[發明專利]用于廢水處理的O2還原生物陰極-電催化膜耦合反應器

在審

• 申請號: 201811024151.5
• 申請日: 2018-09-04
• 公開（公告）號: CN109205796A
• 公開（公告）日: 2019-01-15
• 發明（設計）人: 莫穎慧;李建新;原婷婷;王虹
• 申請（專利權）人: 天津工業大學
• 主分類號: C02F3/34
• 分類號: C02F3/34;C02F3/00;C02F101/30
• 代理公司: 天津一同創新知識產權代理事務所(普通合伙) 12231
• 代理人: 陸藝

本發明公開了一種用于廢水處理的O₂還原生物陰極?電催化膜耦合反應器，包括電解池，陽離子交換膜將電解池分隔成陽極室和陰極室，電催化膜將陽極室分隔成陽極室進水腔體和陽極室出水腔體，電解池的右壁內表面設置有鈦絲網，在陰極室內設置有填料和參比電極，可調式直流穩壓電源通過導線分別與電催化膜和鈦絲網連接，陰極生物培養液循環槽通過管道分別與氣泵和陰極室的頂部連接，陰極生物培養液循環槽通過管道依次與第一蠕動泵和陰極室的底部連接；陽極滲透液槽通過管道與陽極室的出水腔體的頂部連接；陽極料液槽通過管道依次與第二蠕動泵和陽極室進水腔體的底部連接。本發明具有能耗低、有機物去除效率較高、操作方便等特點。

技術領域

本發明涉及生物電化學技術、電催化氧化技術與膜分離技術領域，具體的說是涉及一種用于廢水處理的O₂還原生物陰極-電催化膜耦合反應器。

技術背景

有機工業廢水的處理一直是環境工程領域面臨的重大挑戰。電催化氧化技術，作為高級氧化技術的一種，近年來受到了研究者的廣泛技術。其中，陽極氧化技術是電催化氧化技術中最常用的一種，可廣泛應用于含酚廢水、染料廢水、含油廢水等有機工業廢水處理。其基本原理是在外加電壓作用下陽極氧化H₂O產生羥基自由基(·OH)，·OH具有強氧化性且無選擇性，可對廢水中大多數有機污染物進行氧化分解，生成CO₂或小分子有機物，達到廢水處理目的。根據《應用催化劑B：環境》(Applied Catalysis B:Environmental)期刊2017年202卷217-261頁報道，目前陽極氧化技術仍然面臨著能耗較高的重大挑戰，其能耗大約位于幾十到幾千kWh/kgDOC的范圍。

現有研究主要通過改善陽極性能來降低陽極氧化技術的能耗，包括對陽極材料及陽極構型的探索。其中，陽極構型主要通過影響反應物及產物在陽極表面附近的傳質過程來影響陽極氧化反應，進而影響能耗。中國專利200910069504.8公開了一種電催化膜反應器裝置，該專利采用了一種新的陽極構型，即一種以導電耐蝕炭膜為基體、金屬或金屬氧化物為催化劑涂層制備的電催化膜，并以電催化膜為陽極、不銹鋼網為陰極構建了電催化膜反應器。盡管在該電催化膜反應器中，水流穿過電催化膜時形成的強制對流能夠改善反應的傳質過程，但是由于其陰極采用的是不銹鋼網，陰極還原反應在熱力學上不容易發生，其能耗降低幅度有限，限制了其在實際應用中的推廣應用。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種用于廢水處理的O₂還原生物陰極-電催化膜耦合反應器。

本發明的第二個目的是提供一種用用于廢水處理的O₂還原生物陰極-電催化膜耦合反應器對廢水中有機污染物進行處理的方法。

本發明的技術方案概述如下：

用于廢水處理的O₂還原生物陰極-電催化膜耦合反應器，包括電解池16，陽離子交換膜5將電解池分隔成陽極室7和陰極室2，電催化膜3將陽極室分隔成陽極室進水腔體15和陽極室出水腔體4，電解池的右壁內表面設置有鈦絲網8，在陰極室2內設置有填料1，在陰極室設置有參比電極17，可調式直流穩壓電源6通過導線分別與電催化膜3和鈦絲網8連接，陰極生物培養液循環槽9通過管道分別與氣泵10和陰極室2的頂部連接，陰極生物培養液循環槽9通過管道依次與第一蠕動泵13和陰極室2的底部連接；陽極滲透液槽12通過管道與陽極室的出水腔體4的頂部連接；陽極料液槽11通過管道依次與第二蠕動泵14和陽極室進水腔體15的底部連接。

陽離子交換膜為聚乙烯陽離子交換膜、聚苯醚陽離子交換膜或偏氟乙烯陽離子交換膜。

填料為石墨氈、活性炭或半焦。

參比電極為飽和甘汞參比電極或Ag/AgCl參比電極。

用用于廢水處理的O₂還原生物陰極-電催化膜耦合反應器對廢水中有機污染物進行處理的方法，包括如下步驟：