應池1的材質為有機玻璃。

實施例2

如圖3b所示。

如實施例1所述的一種三維扇形轉盤式電Fenton反應器，所不同的是，所述三維扇形碳氈電極8包括四個扇葉，相鄰扇葉的夾角為30°；扇葉偏離圓形電極所在平面30°。此設計的好處在于，便于溶液向三維扇形碳氈電極8對側轉移，增強反應物在液相和氣相的傳質過程，提高溶解氧的利用效率，使2電子的氧還原反應更多地進行，進而提高H₂O₂產率。

實施例3

如實施例2所述的一種三維扇形轉盤式電Fenton反應器，所不同的是，所述三維扇形碳氈電極的半徑為50毫米，厚度為5毫米。此設計的好處在于，在成本相同的情況下，此規(guī)格的三維扇形碳氈電極工作效率最高。

實施例4

如實施例1所述的一種三維扇形轉盤式電Fenton反應器，所不同的是，電機3的驅動軸通過聯(lián)軸器4與轉動軸5連接；所述轉動軸5水平設置。

實施例5

如實施例1所述的一種三維扇形轉盤式電Fenton反應器，所不同的是，所述電解反應池1為長方體結構，轉動軸5貫通設置在電解反應池1的左、右側壁上，轉動軸5與電解反應池1的左、右側壁轉動連接；導電滑環(huán)6與電解反應池1的外側壁固定連接。

實施例6

如實施例5所述的一種三維扇形轉盤式電Fenton反應器，所不同的是，電解反應池1的規(guī)格為長10厘米，寬5厘米，高7厘米；三維扇形碳氈電極8設置在電解反應池的一條對稱軸上，陽電極10和飽和甘汞參比電極7設置在轉動軸5的兩側；陽電極10、飽和甘汞參比電極7和三維扇形碳氈電極8兩兩之間的距離為1.5厘米。

實施例7

如實施例1所述的一種三維扇形轉盤式電Fenton反應器，所不同的是，電解反應池1的外側壁上設置有電機平臺9，所述電機3固定設置在電機平臺9上。

實施例8

如實施例1所述的一種三維扇形轉盤式電Fenton反應器，所不同的是，所述電解反應池1的頂部開口固定設置有隔板11，陽電極10和飽和甘汞參比電極7分別垂直固定設置在隔板11上。

實施例9

如實施例8所述的一種三維扇形轉盤式電Fenton反應器，所不同的是，隔板11上設置有固定孔，陽電極10和飽和甘汞參比電極7嵌入設置在所述固定孔內。

實施例10

如實施例1所述的一種三維扇形轉盤式電Fenton反應器，所不同的是，陽電極10和飽和甘汞參比電極7的頂端分別連接有銅棒13；陽電極10、飽和甘汞參比電極7通過銅棒13與電化學工作站電連接。

實施例11

一種如實施例1-10所述的三維扇形碳氈電極的生產方法，包括步驟如下：

A1)選用碳氈作為電極材料，將其加工成半徑為2厘米，厚度0.5厘米的圓形電極板(如圖3a)；將圓形電極板浸泡在丙酮溶液，超聲處理20分鐘后再浸泡12小時；浸泡完成后，使用去離子水反復沖洗8次，在80℃的氣溫條件下干燥12小時；

A2)將處理后的圓形電極板與不銹鋼網組成電極，電極的組成依次為圓形電極/不銹鋼網骨架/圓形電極；使用聚四氟乙烯將圓形電極板粘結在不銹鋼網骨架表面，并在10Mpa壓力下壓制6分鐘成型，得到碳氈電極；

A3)將步驟A2)制備得到的碳氈電極進行加工，對稱去掉圓心角為30°的三角形，使其具有四個均勻分布的扇葉，然后將扇葉偏離碳氈電極所在平面30°，得到三維扇形碳氈電極(如圖3b)。

實施例12

如實施例11所述的三維扇形碳氈電極的生產方法，所不同的是，所述步驟A1)中將選用的碳氈電極材料進行加工前，還包括對碳氈電極材料進行去油污處理的步驟。

實施例13

一種利用實施例1-10所述三維扇形轉盤式電Fenton反應器降解廢水中四環(huán)素的方法，包括步驟如下：

B1)將Fe²⁺＝1.0毫摩爾/升的廢水注入到所述電解反應池1中，反應池中的電解液為0.05摩爾/升的硫酸鈉，調節(jié)廢水的pH值，使廢水的pH＝5；

B2)啟動電機3，電機3帶動轉動軸5轉動，與轉動軸5連接的三維扇形碳氈電極8在廢水中旋轉進行傳質；

B3)啟動電化學工作站，陽電極10、飽和甘汞參比電極7和導電滑環(huán)通電；三維扇形碳氈電極8的電位為-0.70V；

B4)通過調節(jié)電機3的電源電壓調節(jié)電機轉速為180轉/分鐘，進而改變轉動軸5轉速，三維扇形碳氈電極8在廢水中旋轉，氧氣在廢水和空氣的之間傳質，并在三維扇形碳氈電極8表面發(fā)生2電子的還原反應，生成H₂O₂。對四環(huán)素的降解圖如圖4所示；對四環(huán)素廢水COD去除效果圖如圖5所示。

實施例15

如實施例13所述的降解廢水中四環(huán)素的方法，所不同的是，所述步驟B1)中，電解反應池1中廢水達到的水位為三維扇形碳氈電極8的中心位置處。

實施例16

如實施例13所述的降解廢水中四環(huán)素的方法，所不同的是，所述B1)中調節(jié)廢水的pH值的具體方法，使用緩沖溶液調節(jié)廢水的pH值。