一种基于电磁感应原理的填充式电催化氧化反应器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型属于高级氧化水处理技术领域，涉及电磁感应填充式电化学反应器， 其用于有机废水处理。
【背景技术】
[0002] 随着工业发展及社会的进步，人类面临的主要课题之一就是环境保护与可持续发 展，其中水污染治理又是环境保护的重点内容之一。有机污染物尤其生物难降解有机污染 物的处理是水污染治理的难点和热点。高级氧化技术为难降解有机污染物治理提供了一条 重要的途径，已成为正在迅速发展中的水处理新技术。其中电催化氧化法与其它高级氧化 技术相比以电子作为反应剂，电压梯度为反应动力，一般不需要外加化学试剂，不易造成二 次污染，能量要求简单，有利于实现高效率、低成本，易于实现自动控制，被称为"环境友好" 的高级氧化技术。它的基本原理是使有机污染物直接在电极上得失电子而发生氧化还原， 或利用在电极反应产生的各种强氧化剂使污染物被降解。因此选用适当电极材料提高电流 效率、增大工作电极的表面积、减小电极间距(缩短反应物迀移的距离)及采用适当的电源 供电方式等措施是提高电催化氧化法降解有机污染物效率的有效方法。
[0003] 传统的二维电极法由于面体比小，有机物降解效果并不理想，专利CN201882957U 通过将阴阳电极交错均匀间隔布置，减少电极间距，使反应器容纳的电极面积加大，提高了 电催化氧化效果，专利CN102603038A通过进一步设置与导电条相连的阴阳极电极架，使电 极的固定方式为插入式，便于电极的安装及后续电极的更换与反应器的清洗。但上述专利 由于减小了阴阳电极间距，导致相邻阴阳电极间易发生短路现象，存在即是仅一对阴阳极 短路，也会使整个电化学反应器无法正常工作问题。
[0004] 为了提高电催化氧化效果，Bickhuast在20世纪60年代末期提出了三维电极的 概念。在此基础上Fleischman M.于1973年开发出复极性固定床电解槽（bipolar packed bed cell，简称BPBC)，它是在传统的二维电解槽电极间装填粒状或其他碎肩状工作电极 材料，在主电极电场作用下，微粒因静电感应而复极化，在粒子的一端发生阳极反应，另一 端发生阴极反应，整个粒子成为一个立体的电极，粒子之间构成一个微电解池，整个电解槽 由这样的很多微电解池组成，与二维电极相比，复极性固定床电解槽在相同反应体积情况 下，可提供较大的电极表面，且因粒子的间距小，物质传递的效果得到极大改善，因而 它极大地提高了有机污染物的降解效率。
[0005] 专利CN103928202A将聚酰亚胺膜包覆的同质粒子电极制得的绝缘粒子与粒子电 极按一定比例混合作为三维电极反应器的填料，提高填充粒子的复极化率，降低了短路电 流，提高了有机污染物的降解效率，但存在绝缘粒子占据反应器的有效工作空间的问题;专 利CN103241807A以表面负载金属氧化物催化剂的活性炭粒子作为粒子电极，将表面负载金 属氧化物催化剂的多孔瓷环粒子作为绝缘粒子，提高了电解槽的有效工作空间，但上述专 利都存在粒子电极长期运转后表面易结垢堵塞失效的问题。专利CN201265045Y采用空气曝 气方法使粒子电极保持悬浮状态，专利CN101691251A采用可调速机械搅拌方式使粒子电极 处于悬浮状态，通过粒子间的相互碰撞摩擦，实现对电极的清洗，使电极表面处于洁净状 态，但这种碰撞摩擦也会加剧粒子电极的磨损，尤其是导致粒子表面负载的催化剂磨损，反 而会使粒子电极的使用寿命缩短。另外由于粒子电极电位与主电极位置、所加电压及电解 质浓度有关(周集体，杨松，艾尼瓦尔，胡军.复极性固定床电解槽中粒子电极感应电位研 究[J]，环境科学与技术，2004,27(6): 27-30.)，当主电极位置及电解质浓度的发生微小变 化时会导致反应器对有机污染物降解效率发生变化，尤其当粒子电极处于悬浮状态时，还 会导致反应器馈电电位分布不均匀，影响粒子电极电位，从而可能使反应器的降解效率下 降，反应器性能的稳定性受到影响。此外，对表面负载有催化活性金属氧化物的粒子电极， 粒子电极因静电感应而复极化，其一端发生阳极氧化反应，另一端发生阴极还原反应，还原 反应可能使粒子电极负载的金属氧化物价态发生变化，导致催化活性及使用寿命受到影 响。因此研制降解效率高，性能长期稳定的新型电催化氧化反应器，对水污染治理，尤其处 理生物难降解有机污染物，保护环境与维持社会的可持续发展具有重要意义。
