CN107459113A - 一种基于双极性电化学原理的无线电絮凝水处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于双极性电化学原理的无线电絮凝水处理装置，包括电解池、电源、主阳极、主阴极，电解池内分设主阳极、主阴极并分别与电源电性连接，电解池内在主阳极和主阴极之间设有至少一个双极性电极，双极性电极的主面或主轴不与电解池中的电场线方向垂直。本发明在主阳极与主阴极间设置不与外电路连接的双极性电极且主面或主轴不与电解池中的电场线方向垂直，双极性电极在溶液电场极化下发生电化学反应并产生高活性絮凝剂，同时发生电气浮、氧化还原等作用，使水中溶解性和悬浮态污染物及胶体得到有效转化和去除，达到净化污水目的。本发明具有结构简单、电极更换方便、节约电极材料、净化效率高、不易堵塞、成本低的特点。

Description

一种基于双极性电化学原理的无线电絮凝水处理装置

技术领域

本发明属于水处理设备技术领域，具体涉及一种具有结构简单、电极更换方便、节约电极材料、净化效率高、不易堵塞、成本低的基于双极性电化学原理的无线电絮凝水处理装置。

背景技术

双极性电极（BPE，bipolar electrode）是指一个不与外电源相连的浸入阳极与阴极间电解液中的导体。靠近驱动电极的阳极的一面起着阴极的作用，发生还原反应，而靠近驱动电极阴极的一面起着阳极的作用，发生氧化反应，两端能同时发生氧化和还原反应，一个电极能同时起到阳极与阴极的作用。

电絮凝是一种对环境二次污染较小的废水处理技术。电絮凝法处理废水，一般不需要添加化学药剂，设备体积小，占地面积少，操作简单灵活，污泥量少，后续处理简单。电絮凝可以有效去除污水中的重金属，阴离子，色度，有机物，悬浮固体甚至砷等有毒物质。近年来在国内外正逐步应用于电镀、化工、印染、制药、制革、造纸等多种工业废水的处理以及给水净化等领域。电絮凝的反应原理是以铝、铁等金属为阳极，在直流电的作用下，阳极被溶蚀，产生Al³⁺、Fe²⁺等金属离子，再经一系列水解、聚合及亚铁的氧化过程，发展成为各种羟基络合物、多核羟基络合物以至氢氧化物，使废水中的胶态杂质、悬浮杂质凝聚沉淀而分离。电絮凝技术目前应用在：电镀废水、印染和纺织废水、洗车废水、制浆造纸企业废水、屠宰场废水、餐饮废水、石油化工厂废水、油田废水、垃圾渗滤液废水、农业废水、生活污水等领域。20世纪初，电力工业不是很发达，且大规模使用化学絮凝剂，发展较为缓慢。随着科技进步和电力工业的发展，电絮凝水处理成本大大降低，又成为水处理研究的热点处理技术。

典型的电絮凝反应系统由两个板状电极组成，将牺牲阳极和阴极直接用导线连接，通过控制电流来控制絮凝剂的生成，水流从两极板间空间流过。随着电絮凝技术的不断发展，有多种电极排列方式被研究，电絮凝反应器根据电极排列方式分类可分为单极式、双极式和组合式。在单极式连接中，所有的阳极彼此用导线连接，同样的，所有的阴极也彼此用导线连接，导致电势高低交错，电流总是从阳极流向相邻的阴极，而不可能绕过几块极板流向其它阴极，每块极板表现出一种电性且相邻的电极表现为不同的电性，这类电絮凝器不存在电流的泄漏问题。但在高强度的腐蚀环境中，导线和电极的连接处具有极大的腐蚀应力，一旦腐蚀会大大增加连接处的电阻甚至断路，大大增加了实际运行维护的难度和成本。在实验室规模的研究中，这种导线与电极间的接触腐蚀现象往往被忽略，因而在设备放大应用时在运行及维护操作上会比预期的更加复杂和更加难操作。在双极式连接中，最外面的两个电极与外电源直接用导线连接，其他电极彼此分离地置于最外面的两个电极之间，无导线连接的电极正对阳极的一面被极化为阴极区，反之正对阴极的一面被极化为阳极区。在双极式和组合式中部分电流可以绕过几块极板，从靠近电源正极的一些极板直接流向靠近电源负极的一些极板，除了与电源两极相连的极板外，每块极板表现出不同的电性，双极式和组合式都存在着电流泄漏的现象，造成双极式和组合式电极的能耗相对较高。目前，对于双极式连接中，最外面的牺牲阳极依旧采用与电源直接用导线连接的方式，并且无导线连接的电极都是采用竖直放置并与电解池中的电场线垂直的方式，即与最外面的两个电极平行地放置，这种放置方式导致只有直接正对阴极的无导线连接的电极发生腐蚀反应，电极材料利用率低，因此，双极式电絮凝并没有能够替代传统的电絮凝水处理技术的推广应用。

