公布日：2023.09.01

申請日：2023.06.19

分類號：C02F1/461(2023.01)I;C02F1/72(2023.01)I;C02F101/30(2006.01)N

摘要

本發明提供一種三維電化學反應器及其處理有機廢水的方法。該三維電化學反應器，包括網狀陰極、網狀陽極和粒子電極粉末；粒子電極粉末的制備原料包括：釩鈦磁鐵冶煉渣和咖啡渣。本發明通過利用釩鈦磁鐵冶煉渣和咖啡渣作為制備粒子電極粉末的原料，在實現了固體廢物資源化的同時，還達到以廢治廢的良好循環。且本發明將三維電化學技術與基于過氧化氫和過硫酸鹽高級氧化技術結合，一方面，粒子電極可在電流作用下極化為若干個微電場，縮短了體系傳質距離，提供更多的反應面積；另一方面，可促使過氧化氫和過硫酸鹽等氧化劑的高效活化，增加體系中的活性氧化物種的種類和含量。與現有技術相比，本發明通過利用過有效協同電化學氧化和催化氧化，大大提高了廢水中難降解有機物的降解效果。

權利要求書

1.一種三維電化學反應器，包括網狀陰極、網狀陽極和粒子電極粉末；其特征在于，所述粒子電極粉末的制備原料包括：釩鈦磁鐵冶煉渣和咖啡渣。

2.根據權利要求1所述的三維電化學反應器，其特征在于，所述粒子電極粉末的制備包括以下步驟：將烘干的釩鈦磁鐵冶煉渣和烘干的咖啡渣，按質量比為3：1混合，將兩者的混合物渣在管式爐中進行煅燒，將煅燒后的混合物研磨為粉末狀，使用100目不銹鋼篩進行篩分，留存篩下物質，即得到所述粒子電極粉末。

3.根據權利要求2所述的三維電化學反應器，其特征在于，所述烘干的釩鈦磁鐵冶煉渣的制備包括：將釩鈦磁鐵冶煉渣破碎，使用50目的不銹鋼篩進行篩分；將篩下物質用去離子水淋洗、并在烘箱中以30℃烘干；將烘干后的篩下物質浸入含過渡金屬離子的溶液中，在500～800轉/分的轉速下攪拌，同時實施超聲浸漬，一定時間后，取出篩下物質并過濾，并在烘箱中以35℃烘干。

4.根據權利要求2所述的三維電化學反應器，其特征在于，所述烘干的咖啡渣的制備包括：將咖啡渣和質量百分比濃度為75％的乙醇，按質量比1：5混合，并將混合物置于玻璃器皿中，使用超聲振蕩清洗一定時間后過濾；將過濾后的咖啡渣用去離子水淋洗、并在烘箱中以35℃烘干。

5.根據權利要求3所述的三維電化學反應器，其特征在于，所述含過渡金屬離子的溶液，過渡金屬離子的濃度為0.5-1.0mol/L。

6.根據權利要求2所述的三維電化學反應器，其特征在于煅燒溫度為500-700℃，煅燒時間為1-3h。

7.根據權利要求1所述的三維電化學反應器，其特征在于，所述陰極網環、陽極網環之間的間距為1.5～2.5cm。

8.根據權利要求1所述的三維電化學反應器，其特征在于，所述三維電化學反應器的內部設置有曝氣和攪拌裝置；所述粒子電極粉末的投加量為1-3g/L。

9.一種利用權利要求1-8任一所述的三維電化學反應器處理有機廢水的方法，其特征在于，包括以下步驟：S1：檢測待處理有機廢水pH值，使其pH值在3.5至9.5之間；S2：將調整好pH的待處理有機廢水注入三維電化學反應器中，將陰極網環、陽極網環插入所述三維電化學反應器中，同時開啟攪拌裝置使反應器內的有機廢水達到紊流狀態；S3：在陰極網環、陽極網環中填充粒子電極，使粒子電極伴隨水利攪拌呈流化狀態；S4：連接陰陽網環與直流電源，使電源正極與所述陽極網環相連，電源負極與陰極網環相連，開啟所述直流電源的同時加入過氧化氫或過硫酸鹽溶液，對廢水進行催化降解。

