一种高效非均相臭氧-电芬顿联用催化氧化反应装置的制作方法

1.本实用新型涉及污水处理技术领域，尤其是一种高效非均相臭氧-电芬顿联用催化氧化反应装置。


背景技术：

2.电芬顿技术是利用金属催化剂使反应体系中的过氧化氢迅速生成具有强氧化性的羟基自由基，该技术可氧化破坏多种有毒有害的有机物，适用范围广且反应条件温和，不需要高温高压；催化臭氧氧化技术也是利用反应过程中产生的大量具有强氧化性的自由基来氧化分解水中的有机物。
3.发明人发现，现有的废水处理装置为提高处理效率，多是采用电化学-臭氧联用的技术，但受其结构以及曝气方式的影响，严重影响着处理效率，且能源利用率低，存在二次污染的问题，例如一种管式膜电极与非均相臭氧催化剂耦合降解装置及降解方法(cn202111072954.x)，将臭氧从阳极底部向上吹动、阴极处不曝气以形成循环水流，臭氧无法快速的与装置内的全部废水混合，严重影响了处理效率，且整个装置需要密封，否则在处理过程中臭氧会发生外泄，不仅影响了循环水流的形成，还会对外界环境产生污染，且电化学-臭氧联用的方式需要投加可溶性铁盐，不仅不便于回收利用，反应体系中还会产生铁泥，若处理不当会对环境产生二次污染。


