[发明专利]一种废水处理同时制氢的装置和方法

说明书

技术领域

本发明属于资源利用与回收领域，涉及利用电化学法处理难降解有机废水处理同时制氢的装置与方法。

背景技术

含有毒有害的高浓度有机废水和重金属离子以及高氨氮的的废水由于可生化性差，常规处理方法难以致效，造成严重的环境污染，成为环保领域近年来比较受关注和亟待解决的技术问题。近年来，高级氧化技术比如光化学氧化和电催化氧化等技术由于产生强氧化性的羟基自由基能快速彻底地降解有机污染物而在难降解废水处理领域展现出良好的应用前景。电解法深度处理有机废水，国外自60年代已有报导这方面的研究，但未见应用于实际的处理，国内则主要采用生物处理。国内自70年开始进行电解法的试验，并于80年应用于实际。采用电解法，设备简单，管理方便，效果显著，适用于少量低浓度含酚废水的深度处理去除率可高达99％。2001年化工环保第四期(187-192页)探讨了含酚废水的电解处理.2005年吉林大学博士生论文研究了“电化学氧化法处理难生物降解有机工业废水的研究”；最近2010年化工环保第30卷(152-156)三维与二维电解工艺处理丙烯腈废水的效果比较，其中也总结了电催化处理有机废水的进展，显示电化学对难降解有机物成为近年研究的热点。

专利CN 1594122A报道了利用电化学转盘来处理难降解有机废水的方法。转盘上交替分布阴阳极，利用转盘的转动加快电极表面和主体溶液物质的交换更新，增加液膜中的溶解氧。同时两极间转盘底板上分布催化剂兼顾阴阳极的氧化效率。专利CN 1962471A报道了利用铱钽锡氧化物涂层钛电极处理有机废水的方法，旨在提高电催化法的效率和电极寿命，发明了利用纳米晶铱钽锡氧化物涂层钛电极电解处理有机废水的方法。专利CN 101434429A公开了一种电化学还原与氧化结合处理含氯有机废水的装置和方法。装置中利用隔膜将阳极区和阴极区隔开，阴极的载钯气体扩散电极既对氯代有机物具有电还原脱氯能力(通入氢气)，又可以电还原产生过氧化氢(通入空气)，并使其分解成羟基自由基，从而实现阴极电化学还原脱氯和阴极阳极同时电催化氧化处理含氯有机废水。

上述文献和发明分别对不同的有机废水进行了研究报道，采用不同的催化形式如同相催化的芬顿技术、多相催化的电极修饰和填料等，只对目标污染物进行处理，但没有考虑含有难降解废水，包括氨氮和重金属离子的高效处理，以及在阴极产氢的相关装置和气体的收集措施。专利CN 101434429A对阴极电极要求比较高，电还原和氧化过程中需要通入氢气和空气，而且阴极还原脱氯和氧化反应条件要求高。如果阴极还原和氧化反应过程气体利用率低阴极区的排出气体成分复杂。

矿石燃料燃烧时会产生CO₂以及氮、硫的氧化物，这些物质对人类的生存环境造成严重污染，而且这些燃料的储量是有限的。因此，实施可持续发展战略关键的一点是寻求能源合理利用的一条新途径。氢气在燃烧过程中只产生水，是一种能实现污染零排放的清洁能源，因而成为各国科研人员一致公认的理想开发对象。但是，自然界中几乎没有氢气存在，传统制氢方法主要是水电解法、合成气转化法、天然气转化法等。这些方法能耗大、成本高。生物制氢是新发展的一种经济有效的方法。

CN 101597766A用于有机废水制氢的阴极催化剂以及制备方法，公布了一种利用33-36％Ni，33-63％Al，0.5-6％Co等合金粉末涂覆在微生物电解池的阴极上作为催化之氢的方法。CN 101270368A有机废水梯级产氢的方法，公布了一种利用双室微生物燃料电池中的阳极池利用厌氧微生物处理有机废水，而阴极池产氢。以上两种方法是以市政废水为基础通过强化生物制氢为主，对于有毒有害的高浓度有机废水和重金属离子以及高氨氮的的废水无能为力。目前，国外的文献International Journal of Hydrogen Energy (2011，36，2049-2056；2011，36，3457-3464；2011，36，8252-8260)三篇文献报道了对垃圾渗透液、橄榄油厂废水以及废弃活性污泥利用可溶解阳极铝作为阳极沉积处理废水同时阴极产氢，电解过程中COD的降低和产氢量的关系在90-2500mL H₂/g COD；最高的能源效率在74-95％。此外还有大量研究采用阳离子交换膜对废水的处理(材料科学与工艺，2004，3，303-306；工业水处理，2008，28，4-7；Environ.Sci.Technol.2010；44；5182-5187)，但是离子交换膜在长时间使用过程中存在膜污染严重，电流效率下降，同时产氢效率也会明显下降。