一種在超高電壓條件下運行的電催化氧化裝置及工藝方法
【專利摘要】本發(fā)明為一種在超高電壓條件下運行的電催化氧化裝置及工藝方法，該裝置包括多級串聯(lián)球形粒子活性電極反應(yīng)裝置和能夠產(chǎn)生超高電壓的直流穩(wěn)壓電源裝置。其中多級串聯(lián)球形粒子活性電極反應(yīng)裝置內(nèi)部包含一套多級串聯(lián)球形粒子活性電極反應(yīng)系統(tǒng)，其通過定位絕緣塑料棒將粒子電極固定為等距離的包含A行B列C層，其中第一個球形粒子活性電極連接電源裝置的正極，第A×B×C個球形粒子活性電極連接電源裝置的負極。能夠產(chǎn)生超高電壓的直流穩(wěn)壓電源裝置的發(fā)電主體采用轉(zhuǎn)子式摩擦起電器，起電器轉(zhuǎn)輪依靠可變頻電機帶動，通過控制電機的不同轉(zhuǎn)速，達到調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子式摩擦起電器的旋轉(zhuǎn)速率，輸出電壓再經(jīng)過穩(wěn)壓裝置的穩(wěn)壓作用，就能夠得到2000V?50000V的超高直流電壓。
【專利說明】
一種在超高電壓條件下運行的電催化氧化裝置及工藝方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明為一種在超高電壓條件下運行的電催化氧化工藝方法，適用于處理工業(yè)難降解有機廢水，屬于環(huán)境工程專業(yè)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，隨著國家工業(yè)和經(jīng)濟的發(fā)展，許多含有難以生物降解的有毒有害物質(zhì)的廢水不斷進入環(huán)境，給工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、人民生活和人體健康帶了了很大的危害，在這種背景下，國家要求廢水排放的標準越來越嚴格，許多難降解廢水的達標處理成為環(huán)保領(lǐng)域內(nèi)的難點問題。
[0003]而另一方面，電催化氧化技術(shù)作為一種全新的高級氧化技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用在高鹽廢水處理行業(yè)中，電催化技術(shù)是一種依靠外加直流電在活性催化陽極上產(chǎn)生強氧化劑的一種新型深度氧化技術(shù)，主要原理是通過在工作電極上施加偏電壓，從而在電極和活性催化涂層之間形成一個電勢梯度，能夠促進活性催化涂層上的電子和空穴向相反的方向移動，抑制它們的復(fù)合，從而能夠直接氧化附著在陽極上的有機物，或者通過生成C1—、0H.等強氧化劑間接達到氧化有機物，去除水體中的COD。目前電催化氧化技術(shù)根據(jù)所采用電極的形式主要分為二維平板電極反應(yīng)器和三維粒子電極反應(yīng)器，其中三維粒子電極反應(yīng)器是通過在二維平板電極中間添加粒子電極，構(gòu)成三維體系。
[0004]但是由于電催化氧化工藝普遍能耗較高，成為制約其大規(guī)模工業(yè)化推廣的瓶頸問題，究其原因，主要在于不論是二維平板電極反應(yīng)器還是三維粒子電極反應(yīng)器，由于平板電極面積較大，且電極間距較小，因此在保持一定電流密度的同時就必須使用大電流小電壓模式，而電流越大，其造成的熱損也就越大，這也進一步降低了反應(yīng)過程中的電流利用效率。另外由于目前所使用的電源均為整流器形式，傳統(tǒng)的二極管、可控硅式整流效率普遍低于70%，就連最為先進的尚頻開關(guān)整流電源，其整流效率也不會尚于80%，這也是造成電催化氧化工藝能耗較高的重要因素。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，開發(fā)一種在超高電壓條件下運行的電催化氧化工藝方法，用以解決傳統(tǒng)電催化氧化工藝處理效率低、能耗大等難題。
[0006]本發(fā)明提供了一種在超高電壓條件下運行的電催化氧化裝置，該裝置包括多級串聯(lián)球形粒子活性電極反應(yīng)裝置和與之串聯(lián)的一套能夠產(chǎn)生超高電壓的直流穩(wěn)壓電源裝置；