【发明内容】
[0006] 本实用新型专利的目的在于针对现有技术的不足，提供一种综合应用无线供电技 术、高频电磁场水处理技术和电催化氧化水处理技术的微型电解池填充式电催化氧化反应 器。它特别适合于处理有机污染物废水尤其生物难降解有机污染物废水。
[0007] 为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案为：一种基于电磁感应原理的填充 式电催化氧化反应器，包括高频电源（1)、支撑支架(2)、空气栗(3)、空气进口（4)、循环水进 口（5)、多孔支撑板(6)、循环水栗(7)、微型电解池(8)、电磁螺线管(9)、循环水出口（10)、槽 体(11)，其特征在于固定在支撑支架(2)上的槽体(11)底端开有空气进口（4)和循环水进口 (5)，空气进口连通空气栗(3)，循环水进口（5)连接循环水栗(7)接通槽体（11)上部的循环 水出口（10)，槽体（11)内下部安装一多孔支撑板(6)，多孔支撑板(6)上方的槽体（11)内紧 密填充有若干微型电解池(8)，槽体（11)外壁绕制螺线管作为电磁螺线管(9)，所述电磁螺 线管(9)和高频电源(1)连接；
[0008] 所述微型电解池(8)的结构是：阴极(803)由碳纤维、不锈钢或钛材料制成管状结 构，阳极(804)采用形稳电极，电极支架(805)通过胶粘剂粘接在阴极(803)管两端并固定 住外围的阳极(804)，阴极(803 )、阳极(804)、电极支架(805 )间形成的腔体通过阳极(804) 或电极支架(805)的槽孔与外界相通;感应线圈（801)的输出端与整流桥(802)交流输入端 相连接，感应线圈（801)和整流桥(802 )置于阴极(803 )管内，整流桥(802 )的直流输出负极 端(807)用导电胶或焊锡(808)与阴极(803)管内壁胶粘或焊接一起，整流桥(802)的直流输 出正极端(806)用钛金属线(810)引出阴极(803)管外与阳极(804)相连；用硅胶(809)将阴 极(803)管内的感应线圈（801)和整流桥(802)完全密封。
[0009] 高频电源（1)产生的高频交变电流通过绕在槽体（11)外壁的电磁螺线管(9)在槽 体内产生高频交变磁场，通过电磁感应方式为紧密填充在槽体（11)内的微型电解池(8)无 线提供电能。
[0010]采用上述基于电磁感应原理的无线供电微型电解池填充式电催化氧化反应器处 理废水时，首先将组装好的众多微型电解池紧密填充在槽体内，将待处理废水装入槽体中， 水面要高于循环水出口，废水充满微型电解池的阴阳极间距中；启动空气栗，空气鼓包起到 加速传质过程和提供电化学反应所需氧气的作用;开启循环水栗，使待处理水能被循环处 理；启动高频电源，高频交变电流通过绕在槽体外壁的电磁螺线管在槽体内产生高频交变 磁场，通过电磁感应方式为每个微型电解池降解有机污染物无线提供电能，有机污染物被 电催化降解，同时废水也受到高频交变磁场作用，阻止污垢沉积在电极上。
[0011]电极支架(805)可用有机玻璃或聚四氟乙烯材料制成，用胶粘剂粘接在阴极(803) 管两端起固定阳极(804)，控制阴极(803)管与阳极(804)间距离的作用。