另外，现有技术中无论是单极式连接，还是双极式连接，由于一般认为单位时间内待处理的水中COD等的去除率随电极间距的增大而降低，因此一般极板间距为1～5cm。其原因在于以下几点：1、增加极板间距，导致离子迁移距离加长，迁移阻力增大，导致有效电解电流减小，处理效率自然降低。2、极板间距越大，电压越高，电能消耗越大。因此要求极板间距越小越好，但是过小的极板间距会导致溶液在极板间的流通性变差，絮凝团块容易在极板间堆积堵塞，这不仅降低了电极的有效电解面积，还易引起短路。

发明内容

本发明的目的是为了解决传统的电絮凝方法中存在的导线和电极连接处易腐蚀导致维护困难以及现有的双极式电絮凝中电极材料利用率低、易堵塞、电流泄漏、净化效率低的问题，提供了一种结构简单、电极更换方便、节约电极材料、净化效率高、不易堵塞、成本低的基于双极性电化学原理的无线电絮凝水处理装置。

本发明的目的是这样实现的：包括电解池、电源、主阳极、主阴极，所述电解池内分别设置主阳极、主阴极，所述主阳极、主阴极分别对应与电源电性连接，所述电解池内在主阳极和主阴极之间设置有至少一个双极性电极，所述双极性电极的主面或主轴不与电解池中的电场线方向垂直。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1、本发明以易腐蚀的双极性电极为消耗电极，完全消除用于产生絮凝剂的双极性电极与电源间的导线连接，双极性电极定期更换方便，易于操作。

2、本发明的双极性电极采用类似H型的几何形状，可以节省达40%的电极材料使用和花费。

3、本发明的双极性电极采用与电场线方向不相垂直、乃至平行的方式放置，根据污水处理需要可灵活选择双极性电极的使用数量和排列方式，可以显著提高絮凝剂产率和污水的净化效率。

4、本发明的主电极采用耐腐的材料并以双极性电极为消耗电极，在高强度的腐蚀环境中导线和主电极的连接处腐蚀应力较小及电阻变化较小，主电极无需随双极性电极进行同步定期更换，系统运行维护简单，成本明显降低。

5、本发明的主电极间距较大，使用时产生的絮凝团块不易在极板间堆积堵塞和造成极板短路，也避免了主电极间电流泄漏导致能耗较高的问题。

附图说明

图1为本发明原理示意图；

图2为本发明之絮凝剂浓度去除随外加驱动电压的相关性；

图3为本发明之絮凝剂浊度去除随外加驱动电压的相关性；

图4为本发明之双极性电极不同放置角度时产生的絮凝剂浓度；

图5为本发明之双极性电极不同数量时产生的絮凝剂浓度；

图6为本发明之不同几何形状的铁质双极电极产生的絮凝剂浓度；

图7为本发明之双极电极的纵向排布示意图；

图8为本发明之双极电极的横向排布示意图；

图9为本发明之双极电极的多维度排布示意图；

图中：1-电解池，2-电源，3-主阳极，4-主阴极，5-双极性电极，51-阳极部，52-阴极部，53连接部，6-待处理污水，7-导线。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步的说明，但不以任何方式对本发明加以限制，基于本发明教导所作的任何变更或改进，均属于本发明的保护范围。

如图1至9所示，本发明包括电解池1、电源2、主阳极3、主阴极4，所述电解池1内分别设置主阳极3、主阴极4，所述主阳极3、主阴极4分别对应与电源2电性连接，所述电解池1内在主阳极3和主阴极4之间设置有至少一个双极性电极5，所述双极性电极5的主面或主轴不与电解池1中的电场线方向垂直。

