复合阴极以及采用这种阴极的电化学多级水处理设备

摘要

本发明涉及电化学工业循环冷却水处理、污水处理领域，具体为一种复合阴极以及采用这种阴极的电化学多级水处理设备。该设备解决了目前电化学方法去除工业循环冷却水、污水中的重金属离子不够彻底的技术问题。一种复合电极，将钛、铜、银三种金属熔化后，再加入铁、锌、铝、镉、铅、铬、镍、锰（或者其中某几种）熔化均匀，成型，得到复合电极；以质量分数计算，钛60-100份，铜50-70份，银20-30份，铁80-120份，锌55-90份，铝70-80份，镉100-120份，铅100-150份，铬40-50份，镍45-65份，锰35-45份。本发明所述的复合阴极通过多种重金属元素以及各元素之间的配比关系实现了对被处理的水中各种重金属离子的去除，去除效果显著。

说明书

技术领域

本发明涉及电化学工业循环冷却水处理、污水处理领域，具体为一种复合阴极以及采用这种阴极的电化学多级水处理设备。

背景技术

目前用于工业循环冷却水处理、污水处理的电化学方法一般是通过阴阳两电极对工业循环冷却水、污水进行电解处理，在外加电流作用下：方法1、牺牲阳极法：如电解法使阳极（阳极采用Fe、Al）在电解时产生大量的阳离子（如Fe离子、Al离子等），与氢氧根离子结合生成的Fe（OH）₂具有絮凝、吸附和沉淀的作用，能够对被处理水中的众多杂物进行絮凝、吸附、沉淀去除。方法2、电化学阴极保护法：阳极采用贵金属涂层，阻止阳极牺牲，通过电解产生的化学反应，使被处理的水中需要去除的物质在专用阴极吸附、结垢析出（比如碳酸盐、重金属），通过刮垢使其从阴极脱落，再通过反冲洗方法把需要去除的物质排出运行系统。目前工业用水、废水中还包含有多种成分的重金属元素，对于重金属元素的去除，电化学方法一般采用钛或者碳钢作为阴极，对重金属元素进行吸附去除，但由于污水中重金属元素种类较多，采用钛作为阴极去除重金属的去除效果并不显著，去除不够彻底，满足不了当前对环境保护的要求。因此需要一种去除重金属种类多、去除效果显著的阴极材料。

目前常用的电化学法去除含重金属水中的重金属离子的处理设备，由于电极与被处理水接触面积较小、阴极材料存在缺陷，水中的有毒有害物质去除效果不明显，不能达到回用或者排放的标准，因此需要一种去除能力强的综合去除多种重金属的水处理设备。

发明内容

本发明为解决目前电化学方法去除工业用水、污水中的重金属离子不够彻底的技术问题，提供一种复合阴极以及采用这种阴极的电化学多级水处理设备。

本发明所述复合阴极是采用以下技术方案实现的：一种复合阴极，将钛、铜、银三种金属熔化后，再加入铁、锌、铝、镉、铅、铬、镍、锰中的任意一种或两种或三种或四种或五种或六种或七种以及八种熔化均匀，成型，得到复合阴极；以质量分数计算，钛60-100份，铜50-70份，银20-30份，铁80-120份，锌55-90份，铝70-80份，镉100-120份，铅100-150份，铬40-50份，镍45-65份，锰35-45份。

金属钛目前已应用于水处理中对于重金属的去除，钛对钛族元素有较强的吸附能力，但是对于钛族以外的镉、铅、铬、镍、铜等金属元素，其吸附能力不明显。本发明在熔化后的铜、银、钛中加入一定质量比的锌、铝、铬、镉、铅、镍、锰中的任意一种或两种或三种或四种或五种或六种或七种以及八种，制成阴极，该阴极可以将被处理水中的上述重金属元素的阳离子和被处理水中的碳酸盐一起吸附在其表面，对各种重金属元素起到良好的去除效果，金属钛还可以对吸附作用起到较好的诱导作用，促进重金属元素在阴极的吸附、附着；铜、银和钛的按照所属比例混合并熔化后有利于其它重金属元素的熔合成型；所述重金属元素的组分比则能够促进其与铜、银和钛的熔合成型。一般在电解作用时某族金属元素对本族金属或者相邻的族的金属元素有较好的吸附效果，因此本发明所加入的各种元素还能吸附与其同族或相邻族的重金属元素。大量的实验表明本发明所述的铜、银和钛以及锌、铝、铬、镉、铅、镍、锰之间的质量比在处理含重金属离子的污水时能够达到最佳的吸附效果，污水的处理效果符合国家相关标准。

本发明所述的电化学多级水处理设备是采用以下技术方案实现的：一种电化学多级水处理设备，包括呈筒状且上端口设有上端盖的缸体；缸体上端盖上开有进水口；缸体的底部设有排污口，排污口连接有排污管路，排污管路上设有排污阀门；缸体的上端盖上开有出水口；所述缸体内部设有多个直径不等的筒状网型阳极；缸体内部还设有一个筒状阴极或多个直径不等的筒状阴极；所述筒状网型阳极与筒状阴极的上下端均开口，所述筒状网型阳极与筒状阴极相互交替嵌套排列；筒状网型阳极与筒状阴极的下端部与缸体内底面有间隔；位于最内侧的为筒状网型阳极，位于最外侧与缸体内壁相邻的也为筒状网型阳极；所述筒状网型阳极与筒状阴极的上端部与缸体的上端盖的下端面相固定连接；筒状网型阳极与上端盖之间绝缘连接；所述每个筒状网型阳极的上端均通过多个绝缘接线端穿过开在上端盖上的孔伸出缸体；所述筒状阴极包括呈筒状的碳钢阴极以及覆盖在碳钢阴极表面的复合阴极；所述缸体内壁上也覆盖有一层复合阴极。