技术实现要素：

4.针对现有技术存在的不足，本实用新型的目的是提供一种高效非均相臭氧-电芬顿联用催化氧化反应装置，利用双金属非均相催化剂对臭氧和过氧化氢进行催化，从而快速生成具有强氧化性的活性氧物种，以实现对难降解有机物的高效去除，可有效地解决难生物降解的有机物降解不完全的问题；且电芬顿与臭氧催化技术联用不需额外投加过氧化氢和可溶性铁盐，有效提高了能源利用率、拓宽了传统ph的适用范围，同时双金属非均相催化剂的联用避免了反应体系中铁泥的产生，无二次污染，解决了现有废水处理装置效率低、易出现二次污染的问题。
5.为了实现上述目的，本实用新型是通过如下的技术方案来实现：
6.第一方面，本实用新型的实施例提供了一种高效非均相臭氧-电芬顿联用催化氧化反应装置，包括反应器、固定设置在反应器内的电极和臭氧曝气机构、投加在反应器内的双金属非均相催化剂，所述臭氧曝气机构位于电极的下方并固定设置在反应器的底部，臭氧曝气机构通过管路与位于反应器外部的臭氧发生器连接，所述电极与位于反应器外部的电源连接，所述反应器的侧壁下部设有进水口，反应器的侧壁上部设有出水口，反应器的顶部设有催化剂投加口和出气口，所述出气口与臭氧尾气破坏器连接。
7.作为进一步的实现方式，所述电极位于进水口与出水口之间。
8.作为进一步的实现方式，所述进水口、出水口相对设置在反应器的两侧。
9.作为进一步的实现方式，所述电极分为由金属材料制成的阴极和由碳素材料制成
的阳极，阳极与电源的正极连接，阴极与电源的负极连接。
10.作为进一步的实现方式，所述阳极与阴极相对设置。
11.作为进一步的实现方式，所述臭氧曝气机构为曝气盘，所述曝气盘上均匀设有若干用于臭氧排出的气孔。
12.作为进一步的实现方式，所述双金属非均相催化剂的体积占反应器容积的1/4-3/4。
13.作为进一步的实现方式，所述双金属非均相催化剂为多孔微球结构。
14.作为进一步的实现方式，所述臭氧曝气机构遍布反应器的底部。
15.作为进一步的实现方式，所述电源为恒流恒压电源。
16.上述本实用新型的有益效果如下：
17.1)本实用新型利用双金属非均相催化剂对臭氧和过氧化氢进行催化，从而快速生成具有强氧化性的活性氧物种，以实现对难降解有机物的高效去除，可有效地解决难生物降解的有机物降解不完全的问题；且电芬顿与臭氧催化技术联用不需额外投加过氧化氢和可溶性铁盐，有效提高了能源利用率、拓宽了传统ph的适用范围，同时双金属非均相催化剂的联用避免了反应体系中铁泥的产生，臭氧尾气被臭氧尾气破坏器收集处理，无二次污染。
18.2)本实用新型双金属非均相催化剂与均相填料相比，一方面非均相填料无需长期投加，大幅度降低了运行成本，避免了二次污染等问题；另一方面，在臭氧的曝气下，双金属非均相催化剂均匀的悬浮在电极附近，加速了反应系统中催化生成羟基自由基、超氧自由基等活性氧物种的反应速率，在充分提高臭氧利用率的基础上对污染物进行高效去除。
19.3)本实用新型臭氧从反应器的整个底部曝气，能够保证臭氧分子与双金属非均相催化剂的充分接触，反应器中气体的流动会有助于反应溶液的均质化，使污染物向阴极快速转移，从而提升反应器中电芬顿的反应效率。
20.4)本实用新型反应器的顶部设有催化剂投加口，能够便于控制双金属非均相催化剂的投加量，双金属非均相催化剂的使用，不会产生铁泥等二次污染物，不仅避免了对环境的二次污染，还便于催化剂的回收循环利用。
附图说明
21.构成本实用新型的一部分的说明书附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。
22.图1为本实用新型实施例提供的一种高效非均相臭氧-电芬顿联用催化氧化反应装置的整体结构示意图；
23.图中：为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意使用；
24.其中，1、反应器；2、电源；3、进水口；4、出水口；5、阴极；6、阳极；7、臭氧曝气机构；8、臭氧发生器；9、双金属非均相催化剂；10、催化剂投加口；11、臭氧尾气破坏器。
具体实施方式
25.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本实用新型提供进一步的说明。除非另有指明，本实用新型使用的所有技术和科学术语具有与本实用新型所属技术领域的普
通技术人员通常理解的相同含义。
26.正如背景技术所介绍的，现有电化学-臭氧联用的废水处理装置受其结构以及曝气方式的影响，严重影响着处理效率的问题，为解决上述问题，本实用新型提供了一种高效非均相臭氧-电芬顿联用催化氧化反应装置。
27.一种高效非均相臭氧-电芬顿联用催化氧化反应装置，如图1所示，包括，反应器1、电极、臭氧曝气机构7，其中，电极分为阴极5和阳极6，阴极5、阳极6以及臭氧曝气盘7均设置在反应器1内。
28.具体的，反应器1的侧壁下部设有进水口3，反应器1的侧壁上部设有出水口4，进水口3与出水口4相对设置在反应器1的两侧，阴极5、阳极6设置在进水口3与出水口4之间，臭氧曝气机构7设置在阴极5、阳极6的下方，从而使得废水从进水口3进入反应器1内反应完全后通过出水口4排出，可实现废水的连续处理，大大提高了处理效率。
