一种套环式双螺旋电化学装置及应用方法

本发明涉及电化学水处理与资源化回收，具体涉及一种套环式双螺旋电化学装置及应用方法。

背景技术：

1、伴随电镀、电子和冶金等工业的迅猛发展，导致排放的工业废水中的重金属污染问题十分突出。工业废水中的重金属离子因其具有环境毒性、不可生物降解性和持久性对生物和环境构成了严重威胁。由于其不可生物降解且生物半衰期较长，废水中的重金属导致地下水、地表水、土壤和农作物受到严重污染。因此，针对重金属废水的治理已经迫在眉睫。

2、考虑到废水中含有的重金属也是一种重要资源，重金属矿物属于不可再生资源，但是每年通过工业过程却造成了数十万吨重金属被排放到环境中，造成了极大的资源浪费。因此，实现废水重金属的处理和资源化回收具有积极的现实应用价值和经济价值。

3、目前，去除和回收废水重金属的主流方法为物理化学方法。该方法需要在处理过程中加入大量化学试剂，最终导致处理后的废水盐度比海水还高。不但影响了废水的可生化性能，而且难以在后续处理过程去除氨氮和总磷等物质，还使得分离重金属的过程中产生大量污泥，并使废水的回用难度极大提升，进一步提高了回收成本。

4、电化学处理是污水处理中一项新技术，电化学技术能够诱发和加速化学反应，具有绿色、高效等优点。因此，利用电化学技术有望实现对重金属废水的有效去除和资源化回收。

5、综上所述，需要开发一种套环式双螺旋电化学装置及应用方法用于去除并回收废水中的重金属。

技术实现思路

1、本发明目的在于提供一种套环式双螺旋电化学装置及应用方法，具体技术方案如下：

2、在第一方面，本发明提供了一种套环式双螺旋电化学装置，包括反应室、内螺旋电极、外螺旋电极、直流电源、量子点活性电极和磁力搅拌器；

3、在所述反应室的顶部设置进水口和投料口，在所述反应室的底部的一侧设置出水口；在所述反应室内沿其轴向设置支撑柱，且所述支撑柱与所述反应室内的底部连接；所述内螺旋电极设置在所述反应室内，且套设在所述支撑柱的外壁面上；所述外螺旋电极设置在所述反应室内，且同轴套设在所述内螺旋电极的外侧，并与所述反应室的内壁面连接；所述外螺旋电极与所述直流电源的正极连接，所述内螺旋电极与所述直流电源的负极连接；所述量子点活性电极的数量为多个，且均设置在所述反应室内；所述磁力搅拌器设置在所述反应室内的底部。

4、可选的，所述套环式双螺旋电化学装置还包括回收池、筛板、刮泥组件和交流电源；

5、所述回收池设置在所述反应室的下方，且二者间通过所述筛板连通；所述磁力搅拌器设置在所述筛板上；所述刮泥组件包括刮泥板、转轴和驱动件；所述转轴可转动设置在所述回收池的轴线上，所述转轴的一端设置在所述回收池内，而另一端贯穿所述回收池的底部，且与所述驱动件的输出端连接；所述驱动件设置在所述回收池的底部外侧；所述刮泥板设置在所述回收池内，且与所述转轴连接；所述刮泥板远离所述转轴的一端朝向所述回收池的内侧壁设置，且与所述回收池的内侧壁贴合或留有间隙；在所述回收池的一侧壁上设置排泥口和用于调节排泥口开合及开口大小的调节板；所述调节板可转动设置在所述排泥口上；所述交流电源的正极和负极均与所述外螺旋电极连接。

