本發(fā)明屬于電化學(xué)修復(fù)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種低能耗的電絮凝去除水體中重金屬的裝置。

背景技術(shù)：

電絮凝技術(shù)是用于處理重金屬污染水體的一種電化學(xué)技術(shù)，在外加電場作用下，可溶性陽極(通常采用Fe/Al陽極)析出金屬陽離子Fe²⁺或Al³⁺，陽離子經(jīng)過水解、聚合形成一系列多核輕基絡(luò)合物和氫氧化物，能夠吸附水體中重金屬離子如銅、砷、鉻、鎘、鎳、鉛等，并經(jīng)過沉降或過濾得以去除重金屬。Akbal、徐旭東的研究表明電絮凝對重金屬離子的去除率高，可達(dá)到99％以上。此外電絮凝法的設(shè)備簡單，占地面積小，產(chǎn)生的污泥量少，易于脫水，對水質(zhì)(pH值、電導(dǎo)率等)的適應(yīng)范圍較寬。因此，電絮凝工藝在重金屬廢水處理以及水體修復(fù)領(lǐng)域中的應(yīng)用也越來越廣泛。但電絮凝技術(shù)目前主要存在的問題是電能消耗大，運(yùn)行成本偏高。專利CNIO3304075A提出了一種連續(xù)脈沖電絮凝技術(shù)處理含鉻廢水，利用脈沖間歇供電模式“通-斷-通”，減少供電時(shí)間來降低能耗。專利CN204039109U通過提出一種極板可滑動(dòng)的電絮凝裝置，縮小極板間距，降低工作電壓，從而降低耗電量。但是這些方法僅通過改變電絮凝反應(yīng)的運(yùn)行狀況來降低能耗，面對實(shí)際需求有一定的局限性，因此還需要探索其它具有普適性的方式來降低能耗。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)電極反應(yīng)能耗大等缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種低能耗的電絮凝去除水體中重金屬的裝置，該裝置在普通電絮凝的基礎(chǔ)上，使用碳材料電極代替鐵陰極，在陰極表面發(fā)生氧氣還原反應(yīng)，陽極產(chǎn)生的金屬離子(鐵離子、鋁離子或鋅離子)水解生成大量絮體，吸附去除重金屬離子如銅、砷、鉻、鎘、鎳、鉛等。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

一種低能耗的電絮凝去除水體中重金屬的裝置，包括外殼3，外殼3下部有進(jìn)水口4，上部有出水口5，外殼3中設(shè)置有陽極板1和陰極板2，其特征在于，所述陰極板2為碳材料電極。

所述外殼3中位于進(jìn)水口4上方設(shè)置有水平的絕緣格柵6，陽極板1和陰極板2豎直設(shè)置在絕緣格柵6上，陽極板1和陰極板2均有多個(gè)，相互間隔設(shè)置。

所述陽極板1和陰極板2的極板間距沒有具體要求，但間距越大，能耗越大，可優(yōu)選極板間距為5～10cm。

所述外殼3中設(shè)置有多組電極，一組電極中陰極板2和陽極板1的數(shù)量比為1：n，n≥1，反應(yīng)器裝置體積與電極總面積和比控制在1～10m³/m²。

所述陽極板1可采用鐵電極、鋁電極、鋅電極、鎂電極中的任意一種或至少兩種的組合。

所述碳材料陰極可采用碳布、碳?xì)?、碳纖維等成型碳的任意一種或至少兩種的組合；或者，碳材料陰極由粉末式碳材料和集電體采用粘結(jié)劑粘結(jié)制成，其中碳材料采用石墨、炭黑、碳納米管或活性炭中的任意一種或至少兩種的組合，集電體采用不銹鋼網(wǎng)、鈦網(wǎng)或泡沫鎳等，用于增加陰極的機(jī)械強(qiáng)度并起到分散電流、降低陰極過電勢的作用，粘結(jié)劑為聚偏氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)中任意一種。

本發(fā)明還提供了一種基于所述裝置的電絮凝去除水體中重金屬方法，包括如下步驟：

含重金屬水從進(jìn)水口4進(jìn)入，調(diào)節(jié)電流或電壓，進(jìn)行電絮凝反應(yīng)，出水經(jīng)出水口5排出，一定時(shí)間后沉降絮體經(jīng)外殼3底部帶閥門8的排渣口7排出。

本發(fā)明處理過程優(yōu)先采用脈沖模式控制電極，可有效防止陽極鈍化。處理過程還可采用恒流、恒壓模式控制電極，電源采用直流電源、蓄電池或太陽能電源，控制電極的電壓為0～100V且不包括0V，電極板上的電流密度為0～40mA/cm²且不包括0mA/cm²。

本發(fā)明中處理過程中進(jìn)水方式可采用序批式或連續(xù)流。

本發(fā)明處理過程能根據(jù)水體重金屬濃度、水質(zhì)要求、水力停留處理時(shí)間調(diào)節(jié)電流密度或電壓，處理過程靈活可控。

現(xiàn)以鐵電極為例對本發(fā)明的機(jī)理進(jìn)行說明：

陽極：Fe-2e^－→Fe²⁺ (1)

