一种微气泡曝气式旋转电芬顿阴极及其应用

技术领域

本发明涉及电芬顿阴极及其应用，属于环境工程技术领域。

背景技术

电芬顿作为废水电化学处理的技术之一，相比于传统的芬顿通过加入铁盐催化剂及H

O

H

Fe

然而，限制电芬顿氧化效能进一步提高的关键因素是阴极2电子ORR电合成H

发明内容

本发明是要解决现有的电芬顿阴极在电合成H

本发明的微气泡曝气式旋转电芬顿阴极包括氧气源1、减速电机2、伞形齿轮转向装置3、万向阀4和多孔阴极5；

其中多孔阴极5由空心轴5-1和与其固定连接的泡沫金属头5-2组成；空心轴5-1外壁的中上部还设置有导电滑环5-1-1和电源接口5-1-2；导电滑环套在空心轴5-1外，电源接口5-1-2与导电滑环5-1-1连接；导电滑环5-1-1可在空心轴5-1外壁滑动旋转；

伞形齿轮转向装置3包括横轴伞形齿轮3-1和纵轴伞形齿轮3-2；纵轴伞形齿轮3-2的轴心位置设置轴心孔3-2；横轴伞形齿轮3-1与纵轴伞形齿轮3-2的齿轮转轴传动比率为(2～3)：1；空心轴5-1穿过纵轴伞形齿轮3-2的轴心孔3-2并与万向阀4连接；万向阀4的另一端与氧气源1连接；横轴伞形齿轮3-1与减速电机2连接；减速电机2带动纵轴伞形齿轮3-2旋转，通过齿轮传动和转向作用，带动横轴伞形齿轮3-1减速转动，使多孔阴极5旋转。

更进一步地，泡沫金属头5-2为多孔泡沫金属；

更进一步地，多孔泡沫金属为泡沫钛、泡沫镍或泡沫铜；

更进一步地，泡沫金属头的上部为圆柱形、下部为半球形；

更进一步地，微气泡曝气式旋转电芬顿阴极还包括升降支撑台6；减速电机2固定在升降支撑台6上；通过升降支撑台6可控制减速电机2的高低，进而控制多孔阴极5的位置。

微气泡曝气式旋转电芬顿阴极的应用，是将其用于电芬顿反应器，处理有机废水，具体方法为：

一、将阳极7和多孔阴极5放置至反应器槽体8中，阳极7和多孔阴极5的高度一致；将两端口直流电源9的正极与阳极7连接，将两端口直流电源8的负极与多孔阴极5连接；

二、将有机废水的pH值调节至2～6后，加入到反应器槽体8中，然后加入Fe

三、设定减速机2的转速为100～1200rpm，氧气源1的氧气流量按每毫升溶液0.1Lmin

更进一步地，阳极7为掺硼金刚石电极(BDD)、亚氧化钛阳极或铂片阳极；

更进一步地，步骤二中所述的Fe

更进一步地，氧气源1的气体流量受转子流量计控制；

更进一步地，曝气量范围为每毫升溶液0.3L min

更进一步地，减速电机2受减速机控制器控制，可通过控制器调节减速机转速。

更进一步地，步骤二中，将反应器槽体8放置在磁力搅拌器10上，将磁力搅拌转子11放在反应器槽体8中；达到在反应过程中扰动气相和液相部分，达到充分的混合和搅拌，更利于阴极扩散层和反应器内溶液溶质的传质，以及溶解氧量的提升。

本发明设计了一种微气泡曝气式旋转电芬顿阴极。利用分散法，即以压缩氧气通过多孔金属阴极形成氧微气泡，辅以旋转，利用剪切力进一步切割氧微气泡，利用氧微纳气泡的巨大比表面积及极强溶解能力，能大幅提高初始溶解氧浓度，最终形成微纳米曝气的一体化的电芬顿阴极。同时，旋转阴极利用强的剪切力和离心力将气泡甩出，也能缓解阴极的气泡水帘，从而提高了2电子ORR电合成H