10.根據權利要求9所述的方法，其特征在于，所述過氧化氫或過硫酸鹽溶液在難降解有機廢水中的濃度為5-20mmol/L。

發明內容

本發明的目的在于解決上述現有技術存在的缺陷，提供一種三維電化學反應器及其處理難降解有機廢水的方法。

一種三維電化學反應器，包括網狀陰極、網狀陽極和粒子電極粉末；所述粒子電極粉末的制備原料包括：釩鈦磁鐵冶煉渣和咖啡渣。

進一步地，如上所述的三維電化學反應器，所述粒子電極粉末的制備包括以下步驟：

將烘干的釩鈦磁鐵冶煉渣和烘干的咖啡渣，按質量比為3：1混合，將兩者的混合物渣在管式爐中進行煅燒，將煅燒后的混合物研磨為粉末狀，使用100目不銹鋼篩進行篩分，留存篩下物質，即得到所述粒子電極粉末。

進一步地，如上所述的三維電化學反應器，所述烘干的釩鈦磁鐵冶煉渣的制備包括：

將釩鈦磁鐵冶煉渣破碎，使用50目的不銹鋼篩進行篩分；將篩下物質用去離子水淋洗、并在烘箱中以30℃烘干；

將烘干后的篩下物質浸入含過渡金屬離子的溶液中，在500～800轉/分的轉速下攪拌，同時實施超聲浸漬，一定時間后，取出篩下物質并過濾，并在烘箱中以35℃烘干。

進一步地，如上所述的三維電化學反應器，所述烘干的咖啡渣的制備包括：

將咖啡渣和質量百分比濃度為75％的乙醇，按質量比1：5混合，并將混合物置于玻璃器皿中，使用超聲振蕩清洗一定時間后過濾；

將過濾后的咖啡渣用去離子水淋洗、并在烘箱中以35℃烘干。

進一步地，如上所述的三維電化學反應器，所述含過渡金屬離子的溶液，過渡金屬離子的濃度為0.5-1.0mol/L。

進一步地，如上所述的三維電化學反應器，其特征在于煅燒溫度為500-700℃，煅燒時間為1-3h。

進一步地，如上所述的三維電化學反應器，所述陰極網環、陽極網環之間的間距為1.5～2.5cm。

進一步地，如上所述的三維電化學反應器，所述三維電化學反應器的內部設置有曝氣和攪拌裝置；所述粒子電極粉末的投加量為1-3g/L。

一種利用三維電化學反應器處理有機廢水的方法，包括以下步驟：

S1：檢測待處理有機廢水pH值，使其pH值在3.5至9.5之間；

S2：將調整好pH的待處理有機廢水注入三維電化學反應器中，將陰極網環、陽極網環插入所述三維電化學反應器中，同時開啟攪拌裝置使反應器內的有機廢水達到紊流狀態；

S3：在陰極網環、陽極網環中填充粒子電極，使粒子電極伴隨水利攪拌呈流化狀態；

S4：連接陰陽網環與直流電源，使電源正極與所述陽極網環相連，電源負極與陰極網環相連，開啟所述直流電源的同時加入過氧化氫或過硫酸鹽溶液，對廢水進行催化降解。

如上所述的方法，所述過氧化氫或過硫酸鹽溶液在難降解有機廢水中的濃度為5-20mmol/L。

本發明提供的三維電化學反應器，粒子電極采用釩鈦磁鐵冶煉渣和咖啡渣制備得到，實現了固體廢物資源化的同時，還達到以廢治廢的良好循環。而且本發明將三維電化學技術與基于過氧化氫、過硫酸鹽的高級氧化技術結合，一方面，粒子電極可在電流作用下極化為若干個微電場，縮短了體系傳質距離，提供更多的反應面積；另一方面，可促使過氧化氫或過硫酸鹽等氧化劑的高效活化，增加體系中的活性氧化物種的種類和含量，從而大大提高了廢水中難降解有機物的降解效果。

此外，本發明利用三維電化學反應活化過氧化氫或過硫酸鹽等氧化劑，克服了傳統鐵基催化劑活化過氧化氫反應所需低pH范圍的缺陷，使系統在酸性到弱堿性的廣pH范圍(約小于等于9.5)內均具有良好降解效果，大大降低pH調解藥劑成本。

本發明在三維電化學反應器底部設置攪拌器，一方面能夠使廢水保持紊流狀態，防止廢水中懸浮物質的沉積堆疊，另一方面也使粒子電極呈現流化狀態，從而增加了傳質效率且不易短路、板結，提高了三維電化學反應器的壽命。

本發明將固廢資源化利用、三維電化學技術、過氧化氫高級氧化技術協同，結構簡單、工藝集成、利于自動化，可經濟、高效地實現難降解有機廢水的深度處理。

本發明通過將篩下物質浸入含過渡金屬離子的溶液中，使得將相應金屬能夠負載到鋼渣上，從而使粒子電極有更好的導電和催化性能。

（發明人：任旭;宋凱;湯培新;彭鑫;潘志成;曾麗）