所述双极性电极5的主面或主轴与电解池1中的电场线方向平行。

所述双极性电极5呈矩形体、圆柱体、管形、板状或近似板状结构。

所述圆柱体、管形结构的双极性电极5主轴不与电解池1中的电场线方向垂直。

所述矩形体、板状或近似板状结构的双极性电极5投影面积最大的面为主面，所述主面不与电解池1中的电场线方向垂直。

所述板状或近似板状结构的双极性电极5主面呈矩形、梯形、T形或H形。

所述主面呈H形的双极性电极5包括阳极部51、阴极部52、连接部53，所述阳极部51、阴极部52分别设置于H形双极性电极5主面沿电解池1中的电场线方向的两端并通过连接部53连接。

所述阳极部51与阴极部52的面积之比为0.35：1～1:0.35。

所述电解池1内在主阳极3和主阴极4之间沿电场线方向设置有多个纵向和/或横向平行排布的双极性电极5。

所述主阳极3和/或主阴极4为石墨电极、钛电极、掺硼金刚石电极、不锈钢电极或铂电极，所述双极性电极5为铁、铝、铜中的一种材料或任意材料组合构成的电极。

所述主阳极3和主阴极4之间的驱动电压为3～10V。

所述双极性电极5沿电解池1中的电场线方向延伸且垂直于电场线方向的截面呈V形或倒锥形结构。

所述双极性电极5的主面设置有多个垂直或倾斜的通孔。

所述电源2为脉冲电源。

本发明工作原理及工作过程：

本发明在电解池中主阳极与主阴极间设置不与外电路连接的双极性电极，双极性电极的主面或主轴不与电解池中的电场线方向垂直，双极性电极在溶液电场极化下发生电化学反应并产生高活性絮凝剂，同时发生电气浮、氧化还原等作用，使水中溶解性有机物和悬浮态污染物及胶体得到有效转化、去除，达到净化污水目的。本发明的主电极采用耐腐蚀的材料并以易腐蚀的双极性电极为消耗电极，在高强度的腐蚀环境中导线和主电极的连接处腐蚀应力较小且电阻变化较小，因此主电极无需随双极性电极进行同步定期更换，系统运行维护简单，成本明显降低。本发明以易腐蚀的双极性电极为消耗电极，完全消除用于产生絮凝剂的双极性电极与电源间的导线连接，无需导线连接使得多个双极性电极同时运行成为可能，可以根据需要通过增加双极性电极的数量提高絮凝剂产率，而且无线连接使得双极性电极更换较为简单。另外，双极性电极的主面或主轴不与电解池中的电场线方向垂直，使得双极性电极在主电极间延伸，双极性电极可作为电解池中主电极间离子迁移的导体，在离子迁移阻力一定的情况下，可有效增加主阳极与主阴极的间距，而不会导致有效电解电流减小和水处理效率降低，增大的极板间距也就不需要增加极板电压，因此电能消耗也不会增加。增大的主阳极与主阴极间距又有利于提高其间流体的流通性，从而使产生的絮凝团块不易在极板间堆积堵塞和使极板短路，也就不会造成电极有效电解面积的降低。其次，在多个主电极的电解池中，由于双极性电极作为电解池中主阳极与主阴极间离子迁移的导体，电流总是从主阳极通过双极性电极流向相邻的主阴极，而不可能绕过几块极板流向其它阴极，从而可避免电流泄漏导致能耗较高的问题出现。此外，相比现有技术中与最外面的两个主电极平行地放置的双极式电极，本发明的双极性电极的设置形式在同样条件下絮凝剂浓度均高于平行放置的双极式电极结构，因此在同样条件下具有更好的净化效率。而且，本发明的双极性电极在采用H形结构时净化效率基本不变的情况下，可以有效减少电极材料高达40%，电极成本较低。