陰極：O₂+2H₂O→4OH^－+4e^－ (2)

電解反應(yīng)過程中，陽極產(chǎn)生Fe²⁺，隨后水解生成絮體Fe(OH)₃，在絮體的不斷凝聚沉降過程中，吸附水體中的重金屬離子，使得重金屬得以去除。與傳統(tǒng)電絮凝所不同的是，在碳材料陰極上由于碳材料的催化作用發(fā)生氧氣還原反應(yīng)，電勢為0.816V(相對SHE)，與普通電絮凝的陰極析氫反應(yīng)電勢–0.414V(相對SHE)相比，反應(yīng)電勢更高。鐵陽極的反應(yīng)電勢為-0.447V(相對SHE)，碳材料陰極與鐵陽極的總反應(yīng)電壓為1.263V，與傳統(tǒng)陰極與鐵陽極的總反應(yīng)電壓0.033V相比高得多，熱力學(xué)上放出的能量多，達(dá)到相同去除效果所需的外加電壓小。從兩種電極在相同情況下的線性掃描伏安(LSV)曲線可以得到驗(yàn)證，如圖3所示。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，在相同處理水質(zhì)、運(yùn)行條件下，本發(fā)明與傳統(tǒng)電絮凝相比，碳材料做陰極時(shí)的電絮凝反應(yīng)所需外加電能更少，能節(jié)省能耗約50％。

附圖說明

圖1是本發(fā)明電絮凝反應(yīng)器示意圖。

圖2是本發(fā)明電極組示意圖。

圖3是鐵陰極與碳材料陰極的線性掃描伏安(LSV)曲線。

圖4是電流密度4A/m²下，普通電絮凝與新型電絮凝的系統(tǒng)電壓。

圖5是普通電絮凝與新型電絮凝系統(tǒng)的能耗比較。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例詳細(xì)說明本發(fā)明的實(shí)施方式。

如圖1所示，本發(fā)明電絮凝去除水體中重金屬的電極和裝置，如圖1和圖2所示。一種低能耗的電絮凝去除水體中重金屬的裝置，包括外殼3，外殼3下部有進(jìn)水口4，上部有出水口5，外殼3中設(shè)置有陽極板1和陰極板2，其特征在于，陰極板2為碳材料電極，陽極板1為金屬陽極。含重金屬水從進(jìn)水口4進(jìn)入反應(yīng)裝置，在陽極產(chǎn)生的絮體作用下，沉降下來，最后由排渣口7排出。電化學(xué)處理后的出水由出水口5排出。

本發(fā)明節(jié)省能耗的有益效果通過如下實(shí)施例和對比例進(jìn)行說明和驗(yàn)證。

實(shí)施例1

地下水pH為7，電導(dǎo)率為1500μs/cm。新型電絮凝采用碳材料陰極替代鐵陰極(ACEC)。利用直流穩(wěn)壓電源向新型電絮凝反應(yīng)器供電，固定電流密度4Am^-2。電壓U變化如圖4所示。采用W表征一定時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)電極反應(yīng)能耗(wh m^-3)如圖5所示。

W＝UIt/V

其中電壓U為自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄(V)，t電解時(shí)間(h)，V為水的體積(m³)，I為施加電流(A)。

對比例1

地下水pH為7，電導(dǎo)率為1500μs/cm。普通電絮凝采用相同面積的不銹鋼網(wǎng)做陰極(EC)。其中EC的陰陽極電極間距與ACEC相同。利用直流穩(wěn)壓電源向新型電絮凝反應(yīng)器供電，固定電流密度4A m^-2。電壓U變化如圖4所示。采用W表征一定時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)電極反應(yīng)能耗如圖5所示。

電流密度相同時(shí)，兩種系統(tǒng)在相同時(shí)間內(nèi)重金屬去除率一致。綜合實(shí)施例1對比例1的結(jié)果可以看出，當(dāng)碳材料作為陰極的新型電絮凝系統(tǒng)的外加電壓約為1.0V，而傳統(tǒng)電絮凝外加電壓約為2.0V。新型電絮凝系統(tǒng)的外加電壓僅為傳統(tǒng)電絮凝的一半左右，這使得系統(tǒng)能耗大大降低。新型電絮凝系統(tǒng)的電能消耗僅為傳統(tǒng)電絮凝的50％。這表明，在相同水質(zhì)、運(yùn)行狀況下，為達(dá)到相同重金屬去除效果，碳材料做陰極的電絮凝過程能節(jié)省能耗近50％。

申請人聲明，本發(fā)明通過上述實(shí)施例來說明本發(fā)明的詳細(xì)工藝設(shè)備和工藝流程，但本發(fā)明并不局限于上述詳細(xì)工藝設(shè)備和工藝流程，即不意味著本發(fā)明必須依賴上述詳細(xì)工藝設(shè)備和工藝流程才能實(shí)施。所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該明了，對本發(fā)明的任何改進(jìn)，對本發(fā)明產(chǎn)品各原料的等效替換及輔助成分的添加、具體方式的選擇等，均落在本發(fā)明的保護(hù)范圍和公開范圍之內(nèi)。