本发明的微气泡曝气式旋转电芬顿阴极的工作原理如下：H

δ为扩散层厚度(nm)，ω为旋转速率(rad/s)，D为扩散效率

从公式可以得知，旋转速率越快，则阴极表面的扩散层厚度越薄，由于反应器电极为可曝气式，气体经多孔阴极5的空心轴5-1，再进入泡沫金属的多孔结构中，旋转、切割，最后进入反应器槽体内，大大提高了传统的反应器阴极氧气—水—阴极的三相传质效率。通过实验验证可以看出，该旋转可曝气阴极电极反应器在转速为200rpm时H

本发明可用于污水处理领域。

附图说明

图1为本发明的微气泡曝气式旋转电芬顿阴极的结构示意图。

图2为多孔阴极5的结构示意图。

图3为伞形齿轮转向装置3的结构示意图。

图1～3中：1为氧气源，2为减速电机，3为伞形齿轮转向装置，3-1为横轴伞形齿轮，3-2为纵轴伞形齿轮；4为万向阀，5为多孔阴极，5-1为空心轴，5-1-1为导电滑环，5-1-2为电源接口；5-2为泡沫金属头；6为升降支撑台；7为阳极，8为反应器槽体，9为两端口直流电源，10为磁力搅拌器，11为磁力搅拌转子11。

图4实施例1中用微气泡曝气式旋转电芬顿阴极构成的电芬顿反应器的结构示意图。

图5为实施例1相同曝气速率不同转速下旋转阴极的H

图6为实施例1反应过程中阴极的电子和H

图7为作为对比的传统电芬顿反应器的结构示意图；图中，12为铂片阳极，13为泡沫钛板阴极，14为传统反应器槽体，15为两端口直流电源，16为磁力搅拌器，17为磁力搅拌转子，18为玻璃管。

图8为实施例1的电芬顿反应器与作为对比的传统电芬顿反应器的H

图9为微气泡曝气式旋转电芬顿阴极反应器、传统的曝气式非旋转阴极反应器及阳极氧化降解速率曲线图。

具体实施方式

用下面的实施例验证本发明的有益效果：

实施例1：本实施例的微气泡曝气式旋转电芬顿阴极由氧气源1、减速电机2、伞形齿轮转向装置3、万向阀4、多孔阴极5和升降支撑台6组成；

其中多孔阴极5由空心轴5-1和与其固定连接的泡沫金属头5-2组成；空心轴5-1的长度为10cm，空心轴5-1的外径为0.6cm，内径为0.314cm；泡沫钛的上部为直径为3.1cm、高度为1.2cm的圆柱，下部为直径为3.1cm的半球形；

空心轴5-1外壁的中上部还设置有内径为7mm外径33mm的导电滑环5-1-1和电源接口5-1-2；导电滑环套在空心轴5-1外，电源接口5-1-2与导电滑环5-1-1连接；导电滑环5-1-1可在空心轴5-1外壁滑动旋转；

伞形齿轮转向装置3由横轴伞形齿轮3-1和纵轴伞形齿轮3-2组成；纵轴伞形齿轮3-2的轴心位置设置轴心孔3-3；横轴伞形齿轮3-1与纵轴伞形齿轮3-2的传动比为2：1；空心轴5-1穿过纵轴伞形齿轮3-2的轴心孔3-3并与万向阀4连接，轴心孔3-3与空心轴5-1紧密配合；万向阀4的另一端与氧气源1连接；横轴伞形齿轮3-1与减速电机2连接；减速电机2带动横轴伞形齿轮3-1旋转，通过齿轮传动和转向作用，带动纵轴伞形齿轮3-2减速转动，从而使多孔阴极5旋转；减速电机2固定在上；通过升降支撑台6可控制减速电机2的高低，进而控制多孔阴极5的位置；万向阀的型号为4Taide TED 113/116。

