[发明专利]使用电化学电池有效处理废水

说明书

发明领域

本发明涉及用于电化学处理废水的方法和系统。具体地说，本发明涉及用于使用固体聚合物膜电解质电化学电池去除有机污染物并且氧化无机化合物的方法和系统。

背景

对新的废水处理技术的需求大量增加，这是由人口增长和所产生的废水体积增加、更严格的废水质量条例、清洁水成本和水短缺增加、保护清洁水源的意识以及老化废水系统的替换所驱使的。工业尤其受到更严格的排放标准和成本压力迫使，以便在排放之前消除其难降解废水污染物并且采取现场水再使用和再循环系统避免水供应和污水排放成本增加。需要成本有效的、可持续水处理技术，该技术不需要添加化学品并且不会产生二次污染，符合严格的水质量标准，并且具有最小操作和维护要求。

工业废水可能包含有机化合物，其中许多是有毒的、持久的且抵抗常规生物和化学废水处理的。处理难降解废水的最好方式是借助可以使污染物矿化并且减小废物的有机负荷和毒性的非化学氧化技术，如电化学氧化。电化学氧化是可持续的、安全的并且具有高处理效率，从而消除各种各样的污染物如持久性有机污染物、二噁英、含氮物质(例如，氨)、药物、病原体、微生物、大部分优先污染物以及杀虫剂。存在电氧化废水中的污染物的两种主要方式。第一种方式是通过间接电解氧化污染物，从而原位生成一种氧化还原试剂作为化学反应物。介体可以是一种金属氧化还原对或化学试剂(例如，氯、臭氧、过氧化物)。这些方法需要添加大量的化学品和/或供应氧气，并且产生二次污染，从而导致用于处置经处理的废水和运行及维护该方法的额外成本。第二种方式是使用直接电化学氧化，其中有机污染物在阳极表面上被氧化。

已开发用于直接电化学废水处理的各种各样的电池构型，这些电池构造包括流通型平行板、分隔室、填充床电极、堆叠圆盘、同心圆筒、移动床电极以及压滤器。然而，所有这些电化学电池构型所共有的是较差的运行效率，这导致高能耗。将废水用作电解质，并且在分隔池的情况下用作阳极电解质和阴极电解质。但由于废水的极低离子导电性，需要添加一种支持电解质以提高电池效率并获得合理的电池电压。这通常导致超过许可的污染物排放限度的盐、碱和/或酸浓度，从而增加处置经处理的废水的成本和平衡液体电解质处理的工厂成本的成本。大电极间距和低表面积电极也是效率损失和能耗增加的主要贡献者。在多孔床的多个孔中的缓慢质量输运、具有较差反应动力学的未优化催化材料、高电极过电位、以及具有对于副反应(例如，析氧)的低过电位的催化剂也导致较低性能和效率损失。快速钝化并且增加电池电阻率和不稳定性的电池部件材料的使用导致效率损失。运行条件也导致效率损失。在高的质量和离子传输损失的情况下，在标称运行电流密度下，电压太低，使得发生有机污染物的不完全破坏并且一个有机薄膜阻断催化剂位点，从而降低性能并且需要使用电池反向技术清洁电极表面。

例如，公开的PCT申请WO9901382披露了一种用于净化流体的电解池方法和设备。该系统有利地包括用于将一种或多种化学物质(例如，酸、二氧化碳、碱、过氧化氢、或盐)添加到有待处理的流体中的装置。在另一个实例中，安德雷德(Andrade)等人在有害物质期刊(J.Haz.Mats.)153,252-260(2008)中披露了一种分隔电解池处理模拟的苯酚废水的用途。需要一种硫酸支持电解质。

为了消除对支持电解质添加的需要，已开发不同方法，这些方法减小了单隔室电化学电池构型中的电极间距。例如，US6328875披露了允许废水穿透阳极流过毛细管电极间间距的一种多孔阳极的用途。然而，当在无支持电解质的情况下运行时能耗仍然很高。与所有单室电化学系统一样，同时产生氢并且废水成分在阴极上被还原，这消耗大量能量。通常因这些反应产物发生阴极积垢，从而降低电池效率并且导致能耗增加。在氧化过程中在单室系统中遇到的另一个问题是产生中间化合物。这些化合物在阴极处被还原并且然后在阳极处被重新氧化，从而降低电池效率并且增加能耗。