[实用新型]一种连续式电催化反应系统

说明书

本实用新型公开一种连续式电催化反应系统，包括N个电解槽子单元；N为正整数，N≥2；电解槽子单元包括电解槽和电源；每个电解槽内部设置有一对阴阳极，每个电解槽内的一对阴阳极连接对应的一个电源；电解槽上设有进水口和出水口；每个电源能够独立控制；N个电解槽竖向依次串联；上游电解槽的出水口与相邻下游电解槽的进水口；电解槽的进水口和出水口上均设置有人工控制或者控制装置自动控制的阀门。本实用新型通过依次连接的多级电解槽，控制每个电解槽的电流密度等于或略高于其极限电流密度，使得待处理溶液流经每个电解槽中，其电化学氧化过程在高电流效率和低电解能耗下进行，实现整个电解过程的高效低耗降解。

技术领域

本实用新型属于电化学氧化处理有机物技术领域，具体涉及一种电流可调的多级连续式电催化反应系统。

背景技术

工业废水中有机污染物含量高且组分复杂，毒性大，难以生化降解，使其处理难度相当大。目前采用常规的物理、化学、生物处理方法已难以满足技术和经济的要求，因而寻求高效节能的新型处理技术成为当务之急(西安交通大学学报,2017,51(3):92-97)。

目前电化学氧化处理有机物技术是一种典型的高级氧化技术。该技术利用具有催化作用的阳极，产生具有强氧化能力的羟基自由基或其他氧化性中间体，促进有机物氧化，甚至分解为H₂O和CO₂。但目前该技术最大的缺陷在于电流效率低和电解能耗高，近年来的研究重点也是围绕提高其处理效果及减少处理能耗来进行(中国环境科学，2018，38(5):1767-1773；环境工程学报，2016，10(11):6479-6485)。

电流作为一重要参数，对电流效率和能耗的影响不容忽视。在对不同浓度的有机物进行降解时，存在一个明确的极限电流密度值(j_lim)。根据C.Comninellis等人的模型，极限电流密度可以从COD值估算出来：

j_lim(t)＝4Fk_mCOD(t)

式中，j_lim(t)为反应中t时刻的极限电流密度值，单位为A·m^-2；F为法拉第常数，其值为96487C·mol^-1；km为传质系数，单位为m·s^-1；COD(t)为反应中t时刻的溶液COD值，单位为mol·m^-3。

当实际电流密度在j_lim之下时，表示电化学氧化体系提供的电子数目不能将所处理的有机物分子完全氧化或矿化，电化学过程处于电荷控制阶段(即传荷过程为速率控制步骤)，此时电流效率保持为100％。当实际电流密度在j_lim之上时，表示电化学氧化体系提供的电子数目能将所处理的有机物分子完全氧化或是矿化，此时有多余电子可供析氧等副反应使用，电化学过程处于传质控制阶段(即传质过程为速率控制步骤)，此时电流效率低于100％。

基于上述有机溶液COD值与极限电流密度之间的对应关系，认为如果采用恒流模式(或脉冲恒流模式)进行降解，假设给定的电流密度值刚好为溶液初始有机物浓度所对应的极限电流密度值，那么在反应的初始阶段，属于电流效率很高(接近100％)的阶段；一旦反应进行一段时间，溶液COD值会随着反应的进行不断降低，其溶液COD值所对应的极限电流密度值逐渐低于初始电流密度值，反应进入传质控制阶段后，电流效率急剧下降(低于100％)，并造成能耗的额外损失(副反应增加)。为此，考虑采用电流调整输入模式(调整输入电催化体系的电流值)，以解决有机物电催化氧化过程中的电流效率低、能耗值高的问题。所谓电流调节输入模式，是以直流恒流模式或脉冲恒流模式为基础，在降解反应进行的过程中，根据输入电流～有机物关系模型推算该时刻的极限电流密度值，而后根据计算值来调整此刻(或下一刻)的输入电流值，如此即能有效保证电催化体系在运行过程中以高电流效率运行，极大节约能耗。