[发明专利]用于进行电芬顿反应以分解有机化合物的装置

说明书

背景技术

含有苯酚基和其它芳基的有机化合物通常表现为多种组分的组合物，例如药物、涂料、溶剂等。因此，这样的化合物经常出现在来自各种工业的废水中。含有苯酚基、苄基或含氯代芳基的化合物已被认定为持久性有机污染物(POP)，并且已被联合国环境规划署(UNEP)禁止排放在废水中，例如在斯德哥尔摩公约中所列。POP废水已成为显著影响人类生活和生态的国际问题。

已经证明的是，酚类化合物具有抗癌促凋亡效应和致癌DNA损伤诱变效应，包括动物和人类基因组中的DNA突变，例如，导致像新生儿急性白血病(血癌)这样的疾病。一旦酚类或类似化合物被排放到城市用水系统中，不仅人类会遭受其害，而且将使这样的系统中的厌氧细菌失活和突变，导致废水处理厂中的整个系统失去其功能。

包括苯酚在内的各种有机溶剂被广泛用于制药工业中。然而，目前还没有用于将这样的化合物从工厂废水中去除的有效且高效的现场措施。这主要是由于大多数化学去除方法需要基于特定化学混合物的性质的定制研究(例如膜表面上的定制官能团相对于某些化学性质)，这使得分离过程复杂化。

将在下文中更详细地描述的电芬顿技术对于芳香族化合物——例如苯酚、苯胺、双酚和多酚——的分解特别有效，而不产生二次废物。

电芬顿技术为被POP化合物严重污染的工业废水的处理提供了实用的解决方案。它允许各个工厂现场分解各种POP化合物。所产生的流出物仅含有无毒的沉淀物和盐水。由电芬顿反应产生的一些氯气和其它气体可以被苛性碱溶液或酸溶液吸收。因此，电芬顿技术可以有效地帮助工业降低废水中的COD水平(化学需氧量)。

然而，H₂O₂和电能消耗仍然是将电芬顿技术应用于工业规模的废水处理的主要关注点。

发明内容

因此，本发明的目的是显著降低H₂O₂和电芬顿技术的电能消耗以使其成为用于分解废水中的水溶性特别是芳香族有机污染物的划算且生态的方法。

已经研究了石墨烯作为电极材料应用于太阳能电池对电极。然而，尚未充分研究作为反应器中的活性膜的应用。一些研究人员已经尝试了不同的碳材料，例如碳毡、碳泡沫等，并且已经证明当在低于300ml/min.L的流速下连续供应氧气流时，这样的碳阴极可以产生H₂O₂(参见参考文献1至11)。

本发明人已经对各种材料进行了大量实验，并且已经发现市售的石墨片、碳毡或碳泡沫在电芬顿技术中不能提供令人满意的结果。市售的石墨片在施加10A/m²以上的强电流之后显示出逐层快速剥离。涂覆在例如钛载体上的碳泡沫仅能够给出非常小的制造面积，并且由于物理尺寸的限制不能被应用于工业规模的反应器中。

本发明的目的现在已通过一种用于进行电芬顿反应以分解被污染的废水中的有机化合物——特别是芳香族化合物——的装置解决，该装置包含至少一个具有阴极和阳极的电化学电池，其中至少阴极的在使用时与被污染的废水接触的区域被至少一个具有纳米多孔结构的石墨烯层覆盖。

优选地，阴极上方的石墨烯层的厚度为2nm和70μm之间。

石墨烯层的孔径范围优选为1nm至10nm。

在优选实施例中，石墨烯层是薄膜。

根据本发明，优选的是，至少阴极和/或阳极的在使用时与被污染的废水接触的区域被保护层覆盖。

在具体实施例中，阴极上方的保护层位于石墨烯层和阴极之间。

优选地，保护层包含选自下组的任何金属的烧结粉末、这样的金属的任何氧化物或其任何组合：钛、钽、锆、钒、铌、铪、铝、硅、锡、铬、钼、钨、铅、锰、铍、铁、钴、镍、铂、钯、锇、铱、铼、锝、铑、钌、金、银、镉、铜、锌、锗、砷、锑、铋、硼、钪以及镧系和锕系的任何金属。

在本发明的优选实施例中，电化学电池内阴极和阳极之间的空间被膜或间隔物分开以分别形成阴极室和阳极室。

本发明的装置优选包含串联的两个或更多个电化学电池。

优选地，本发明的装置可以被设置成板框设计(plate-frame design)或螺旋缠绕设计(spiral wound design)。

在具体实施例中，螺旋缠绕设计是将电极嵌入到填充材料(packing material)中的填充结构(packing structure)。

优选地，填充材料选自玻璃纤维、陶瓷和含氟聚合物材料。

本发明还涉及一种用于清除被污染的废水中的有机化合物的系统，该系统包含如上所述的根据本发明的装置。