[0007]所述的多級串聯(lián)球形粒子活性電極反應(yīng)裝置包括絕緣的反應(yīng)器裝置外殼，反應(yīng)裝置外殼頂部設(shè)置有排氣管和出水管;所述反應(yīng)裝置外殼的底部設(shè)置有集泥斗，集泥斗底部設(shè)置進水管和排泥管;所述反應(yīng)裝置內(nèi)部通過定位銷固定有一套多級串聯(lián)球形粒子活性電極反應(yīng)系統(tǒng)，該多級串聯(lián)球形粒子活性電極反應(yīng)系統(tǒng)包含A行B列C層球形粒子活性電極;所述球形粒子活性電極載體為球形鈦金屬球，外層涂覆Ir02、Ru02復(fù)合貴金屬氧化物涂層，中間有三條過球心且相互垂直的孔道，每條孔道中分別穿有定位絕緣塑料棒，通過定位絕緣塑料棒將A X B X C個粒子電極固定成等距離的A行B列C層，并使任何一個粒子電極與其上下左右四個相鄰電極間保持相同距離并保證互不接觸，其中第一個球形粒子活性電極連接所述能夠產(chǎn)生超高電壓的直流穩(wěn)壓電源裝置的正極，第AXBXC個球形粒子活性電極連接能夠產(chǎn)生超高電壓的直流穩(wěn)壓電源裝置的負極，保證電流能夠流經(jīng)所有的球形粒子活性電極；
[0008]所述的能夠產(chǎn)生超高電壓的直流穩(wěn)壓電源裝置包括轉(zhuǎn)子式摩擦起電器，轉(zhuǎn)子式摩擦起電器由兩個貼有金屬鋁片的轉(zhuǎn)向相反的塑料起電圓盤和銅刷構(gòu)成，起電圓盤通過轉(zhuǎn)輪連接可變頻電機;轉(zhuǎn)子式摩擦起電器的導(dǎo)線分別與2組超級電容相連，使得摩擦起電器產(chǎn)生的正電荷和負電荷通過導(dǎo)線分別儲存在2組超級電容中；2組超級電容分別連接穩(wěn)壓器的兩端，穩(wěn)壓器的兩端還與所述的多級串聯(lián)球形粒子活性電極系統(tǒng)的第I個球形粒子活性電極和第A XBX C個球形粒子活性電極相連接。
[0009]本發(fā)明所述的在超高電壓條件下運行的電催化氧化裝置，其中所述的穩(wěn)壓器還并聯(lián)連接有電壓表，穩(wěn)壓器與多級串聯(lián)球形粒子活性電極反應(yīng)裝置之間串聯(lián)連接有電流表。
[0010]本發(fā)明所述的一種多級串聯(lián)球形粒子活性電極反應(yīng)裝置，反應(yīng)器裝置外殼為長方體形，材質(zhì)為PPR或PVDF等材料，使反應(yīng)器具備良好絕緣、耐高溫、耐腐蝕性能。
[0011]本發(fā)明所述的在超高電壓條件下運行的電催化氧化裝置，其中所用球形粒子活性電極球徑為l-5cm，相鄰兩個球形粒子活性電極間距離為0.l-5cm，且通過其球心有三條相互垂直的孔道，孔道直徑為球形粒子活性電極球徑的1/5-1/2;所用的定位絕緣塑料棒材質(zhì)為PVDF，且其直徑為球形粒子活性電極中間孔道直徑的1/3。
[0012]本發(fā)明所述的在超高電壓條件下運行的電催化氧化裝置，其中所述的多級串聯(lián)球形粒子活性電極反應(yīng)系統(tǒng)包含A行B列C層球形粒子活性電極，其中A彡10，B彡10，C彡10。
[0013]本發(fā)明所述的在超高電壓條件下運行的電催化氧化裝置，其中所述的一套能夠產(chǎn)生超高電壓的直流穩(wěn)壓電源裝置所用的起電圓盤依靠可變頻電機驅(qū)動，可變頻電機的轉(zhuǎn)速在0_3800r/min可調(diào)。
[0014]本發(fā)明所述的在超高電壓條件下運行的電催化氧化裝置，其中所述2組超級電容器的每組超級電容均為并聯(lián)形式，2組超級電容的容量S180000F。
[0015]本發(fā)明提供了一種在超高電壓條件下運行的電催化氧化處理廢水的工藝方法，該方法包括將廢水經(jīng)進水管進入多級串聯(lián)球形粒子活性電極反應(yīng)裝置，在2000-50000V的超高直流電壓條件下進行電催化氧化，水力停留時間為20min-40min，經(jīng)多級串聯(lián)球形粒子活性電極反應(yīng)裝置的出水管排出的出水實現(xiàn)達標排放。