如图1所示，双极性电极5通过主电极3、4连接电源2在电解池1溶液中产生的电场作用下发生极化，达到静电平衡后成为一个等势体，双极性电极5表面和溶液之间形成电位差，靠近主阳极3一侧电位为负形成阴极部52，靠近主阴极4一侧电位为正形成阳极部51，通过双极性电极5表面和溶液之间的电位差驱动发生电极腐蚀反应，产生絮凝剂，达到去除水中浊度的目的。随着外加驱动电压的升高，在电压为5 V时，电极开始溶解产生絮凝剂，絮凝剂的浓度与浊度变化呈现正相关性（图2、图3）。将双极性电极5按不同的角度放置，当双极性电极5沿着与电场线平行的方向放置时产生的絮凝剂浓度最高（图4）；絮凝剂浓度随着双极性电极5数量的增加而增大（图5）。如图6所示，将双极性电极5设计成不同的几何形状，发现除了T型双极性电极5，其他几何形状的双极性电极5在相同运行条件下产生的总铁浓度几乎相等（50.81~53.37毫克/升）。T型双极性电极5产生的总铁浓度明显降低，这是由于阴极部52的面积太小不能够满足阳极部51的电荷转移速率需求，因而导致了阳极部51的铁溶出速率降低。当双极性电极5采用H型的几何形状时可以抵消这种限制，甚至当阴极部52的面积与阳极部51的面积比值低于0.36时，产生的总铁浓度依旧没有明显变化，表明通过优化无线电絮凝装置中双极性电极5的几何形状可以节省高达40%的电极材料成本。并且本发明允许任意数量及任意维度的双极性电极5同时无线工作（图7、图8、图9），完全避免了现有技术中由电极连接导致的问题，大大简化了电絮凝的操作并提高水处理的效率和稳定性。

Claims (10)

1.一种基于双极性电化学原理的无线电絮凝水处理装置，包括电解池（1）、电源（2）、主阳极（3）、主阴极（4），所述电解池（1）内分别设置主阳极（3）、主阴极（4），所述主阳极（3）、主阴极（4）分别对应与电源（2）电性连接，其特征在于所述电解池（1）内在主阳极（3）和主阴极（4）之间设置有至少一个双极性电极（5），所述双极性电极（5）的主面或主轴不与电解池（1）中的电场线方向垂直。

2.根据权利要求1所述基于双极性电化学原理的无线电絮凝水处理装置，其特征在于所述双极性电极（5）的主面或主轴与电解池（1）中的电场线方向平行。

3.根据权利要求1或2所述基于双极性电化学原理的无线电絮凝水处理装置，其特征在于所述双极性电极（5）呈矩形体、圆柱体、管形、板状或近似板状结构。

4.根据权利要求3所述基于双极性电化学原理的无线电絮凝水处理装置，其特征在于所述圆柱体、管形结构的双极性电极（5）主轴不与电解池（1）中的电场线方向垂直。

5.根据权利要求3所述基于双极性电化学原理的无线电絮凝水处理装置，其特征在于所述矩形体、板状或近似板状结构的双极性电极（5）投影面积最大的面为主面，所述主面不与电解池（1）中的电场线方向垂直。

6.根据权利要求5所述基于双极性电化学原理的无线电絮凝水处理装置，其特征在于所述板状或近似板状结构的双极性电极（5）主面呈矩形、梯形、T形或H形。

7.根据权利要求6所述基于双极性电化学原理的无线电絮凝水处理装置，其特征在于所述主面呈H形的双极性电极（5）包括阳极部（51）、阴极部（52）、连接部（53），所述阳极部（51）、阴极部（52）分别设置于H形双极性电极（5）主面沿电解池（1）中的电场线方向的两端并通过连接部（53）连接。

8.根据权利要求7所述基于双极性电化学原理的无线电絮凝水处理装置，其特征在于所述阳极部（51）与阴极部（52）的面积之比为0.35：1～1:0.35。

9.根据权利要求1或2所述基于双极性电化学原理的无线电絮凝水处理装置，其特征在于所述电解池（1）内在主阳极（3）和主阴极（4）之间沿电场线方向设置有多个纵向和/或横向平行排布的双极性电极（5）。

10.根据权利要求1或2所述基于双极性电化学原理的无线电絮凝水处理装置，其特征在于所述主阳极（3）和/或主阴极（4）为石墨电极、钛电极、掺硼金刚石电极、不锈钢电极或铂电极，所述双极性电极（5）为铁、铝、铜中的一种材料或任意材料组合构成的电极。