将实施例1的微气泡曝气式旋转电芬顿阴极用于电芬顿反应器，处理有机废水，(具体装置参见附图4)，具体方法如下：

一、将掺硼金刚石电极(BDD)阳极7和多孔阴极5放置至容积为500mL的反应器槽体8中，阳极7和多孔阴极5的高度一致；反应器的顶部为敞开式结构，以便反应过程中进行取样，将两端口直流电源9的正极与阳极7连接，将两端口直流电源9的负极与多孔阴极5连接；将反应器槽体8放置在磁力搅拌器10上，将磁力搅拌转子11放在反应器槽体8中；达到在反应过程中扰动气相和液相部分，达到充分的混合和搅拌，更利于阴极扩散层和反应器内溶液溶质的传质，以及溶解氧量的提升。

二、将280mL50 mM Na

三、通过控制器调节减速机2的转速分别控制为0rpm、100rpm、200rpm和300rpm；氧气源1为氧气，氧气经转子流量计控制流量0.3L min

测试结果如图5所示，从图5中可以看出，在相同条件下，不同转速下，本实施例的微气泡曝气式旋转电芬顿阴极反应器呈现出不同的H

通过假设阴极上法拉第电流仅用于2电子ORR电化学合成H

将本实施例1的微气泡曝气式旋转电芬顿阴极反应器与传统的曝气式非旋转阴极反应器进行比较，考察电极旋转结构与微纳气泡的曝气方式对H

一、将铂片阳极12和泡沫钛板阴极13放置至反应器槽体14中，反应槽容积为500mL，铂片阳极12和泡沫钛板13的高度一致；反应器的顶部为敞开式结构，以便反应过程中进行取样，将两端口直流电源15的正极与铂片阳极12连接，将两端口直流电源15的负极与泡沫钛板阴极13连接；将反应器槽体14放置在磁力搅拌器16上，将磁力搅拌转子17放在反应器槽体14中；玻璃管18直接通入水中进行曝气。

二、将280mL50 mM Na

三、氧气经玻璃管14通入水中，通过转子流量计控制曝气气体流量与旋转曝气式阴极一致，均为0.3L min

将实施例1电极转速为200rpm条件下的H

将实施例1的微气泡曝气式旋转电芬顿阴极反应器(装置如图4所示)与传统的曝气式非旋转阴极反应器(装置如图7所示)同时进行磺胺噻唑抗生素废水处理，进行对比，具体的试验步骤如下：

一、将280mL磺胺噻唑抗生素废水分别加入到微孔曝气式旋转阴极电芬顿反应器与传统的曝气式非旋转阴极反应器中，将反应液pH值调节至3，然后加入FeSO

二、设定微气泡曝气式旋转电芬顿阴极反应器两端口直流电源的电流均为20mA，电源开启后开启反应器的旋转电机，旋转阴极转速设置为200rpm；同时控制氧气曝气流量为0.2m

传统的曝气式非旋转阴极反应器两端口直流电源的电流均为20mA，同时控制曝气流量与本实施例的反应器曝气量相同；

三、两组反应器同时运行，设置取样时间分别为20min、40min、60min、90min、120min、150min、180min，观察相同反应时间两组本实施例和对照组的磺胺噻唑降解率。

微气泡曝气式旋转电芬顿阴极反应器与传统的曝气式非旋转阴极反应器在相同反应时间不同时段内对磺胺噻唑降解率如表1所示。

表1微孔曝气式旋转阴极电芬顿反应器与传统的曝气式非旋转阴极反应器降解速率

将微气泡曝气式旋转电芬顿阴极反应器、传统的曝气式非旋转阴极反应器及阳极氧化降解速率也同时绘制在图9中，从数据中得出，去除阳极氧化的降解效果，微气泡曝气式旋转电芬顿阴极反应器不同反应取样时间段解速率均大于传统非旋转常规曝气阴极电芬顿反应器。说明微孔曝气式旋转电芬顿阴极在不同反应阶段的抗生素去除效率均大于非旋转常规曝气阴极。

综上所述，本发明的微孔曝气式旋转电芬顿阴极兼具高效积累H