[0016]本發(fā)明一種在超高電壓條件下運行的電催化氧化裝置中的一套能夠產(chǎn)生超高電壓的直流穩(wěn)壓電源裝置的工作原理是通過電機轉(zhuǎn)動帶動起電圓盤，起電圓盤和銅刷通過靜電感應(yīng)原理產(chǎn)生正電荷聚集區(qū)和負電荷聚集區(qū)，通過導(dǎo)線將正負電荷分別儲存在兩組相同數(shù)量超級電容中，兩組超級電容和多級串聯(lián)球形粒子活性電極反應(yīng)裝置相連接，當兩組超級電容中的正負電荷間積聚的電勢差大于電催化氧化過程所需要的電勢時，超級電容就會向多級串聯(lián)球形粒子活性電極反應(yīng)裝置的正負極放電，完成電催化氧化過程。通過控制可變頻電機的轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子式摩擦起電器的旋轉(zhuǎn)速率，輸出電壓再經(jīng)過穩(wěn)壓裝置的穩(wěn)壓作用，從而能夠得到超高直流電壓。該摩擦式轉(zhuǎn)子起電器能夠輸出高達幾十萬伏的高壓，但是輸出電流較小。
[0017]本發(fā)明涉及的一種在超高電壓條件下運行的電催化氧化裝置及工藝方法和傳統(tǒng)電催化氧化裝置及工藝方法相比較，具有以下有益效果:
[0018]本發(fā)明電催化氧化裝置采用轉(zhuǎn)子式摩擦起電器依靠電機轉(zhuǎn)動產(chǎn)生正負靜電荷并向裝置供電，避免了傳統(tǒng)二極管、可控硅以及高頻開關(guān)電源的整流效率低的問題，提高了電流的利用效率;其次，通過使用一種多級串聯(lián)球形粒子活性電極反應(yīng)裝置中等距離固定球形粒子活性電極的方式，保證任何一個球形粒子活性電極均不和其相鄰的電極接觸，避免了反應(yīng)器內(nèi)部短路電流的出現(xiàn)，進一步提升了電流利用效率;再次，由于多級串聯(lián)球形粒子活性電極反應(yīng)裝置中所使用的球形粒子活性電極數(shù)量多，且為多級串聯(lián)連接形式，將轉(zhuǎn)子摩擦起電機輸出端直接與粒子電極相連接，在保證和二維電極相同電流密度時，槽間總電壓很高，而流經(jīng)每一個粒子電極的電流很小，由于電流引起的熱損功率就會大大降低，從而增加反應(yīng)過程中的電流利用效率。和傳統(tǒng)電催化氧化反應(yīng)器相比較，由于本裝置運行電流小，無需使用昂貴的整流設(shè)備，因此裝置的造價較低。
【附圖說明】
[0019]圖1為一種在超高電壓條件下運行的電催化氧化工藝方法流程示意圖；
[0020]圖2為一種多級串聯(lián)球形粒子活性電極系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]圖3為一種多級串聯(lián)球形粒子活性電極反應(yīng)裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]圖中，
[0023]I為轉(zhuǎn)子式摩擦起電器電極
[0024]2為可變頻電機11為球形粒子活性電極
[0025]3為超級電容12為PVDF定位絕緣塑料棒
[0026]4為穩(wěn)壓器13為排泥管
[0027]5為多級串聯(lián)球形粒子活性電極系統(tǒng)14為多級串聯(lián)球形粒子活性電極反應(yīng)系統(tǒng)
[0028]6為電壓表15為進水管
[0029]7為電流表16為集泥斗
[0030]8為定位銷17為電極接線柱
[0031]9為第I個球形粒子活性電極18為出水管
[0032]10為第AXB X C個球形粒子活性 19為排氣管
【具體實施方式】
[0033]下面結(jié)合附圖及具體應(yīng)用實施例對本發(fā)明作進一步描述，具體實施例不對本發(fā)明的技術(shù)方案構(gòu)成限定。
[0034]本發(fā)明在超高電壓條件下運行的電催化氧化裝置包括一套能夠產(chǎn)生超高電壓的直流穩(wěn)壓電源裝置和多級串聯(lián)球形粒子活性電極反應(yīng)裝置;其中一套能夠產(chǎn)生超高電壓的直流穩(wěn)壓電源裝置的發(fā)電主體采用轉(zhuǎn)子式摩擦起電器I，起電圓盤依靠可變頻電機2帶動，其工作原理是通過可變頻電機2轉(zhuǎn)動帶動轉(zhuǎn)子式摩擦起電器I，通過靜電感應(yīng)原理產(chǎn)生正電荷聚集區(qū)和負電荷聚集區(qū)，電荷通過導(dǎo)線分別儲存在2組超級電容3中，2組超級電容3經(jīng)過穩(wěn)壓器4穩(wěn)壓后通過電極接線柱17和多級串聯(lián)球形粒子活性電極系統(tǒng)5的第I個球形粒子活性電極9和第A XBX C個球形粒子活性電極1相連接，當2組超級電容3中的正負電荷間積聚的電勢差大于電催化氧化過程所需要的電勢時，2組超級電容3就會向多級串聯(lián)球形粒子活性電極系統(tǒng)5的正負極放電，完成電催化氧化過程。通過控制可變頻電機2的轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子式摩擦起電器I的旋轉(zhuǎn)速率，輸出電壓再經(jīng)過穩(wěn)壓器4的穩(wěn)壓作用，從而能夠得到超高直流電壓，當前電流電壓值由電壓表6和電流表7指示。