6、可选的，所述反应室还包括可拆卸设置在其顶部的盖板，所述进水口和所述投料口均设置在所述盖板上；在所述盖板上还设置排气孔。

7、可选的，所述筛板上的筛孔的孔径范围为0.05～0.5mm。

8、在第二方面，本发明提供了一种所述套环式双螺旋电化学装置的应用方法，包括：

9、步骤s1、经所述投料口向所述反应室内投入所述量子点活性电极；

10、步骤s2、经所述进水口向所述反应室内加入重金属废水，控制在每升所述重金属废水中，所述量子点活性电极的投入量为1～5g；

11、启动所述直流电源，使得所述内螺旋电极和所述外螺旋电极形成均化电场；启动所述磁力搅拌器，使得所述量子点活性电极被均匀分散在所述重金属废水中，实现对所述重金属废水中的重金属离子进行还原处理，形成重金属沉淀和净化水；其中，净化水经所述出水口排出，重金属沉淀被吸附在所述量子点活性电极的孔隙中；

12、步骤s3、重复步骤s2至20～30次，所述量子点活性电极吸附重金属沉淀饱和或接近饱和时，经所述进水口向所述反应室内加入液体介质；启动所述磁力搅拌器搅拌至所述量子点活性电极与所述液体介质混匀；启动所述交流电源，使得所述外螺旋电极产生热量以破碎所述量子点活性电极，所述量子点活性电极吸附的重金属沉淀被释放出来，经所述筛板流入所述回收池内；沉淀20～30min；所述液体介质经所述出水口排出，重金属沉淀经所述刮泥组件作用从所述排泥口排出。

13、可选的，所述重金属废水中的重金属离子包括tl离子、cr离子、pb离子、cd离子和cu离子中的至少一种；

14、在步骤s2中，所述直流电源采用的电压范围为2～5v/cm，运行时间为30～60min；所述磁力搅拌器的转速为100～150rpm；

15、在步骤s3中，所述交流电源采用的电压范围为220～380v/cm，运行时间为1～2h；所述磁力搅拌器的转速为200～300rpm；所述液体介质包括纯水、自来水和盐溶液；所述盐溶液(如硫酸钠溶液)的摩尔浓度为0.05～0.2m。

16、可选的，所述应用方法还包括制备所述量子点活性电极，其制备方法如下：

17、步骤a1、将制备的碳量子点和制备的氧化纤维素溶液混匀后，加入烧瓶中，随后加入乙酸，经加热反应，反应时冷凝回流并搅拌；将反应后的液体用透析袋过滤，收集透析袋内液体，得到碳量子点-纤维素网络；

18、步骤a2、将所述碳量子点-纤维素网络加入二甲基亚砜溶液中，搅拌均匀；随后，加入聚乙烯醇，并加热反应，反应结束后将反应液体注入模具中，冻融成形，得到量子点活性电极。

19、可选的，在步骤a1中，制备所述碳量子点的方法如下：在15～25ml去离子水中加入柠檬酸1.5～2.5g、氧化铁50～100mg和乙二胺0.1～0.5ml，经超声处理得到混合溶液；随后，将混合溶液在180～220℃条件下加热反应1～2h；将反应后的混合溶液冷却至室温后，采用孔径大小为500～1000da透析袋透析36～48h；将透析袋内的液体收集干燥，得到所述碳量子点；其中，采用的超声时间为10～30min，超声频率为40khz；

20、在步骤a1中，制备所述氧化纤维素溶液的方法如下：取高碘酸钠1～2g溶解于90～110ml且浓度为2～3wt％的纤维素溶液中，经避光混匀后，加入乙二醇0.5～1.0ml，在100～150rpm条件下搅拌混匀，收集液体采用孔径大小为8～14kda的透析袋过滤；每透析一天更换一次透析水，透析4～7d，收集透析袋内的液体得到所述氧化纤维素溶液。

21、可选的，在步骤a1中，在制备所述碳量子点-纤维素网络时，所述碳量子点的用量为20～50mg；所述氧化纤维素溶液的用量为18～22g；所述碳量子点和所述氧化纤维素溶液在混匀时采用搅拌混匀，搅拌转速为100～150rpm，搅拌时间为30～60min；乙酸的用量为0.2～0.6ml；在加热反应时采用的温度为80～90℃，反应时间为4～6h；采用的透析袋的孔径大小为8～14kda，透析时间为2～4d。