[0012] 优选的技术方案:高频电源（1)产生正弦或方波交流电，频率在50HZ-100KHZ;微型 电解池阳极(804)采用钛基二氧化铅电极、钛基铱钌电极或钛基铱钽电极；电磁螺线管(9) 和高频电源(1)连接的电路上并联或串联有补偿电容(12 )。
[0013] 本实用新型的效益是：
[0014] 1、本实用新型反应器中的微型电解池各自独立无线供电，微型电解池电极电位不 受废水水质尤其其中的电解质浓度的影响，也不受其它微型电解池是否正常工作影响，反 应器性能稳定。
[0015] 2、由于使用众多的微型电解池，与传统的二维电极反应器相比本实用新型反应器 的面体比大大提尚。
[0016] 3、微型电解池减少了阴阳极间距，极大地缩短反应物迀移的距离，加快传质过程， 使本实用新型进一步提高了污染物的降解效率。
[0017] 4、微型电解池阴、阳极分离独立，方便采用与其电极反应更适用的催化活性材料， 电流效率更高，使用寿命更长。
[0018] 5、本实用新型处理的废水受到高频交变磁场的作用，阻止污垢在电极上沉积结 垢，极大提高了反应器的降解效率和使用寿命。
【附图说明】
[0019] 图1是本实用新型实施例一的填充式电催化氧化反应器组成结构示意图。
[0020] 图2是实施例一微型电解池工作原理图。
[0021 ]图3是实施例一微型电解池结构剖面图。
[0022] 图4是实施例一的微型电解池结构不意图。
[0023] 图5是实施例二苯酚模拟废水降解效果图。
【具体实施方式】
[0024] 下面结合附图和实施实例对本实用新型作进一步说明。
[0025]实施例一：参见图1至图3,选用内径10毫米，外径12毫米，长25毫米的碳纤维管作 为微型电解池(8)的阴极(803);选用长25毫米宽15毫米厚0.7毫米的钛基二氧化铅为阳极 (804);将1.5毫米厚有机玻璃板，切割成边长25毫米等边三角形，在三角形中心切割直径12 毫米圆孔，并沿直径20毫米与上述圆孔同心的圆周将上述三角形三个角切除后作为电极支 架（805);选用33mH直径8毫米长度10毫米的工字型功率电感为感应线圈（801)，整流桥 (802)选用圆形2W10型整流桥，把工字型功率电感感应线圈（801)的输出端与2W10型整流桥 (802)交流输入端相连接，将它们置于碳纤维阴极(803)管内，2W10型圆形整流桥(802)的直 流输出负极端(807 )用导电胶(808 )与碳纤维阴极(803 )管内壁胶粘一起，用钛金属线(810 ) 将2W10型圆形整流桥(802)的直流输出正极端(806)引出碳纤维阴极(803)管外，与三片钛 基二氧化铅阳极(804)相连;用硅胶(809)将碳纤维阴极(803)管内的工字型感应线圈（801) 和2W10型圆形整流桥(802)完全密封;用胶粘剂将两片有机玻璃电极支架(805)分别粘接在 碳纤维阴极（803)管两端，并用钛金属线将三片钛基二氧化铅阳极(804)固定在电极支架 (805)上。
[0026]选用外径80晕米，壁厚5晕米长200晕米的有机玻璃管制作反应器槽体（11)，在直 径70毫米厚5毫米的有机玻璃圆板上切割边间距2毫米直径2毫米的孔制作多孔支撑板(6)， 其它如支撑支架(2)、空气进口（4)、循环水进口（5)、循环水出口（10)等选用有机玻璃材料 制作;选用直径0.8毫米的漆包线在槽体外壁绕制长112毫米共140圈的螺线管作为电磁螺 线管(9)，选用400V103PF薄膜CBB电容作为补偿电容（12)，以信号源和高频功放电路制作高 频电源（1)，将电磁螺线管(9)与补偿电容（12)串联后再与高频电源（1)的输出端相连接;将 前述制作的微型电解池(8)20只分四层每层5只填充槽体内；用硅橡胶管将电磁空气栗的出 口与反应器的空气进口（4)连接；以蠕动栗作为循环水栗(7)，用硅橡胶管将反应器的循环 水出口（10)与循环水栗（7)的进口相连，循环水栗(7)的出口与反应器的循环水进口（5)相 连接。
[0027]实施例二:采用实施例一的装置处理苯酚模拟废水。