[0035]如圖2-3所示，本發(fā)明多級串聯(lián)球形粒子活性電極反應(yīng)裝置依靠支架支撐，反應(yīng)裝置外殼采用PPR或PVDF等絕緣性好、耐腐蝕、耐高溫材質(zhì)，裝置底部為集泥斗16，集泥斗16底部有進水管15和排泥管13，其中進水管15和進水管道相連接，排泥管13和排泥管道相連接，反應(yīng)裝置頂部設(shè)置有排氣管19和出水管18，排氣管19直接與大氣相連通，出水管18與出水管道相連接。裝置內(nèi)部包含一套多級串聯(lián)球形粒子活性電極反應(yīng)系統(tǒng)5，依靠定位銷8固定在反應(yīng)裝置內(nèi)部，該多級串聯(lián)球形粒子活性電極反應(yīng)系統(tǒng)5包含A行B列C層球形粒子活性電極11，球形粒子活性電極球徑為l-5cm，球形粒子活性電極載體為球形鈦金屬球，球形粒子活性電極涂層為Ir02、Ru02等復(fù)合貴金屬氧化物涂層，中間有三條相互垂直的過球心的孔道，孔道直徑為球形粒子活性電極球徑的1/5-1/2，優(yōu)選1/5，每條孔道中分別穿有I根PVDF定位絕緣塑料棒12，其直徑為球形粒子活性電極中間孔道直徑的1/3，通過PVDF定位絕緣塑料棒12，將A XBX C個球形粒子活性電極11穿成等距離的A行B列C層，其中A彡10，B彡10，C彡10，PVDF定位絕緣塑料棒12作用是使任何一個粒子電極與其上下左右四個相鄰電極間保持相同距離并保證互不短路，相鄰兩個電極間距離為0.l-5cm。
[0036]實例一:
[0037]河北省某石化公司由于所煉制的油品復(fù)雜，導(dǎo)致生產(chǎn)廢水中含有大量難生物降解物質(zhì)，該廢水經(jīng)過生化處理后⑶D為80mg/L左右，無法達到相關(guān)出水排放標準。采用在超高電壓條件下運行的電催化氧化裝置對該公司生化出水的深度處理進行了工程應(yīng)用研究，結(jié)果顯示當運行電壓為36000V，運行電流為10mA，水力停留時間為30min，出水COD彡60mg/L，出水滿足了達標排放水質(zhì)要求，此時電流效率為55%，與傳統(tǒng)二維電解設(shè)備相比較，在處理效果不變的條件下噸水電耗約減少0.9kw.h電能。
[0038]實例二:
[0039]天津某廠藥劑廢水經(jīng)生化處理后，為實現(xiàn)廢水近零排放，采用超濾-反滲透雙膜系統(tǒng)回用部分生化出水，經(jīng)雙膜系統(tǒng)處理后會產(chǎn)生一定量濃縮液，該濃縮液⑶D約為90mg/L，電導(dǎo)率約為1000-5000yS/cm，Cr含量約為700-900mg/L，該濃縮液因為排量小、所含物質(zhì)難以生化降解等特點，不宜再次采用生化法處理。采用在超高電壓條件下運行的電催化氧化裝置處理后，當運行電壓為50000V，運行電流為10-15mA，反應(yīng)器內(nèi)水力停留時間為30min，出水C0D<50mg/L，滿足了達標排放水質(zhì)要求，此時電流效率為67%，與傳統(tǒng)三維電解設(shè)備相比較，處理噸水節(jié)約0.5kw.h電能。
【主權(quán)項】
1.一種在超高電壓條件下運行的電催化氧化裝置，其特征在于，包括多級串聯(lián)球形粒子活性電極反應(yīng)裝置和與之串聯(lián)的一套能夠產(chǎn)生超高電壓的直流穩(wěn)壓電源裝置； 