22、可选的，在步骤a2中，在制备所述量子点活性电极时，采用所述碳量子点-纤维素网络的用量为6～10g，采用所述二甲基亚砜的用量为10～14g；在所述碳量子点-纤维素网络和所述二甲基亚砜溶液搅拌均匀时，采用的搅拌转速为100～150rpm，搅拌时间为30～60min；采用所述聚乙烯醇的用量为1.5～2.0g；在加热反应时采用的温度为80～100℃，反应时间为4～6h；冻融采用的温度为-4～-20℃。

23、应用本发明的技术方案，至少具有以下有益效果：

24、(1)本发明提供的一种套环式双螺旋电化学装置及应用方法，能够高效还原去除重金属废水中的重金属离子，达到水体净化的效果。具体的，经投料口向反应室内投入量子点活性电极，经进水口向反应室内加入重金属废水，控制在每升重金属废水中，量子点活性电极的投入量为1～5g；启动所述磁力搅拌器，使得所述量子点活性电极被均匀分散在反应室内重金属废水的各个位置中；在所述反应室内沿其轴向设置内螺旋电极，外螺旋电极同轴套设在内螺旋电极的外侧，并与反应室内壁面连接，在直流电源作用下能够实现电场均化，使得量子点活性电极在反应室内重金属废水的各个位置都能发挥最佳电催化活性，实现对重金属的去除效率呈现数量级规模提升，极大缩短了处理时间；其中，量子点活性电极对重金属废水中的重金属离子进行还原处理，形成重金属沉淀和净化水；其中，净化水经出水口排出，重金属沉淀被吸附在量子点活性电极的孔隙中；采用支撑柱便于固定内螺旋电极，提高其稳定性。

25、(2)本发明提供的一种套环式双螺旋电化学装置及应用方法，还能够回收重金属沉淀，实现重金属资源回用。具体的，量子点活性电极吸附重金属沉淀饱和或接近饱和时，经进水口向反应室内加入液体介质；启动磁力搅拌器搅拌至所述量子点活性电极与液体介质混匀；启动交流电源，使得外螺旋电极产生热量，通过液体介质的导热作用，将热量传递至均匀分散在液体介质中各位置处的量子点活性电极上，使得各量子点活性电极受热破碎，量子点活性电极吸附的重金属沉淀被释放出来，经筛板流入回收池内；经刮泥组件作用将重金属沉淀从排泥口排出，即可回收重金属沉淀，实现重金属资源回用。

26、(3)本发明中在制备量子点活性电极时，采用碳量子点与纤维素通过加热发生席夫碱反应形成连接的碳量子点-纤维素网络，避免碳量子点析出，同时组合使用聚乙烯醇，能够更有效的包裹碳量子点-纤维素网络，有效抑制了量子点活性电极中碳量子点的析出，延长了量子点活性电极使用寿命，使得本发明制备的量子点活性电极具有更强大的重金属去除和富集能力，为重金属资源回收奠定重要基础。本发明中制备的量子点活性电极中的碳量子点在电场中能够产生大量氧活性物质(如羟基自由基、超氧自由基和单线态氧等)，这些氧活性物质由于带有孤电子，可以被量子点活性电极中的氧化铁通过电磁作用束缚在量子点活性电极内部，提高了量子点活性电极中局部氧活性物质浓度；氧活性物质与重金属离子接触反应，促进重金属离子形成易沉淀形态实现重金属废水净化。此外，在施加直流电场作用下，量子点活性电极中的碳量子点可在其一端形成富电子的还原区，重金属离子与还原区直接接触，发生连续电子转移过程得到被还原的重金属单质而沉淀。再有，在启动交流电源后，外螺旋电极不仅产生热量，将量子点活性电极的聚乙烯醇结构溶解破碎，进而将量子点活性电极中含有的催化核心和重金属沉淀释放出来；在启动交流电源后，外螺旋电极还会产生磁场，催化核心含有的氧化铁经磁力作用附着在外螺旋电极表面，实现催化核心与重金属沉淀的分离，便于实现对催化核心的回用(如再次制备量子点活性电极)以及实现对重金属的回用。

27、除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。