[发明专利]一种无隔膜电化学废水处理装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种废水处理装置，尤其是一种可以高效回收工业废水中金属的无隔膜电化学废水处理装置。

背景技术

我国制造业发达，工业废水的排放量居全球之首。工业废水(如电镀、印染、制革等工业废水)中通常含有大量的金属离子，如铜、锌、铬、镉、铅等。这些金属离子对环境和人类危害极大，在排放或者重新回用前，必须进行严格的净化处理。与此同时，这些金属离子的回收价值一般都较高，所以，非常有必要开发新型高效的资源化回收装置和方法。

目前，工业废水处理方法主要可以分为四大类：物理法、化学法、生物法和物理化学法。物理法主要包括悬浮态污染物质分离(如除去油脂)、蒸发浓缩等，这些方法一般只是作为其他处理方法中的一个环节。化学法是当前应用最广泛的方法，它主要是通过向废水中加入相应的化学药剂，通过化学反应将污染物变成无害或低毒性的物质(如加入次氯酸钠氧化氰离子、加入硫酸亚铁将六价铬还原成毒性较小的三价铬等)，或者将其变为容易与污水分离的物质后采用物理方法去除(如加入碳酸钠将铜、镉、铬、铅等重金属沉淀后分离)。这种方法操作简单、设备投资费用低、对高浓度污染物的去除效果较为稳定，但是当污染物浓度降低到一定程度后，进一步去除污染物的效果非常有限，另外，该方法还存在严重的二次污染问题(如产生大量有毒有害污泥、可能会引入新的污染物等)，且资源化效果差，难以满足日益严格的排放要求。生物法是利用微生物的生命活动过程，将废水中的污染物进行转移或转化，如可用脱色杆菌厌氧处理含铬废水、用假单孢菌加活性污泥处理含铬废水等，但是该方法仅限于单一菌株处理单一污染物，而且受其他污染物干扰很大，净化效果非常不稳定。物理化学法是通过物理和化学的综合作用使废水得到净化的方法，如离子交换法(将树脂中的离子与废水中的重金属离子进行交换，缺点是仅对某些离子有效，容易受到污染，投资运行成本高，且难以实现资源化)、活性炭吸附法(主要利用活性碳发达的孔隙吸附污染物，缺点是活性碳耗量大，再生技术复杂，运行成本高，难以实现资源化)、电化学法等。

电化学法不需要添加任何化学药剂，并且操作灵活、流程简单，不会产生二次污染(如污泥等)，能够直接回收经济价值较高的金属(如铜、锌等)，故电化学处理法又被称作清洁处理法。当前的电化学反应装置主要分为平板电极反应器和电极反应器两种。平板电 极反应器的阴、阳电极为平行的成对布置的平板，该装置运行过程中，污染物浓差极化大，电流密度小(一般最多只能达到200～300A/m³)，电流效率低(最高只有40～65％)。电极反应器是一个由隔膜将阴、阳两极隔开的化学电池，在一个半电池内(阴极反应区)，插入馈电极，再加入导电颗粒(金属颗粒，且与拟回收的金属类型相同)，底部设置液体分布板，促使反应区内的颗粒呈流化状态，形成流态化电极。阴极反应区内颗粒之间及与馈电极之间的碰撞频繁，促使颗粒带电；颗粒在阴极反应区内的流态化运动大大加快液体与颗粒间的传质速率，使金属离子的浓差极化大大降低，可将电化学反应的电流密度提高到1500～2500A/m³，将电流效率增加到60～90％以上，而且设备体积大为减小，特别适合于处理金属离子浓度较低的废水。

在目前已开发的电极反应器中，隔膜(一种半渗透膜)是其必不可少的关键组件之一。理想的隔膜材料必须具备下列条件：(1)具备适中的渗透压，既不能太大(需保证阴、阳离子能够顺利透过)，又不能太小(以至液体大部分进人阳极区，影响颗粒阴极的正常流化)；(2)具有很高的机械强度和耐磨性，防止因为金属颗粒频繁撞击隔膜而导致破损；(3)具有很好的化学稳定性，防止酸碱腐蚀；(4)具有较小的电阻率，以降低能耗；(5)具有光滑的表面，防止导电颗粒在表面滞留、集结和粘附。但是，较为理想的隔膜材料(如贵金属基渗透膜)价格过高，难以推广应用。通常采用的隔膜材料(如玻璃纤维、塑料等)又常常由于磨损破裂问题影响装置的安全、连续、稳定运行。

在目前技术难以提供廉价的理想的隔膜材料的情况下，开发新型的无需隔膜的流态化电极反应装置和金属回收方法是提高我国工业废水无害化、资源化水平的有效途径。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种无隔膜电化学废水处理装置，通过采用导向管喷动床结构的流态化电极反应器，并优化布置电极反应器的内部构件，在无需使用隔膜的情况下，分隔出阴、阳两个电极反应区，彻底解决因为使用隔膜所以带来的各种问题，保证了电化学反应装置的安全、连续、稳定、高效运行，大大降低了电化学处理装置的投资和运行成本。

为实现以上的技术目的，本发明将采用以下的技术方案：