所述的多級串聯(lián)球形粒子活性電極反應(yīng)裝置包括絕緣的反應(yīng)器裝置外殼，反應(yīng)裝置外殼頂部設(shè)置有排氣管和出水管;所述反應(yīng)裝置外殼的底部設(shè)置有集泥斗，集泥斗底部設(shè)置進水管和排泥管;所述反應(yīng)裝置內(nèi)部通過定位銷固定有一套多級串聯(lián)球形粒子活性電極反應(yīng)系統(tǒng)，該多級串聯(lián)球形粒子活性電極反應(yīng)系統(tǒng)包含A行B列C層球形粒子活性電極;所述球形粒子活性電極載體為球形鈦金屬球，外層涂覆Ir02、Ru02復(fù)合貴金屬氧化物涂層，中間有三條過球心且相互垂直的孔道，每條孔道中分別穿有定位絕緣塑料棒，通過定位絕緣塑料棒將AXBXC個粒子電極固定成等距離的A行B列C層，并使任何一個粒子電極與其上下左右四個相鄰電極間保持相同距離并保證互不接觸，其中第一個球形粒子活性電極連接所述能夠產(chǎn)生超高電壓的直流穩(wěn)壓電源裝置的正極，第AXBXC個球形粒子活性電極連接能夠產(chǎn)生超高電壓的直流穩(wěn)壓電源裝置的負極，保證電流能夠流經(jīng)所有的球形粒子活性電極； 所述的能夠產(chǎn)生超高電壓的直流穩(wěn)壓電源裝置包括轉(zhuǎn)子式摩擦起電器，轉(zhuǎn)子式摩擦起電器由兩個貼有金屬鋁片的轉(zhuǎn)向相反的塑料起電圓盤和銅刷構(gòu)成，起電圓盤通過轉(zhuǎn)輪連接可變頻電機;轉(zhuǎn)子式摩擦起電器的導(dǎo)線分別與2組超級電容相連，使得摩擦起電器產(chǎn)生的正電荷和負電荷通過導(dǎo)線分別儲存在2組超級電容中；2組超級電容分別連接穩(wěn)壓器的兩端，穩(wěn)壓器的兩端還與所述的多級串聯(lián)球形粒子活性電極系統(tǒng)的第I個球形粒子活性電極和第AXBX C個球形粒子活性電極相連接。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在超高電壓條件下運行的電催化氧化裝置，其特征在于，所述的穩(wěn)壓器還并聯(lián)連接有電壓表，穩(wěn)壓器與多級串聯(lián)球形粒子活性電極反應(yīng)裝置之間串聯(lián)連接有電流表。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在超高電壓條件下運行的電催化氧化裝置，其特征在于，所述的多級串聯(lián)球形粒子活性電極反應(yīng)裝置的反應(yīng)器裝置外殼為長方體形，材質(zhì)為PPR或PVDF。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在超高電壓條件下運行的電催化氧化裝置，其特征在于，所述的球形粒子活性電極球徑為l-5cm，相鄰兩個球形粒子活性電極間距離為0.l-5cm，且通過其球心有三條相互垂直的孔道，孔道直徑為球形粒子活性電極球徑的1/5-1/2;所用的定位絕緣塑料棒材質(zhì)為PVDF，且其直徑為球形粒子活性電極中間孔道直徑的1/3。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在超高電壓條件下運行的電催化氧化裝置，其特征在于，所述的多級串聯(lián)球形粒子活性電極反應(yīng)系統(tǒng)包含A行B列C層球形粒子活性電極，其中A多10，B多1，d6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在超高電壓條件下運行的電催化氧化裝置，其特征在于，所述的一套能夠產(chǎn)生超高電壓的直流穩(wěn)壓電源裝置所用的起電圓盤依靠可變頻電機驅(qū)動，可變頻電機的轉(zhuǎn)速在0_3800r/min可調(diào)。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在超高電壓條件下運行的電催化氧化裝置，其特征在于，所述2組超級電容器的每組超級電容均為并聯(lián)形式，2組超級電容的容量S180000F。8.—種在超高電壓條件下運行的電催化氧化處理廢水的工藝方法，其特征在于，包括將廢水經(jīng)進水管進入多級串聯(lián)球形粒子活性電極反應(yīng)裝置，在2000-50000V的超高直流電壓條件下進行電催化氧化，水力停留時間為20min-40min，經(jīng)多級串聯(lián)球形粒子活性電極反應(yīng)裝置的出水管排出的出水實現(xiàn)達標排放。
【文檔編號】C02F1/72GK105967282SQ201610446786
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年6月17日
【發(fā)明人】秦微, 謝陳鑫, 趙慧, 李肖琳, 錢光磊, 王震, 滕厚開, 張艷芳
【申請人】中海油天津化工研究設(shè)計院有限公司, 中海油能源發(fā)展股份有限公司