29.反应器1的外部设有电源2，电源2为恒流恒压电源，电源2的正极通过导线与反应器1内的阳极6连接，电源2的阴极通过导线与反应器1内的阴极5连接。
30.阴极5与阳极6相对设置，阴极5由碳毡、石墨毡等碳素材料制成，阳极6由pt、mmo、bdd等金属材料制成，臭氧曝气机构7固定设置在阴极5和阳极6的下方。
31.具体的，臭氧曝气机构7安装在反应器1的底部，臭氧曝气机构7遍布反应器1的底部，从而使得臭氧从反应器1的整个底部曝气，以保证臭氧与反应器1中的污染物充分接触，利用臭氧的强氧化性实现对水体中污染物的直接氧化。
32.其中，臭氧曝气机构7可以是曝气盘或是穿孔曝气管，最优为曝气盘结构，当选用曝气盘时，曝气盘上均匀设有若干气孔，臭氧经过曝气盘进入水体中时，会变成粒径较小的臭氧微气泡，使得臭氧能够在反应器1内均匀的与水体混合。
33.臭氧从反应器1的整个底部曝气，反应器1中气体的流动会有助于反应溶液的均质化，使污染物向阴极5快速转移，从而提升反应器1中电芬顿的反应效率。
34.反应器1的外部还设有臭氧发生器8，臭氧发生器8通过管路与臭氧曝气机构7连接，用于持续向臭氧曝气机构7提供臭氧。
35.反应器1的内部投加有球状的双金属非均相催化剂9，双金属非均相催化剂9投加在反应器1内的废水中，用于与反应器1内的臭氧分子接触，保证反应器1内生成更多的活性氧化物(羟基自由基、超氧自由基等)，实现对水体中污染物的高效降解和去除。
36.双金属非均相催化剂9体积占反应器1容积的1/4-3/4，双金属非均相催化剂9可以为fe-cu，fe-mn，fe-ce，cu-co，cu-ce组合中的一种或几种负载在分子筛上，或是制作成双金属壳聚糖微球投加于反应器1中，即由双金属制成的多孔微球结构。
37.其中，分子筛为多孔微球结构，在其外表面上均匀开设有若干孔洞；双金属壳聚糖微球为多孔微球结构。
38.反应器1的顶部设有催化剂投加口10，能够便于控制双金属非均相催化剂9的投加量，双金属非均相催化剂9的使用，不会产生铁泥等二次污染物，不仅避免了对环境的二次污染，还便于催化剂的回收循环利用。
39.双金属非均相(固态)催化剂9与均相(液态)填料相比，一方面非均相填料无需长期投加，大幅度降低了运行成本，避免了二次污染等问题；另一方面，在臭氧的曝气下，双金属非均相催化剂9均匀的悬浮在电极附近，加速了反应系统中催化生成羟基自由基、超氧自
由基等活性氧物种的反应速率，在充分提高臭氧利用率的基础上对污染物进行高效去除。
40.反应器1的顶部设有出气口，出气口与臭氧尾气破坏器11的输入端连接，能够对未反应完全的臭氧尾气进行处理，避免臭氧对环境的破坏。
41.具体的工作原理为：
42.反应时，原水由进水口3通入反应器1之前，通过催化剂投加口10投放双金属非均相催化剂9，原水进入反应器1，臭氧发生器8产生的臭氧经臭氧曝气机构7后，变成粒径较小的臭氧微气泡，自下而上曝气，并使双金属非均相催化剂9悬浮在系统中；
43.打开电源2，正极连接金属阳极6，负极连接碳素阴极5，在阳极6处水分子直接失去电子生成氧气和羟基自由基，在阴极5处氧气发生两电子还原生成过氧化氢，过氧化氢在双金属非均相催化剂9的作用下生成羟基自由基，从而实现对污染物的降解和去除，反应器1中，未反应的臭氧及其他气体，通过顶部的出气口后进入臭氧尾气破坏器11，防止对环境的破坏。
44.由于臭氧是一种强氧化剂，不但其自身有较强的氧化能力，对双键有机物有选择性的去除，还可快速诱发过氧化氢产生羟基自由基，进一步提高反应器1中羟基自由基的生成速率；此外，臭氧气体由反应器1底部的臭氧曝气机构7进入，可使双金属非均相催化剂9处于悬浮状态，增大催化剂与臭氧、过氧化氢的接触面积，促使臭氧与过氧化氢气体快速生成羟基自由基和超氧自由基等活性氧物种，从而实现对污染物的高效降解和去除。
45.实施例1
46.本实施例中，将铂片作为阳极6，电化学改性后的石墨毡作为阴极5，双金属非均相催化剂9为以分子筛为载体，将fe-cu双金属通过共沉淀法负载到分子筛中，反应器1内填充fe-cu双金属非均相催化剂9，且双金属非均相催化剂9体积占反应容器的1/3，双金属非均相催化剂9催化过氧化氢和臭氧生成具有强氧化性的活性氧物种，从而实现对污染物的高效降解和去除。
47.实施例2
48.本实施例中，将mmo作为阳极6，电化学改性后的石墨毡作为阴极5，双金属非均相催化剂9以分子筛为载体，将fe-mn双金属通过共沉淀法负载到分子筛中，反应器1内填充fe-mn双金属非均相催化剂9，且双金属非均相催化剂9体积占反应器1的2/3，双金属非均相催化剂9催化过氧化氢和臭氧生成具有强氧化性的活性氧物种，从而实现对污染物的高效降解和去除。
49.实施例3
50.本实施例中，将bdd作为阳极6，电化学改性后的碳毡作为阴极5，双金属非均相催化剂9以分子筛为载体，将cu-co和cu-ce两种组合双金属通过共沉淀法负载到分子筛中，反应器1内填充双金属非均相催化剂9，且双金属非均相催化剂9体积占反应容器的3/4，双金属非均相催化剂9催化过氧化氢和臭氧生成具有强氧化性的活性氧物种，从而实现对污染物的高效降解和去除。
51.以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。