[0028] 将含25mg/L苯酚（内含硫酸钠12.5mmol/L，溶液的pH=5)模拟废水550mL置于反应 器内，开启空气栗(3)，控制空气流量为2.3L/min，开启循环水栗(7)，使循环水流量为80mL/ min，开启高频电源（1)，输出正弦交流电，频率50kHz，输出电压30V，每隔30分钟取样，采用 高效液相色谱法分析苯酚模拟废水的峰面积计算苯酚降解率P，计算公式见下式，降解效果 如图5。
[0030] 式中:A0-处理前苯酚溶液的峰面积;At-处理t时间后苯酚溶液的峰面积。
[0031]结果表明本实用新型的装置能有效降解苯酚废水。
【主权项】
1. 一种基于电磁感应原理的填充式电催化氧化反应器，包括高频电源（1)、支撑支架 (2)、空气栗(3)、空气进口（4)、循环水进口（5)、多孔支撑板(6)、循环水栗(7)、微型电解池 (8 )、电磁螺线管(9 )、循环水出口（ 10)、槽体(11)，其特征在于固定在支撑支架(2)上的槽体 (11)底端开有空气进口（4)和循环水进口（5)，空气进口连通空气栗（3)，循环水进口（5)连 接循环水栗(7)接通槽体（11)上部的循环水出口（10)，槽体（11)内下部安装一多孔支撑板 (6 )，多孔支撑板(6 )上方的槽体(11)内紧密填充有若干微型电解池(8 )，槽体(11)外壁绕制 螺线管作为电磁螺线管(9)，所述电磁螺线管(9)和高频电源(1)连接； 所述微型电解池(8)的结构是：电极支架(805)通过胶粘剂粘接在阴极(803)管两端并 固定住外围的阳极(804)，阴极（803)、阳极(804)、电极支架(805)间形成的腔体通过阳极 (804)或电极支架(805)的槽孔与外界相通;感应线圈（801)的输出端与整流桥(802)交流输 入端相连接，感应线圈（801)和整流桥(802)置于阴极(803)管内，整流桥(802)的直流输出 负极端(807)用导电胶或焊锡(808)与阴极(803)管内壁胶粘或焊接一起，整流桥(802)的直 流输出正极端(806)用钛金属线（810)引出阴极(803)管外与阳极(804)相连；用硅胶(809) 将阴极(803)管内的感应线圈（801)和整流桥(802)完全密封。2. 根据权利要求1所述的一种基于电磁感应原理的填充式电催化氧化反应器，其特征 在于电磁螺线管(9)和高频电源(1)连接的电路上并联或串联有补偿电容(12)。3. 根据权利要求1所述的一种基于电磁感应原理的填充式电催化氧化反应器，其特征 在于微型电解池的阴极(803)管由碳纤维、不锈钢或钛材料制成，阳极(804)采用钛基二氧 化铅电极、钛基铱钌电极或钛基铱钽电极，电极支架(805)采用有机玻璃或聚四氟乙烯材料 制成。4. 根据权利要求1所述的一种基于电磁感应原理的填充式电催化氧化反应器，其特征 在于高频电源（1)产生正弦或方波交流电，频率在50Hz-100KHz。
【专利摘要】一种基于电磁感应原理的填充式电催化氧化反应器，属于高级氧化水处理技术领域，包括高频电源、支撑支架、空气泵、空气进口、循环水进口、多孔支撑板、循环水泵、微型电解池、电磁螺线管、循环水出口、槽体，固定在支撑支架上的槽体底端开有空气进口和循环水进口，空气进口连通空气泵，循环水进口连接循环水泵接通槽体上部的循环水出口，槽体内下部安装一多孔支撑板，多孔支撑板上方的槽体内紧密填充有若干微型电解池，槽体外壁绕制螺线管作为电磁螺线管，所述电磁螺线管和高频电源连接；本反应器中的微型电解池各自独立无线供电，反应器性能稳定，提高了污染物的降解效率，使用寿命更长。
【IPC分类】C02F101/30, C02F1/74, C02F1/461
【公开号】CN205387490
【申请号】CN201521032147
【发明人】孟庆华, 孙纪远, 武真, 袁兴程, 李亮, 李广超
【申请人】江苏师范大学
【公开日】2016年7月20日
【申请日】2015年12月14日