被处理水由缸体上部的进水口进入缸体内部，并逐渐充满缸体，缸体内的阳极与阴极两两配对，其中位于最外侧的阳极与缸体内壁上的复合阴极配对，将阳极的绝缘接线端与电源正极连接，缸体的外壳与电源负极连接，这样阴阳极通过电流的作用，开始对被处理水中的有害物质特别是重金属离子进行电化学吸附处理。重金属离子被吸附在阴极上，形成重金属物质在阴极析出。由于采用了复合阴极，对重金属离子的吸附能力更强；且由于采用多对筒状的阳极以及阴极，扩大了阴极与被处理水的接触面积，同样起到了增强吸附的功能，复合阴极以及多级电极的设置，使得吸附作用更加显著，除污效果更好。吸附结束后，阴极表面的重金属物质和碳酸盐可通过刀片刮落，重金属物质和碳酸盐向下落至缸体底部，并反冲洗经底部的排污口排出。被处理的水经过出水口排出循环利用。筒状阳极与筒状阴极的下端部与缸体内底面有间隔，这样需要处理的水能够经筒状阳极与筒状阴极与缸体内底面之间的间隔充满整个缸体。所述网型阳极表面呈网格状，有利于污水的流动以及水中杂物的吸附。

进一步的，筒状网型阳极与筒状阴极的轴线均与缸体的轴线相重合；还包括阴极除污装置；所述阴极除污装置包括竖直设置在缸体内部的刮刀连动轴以及设在缸体外部的驱动刮刀连动轴的动力系统；所述动力系统包括电机以及由电机驱动的减速器，所述减速器的传动轴由位于缸体上端盖中心的孔伸入缸体内部并与刮刀连动轴的上端相连接；所述缸体内通过设置在缸体内壁上的水平支架设有一个位于缸体下中部中心的低于筒状阳极以及筒状阴极下端面的轴承，刮刀连动轴的下端设在轴承内；靠近刮刀连动轴下端处由刮刀连动轴向外水平辐射设有若干个环绕刮刀连动轴均匀排列且等长的支撑板；每个筒状阴极均配有多个底部设在支撑板上的竖直设置的第一刮刀，所述每个第一刮刀包括以刀刃相对且分别位于筒状阴极内外两侧的竖直设置的呈长条形的第一刀片与第二刀片；第一刀片以及第二刀片的底部均设在支撑板上；对应一个筒状阴极的多个第一刮刀组成一组；所述每组第一刮刀的第一刀片之间由下向上水平设有多个第一连接圈，第二刀片之间由下向上水平设有多个第二连接圈；对于每组第一刮刀，第一连接圈与第二连接圈成对设置；每个支撑板的一端与刮刀连动轴相连接，每个支撑板的另一端上均竖直设有一个第二刮刀，所述第二刮刀刀刃向外并与缸体内壁的复合阴极相配合；所述第二刮刀之间由下而上水平设有若干个第三连接圈。

阴极吸附结束后，开启电机带动刮刀连动轴转动并带动支撑板以及设在支撑板上的第一刮刀以及第二刮刀转动，将筒状阴极表面以及缸体内壁复合阴极上的吸附、结垢物刮掉，被刮掉的吸附、结垢物落入缸体的底部，打开排污口通过反冲洗将吸附、结垢物以及其它杂物排出缸体。所述第一刮刀与筒状阴极相配，是指第一刮刀的两个刀片分别位于筒状阴极的内外两侧，且与筒状阴极的间距可以保证刮刀正常转动将阴极表面吸附的重金属、结垢物质刮掉，同时又不会对阴极产生损害，所述第二刮刀与缸体的内侧壁相配合，也是指第二刮刀可以将缸体内壁上的复合阴极表面的吸附、结垢物刮掉，同时不会损坏复合阴极。采用了在阴极表面去除吸附、结垢物质的刮刀装置后除污实现了自动化，除污更快且效果更好。第一连接圈与第二连接圈用于加固第一刮刀的第一、第二刀片，第三连接圈用于加固第二刮刀。

本发明所述的复合电极通过多种重金属元素以及几个元素之间的配比关系实现了对水中各种重金属离子的去除，去除效果显著；本发明所述的水处理设备采用多级结构进行水处理，水与电极接触面积大，去污能力强；阴极除污装置的设计实现了阴极吸附、结垢物的自动化清理，极大的提高了工作效率。

附图说明

图1所述电化学多级水处理设备具体实施时的第一种结构示意图。

图2所述电化学多级水处理设备具体实施时的第二种结构示意图。

图3所述电化学多级水处理设备具体实施时的第三种结构示意图。

图4 图1、2、3中D的放大图。

图5 图1、2、3中F的放大图。

图6 图1中电化学多级水处理设备的阴极除污装置位于缸体内部分的俯视结构示意图。

图7 图6的A-A剖视图。

图8图2中电化学多级水处理设备的阴极除污装置位于缸体内部分的俯视结构示意图。

图9 图8的B-B剖视图。

图10图3中电化学多级水处理设备的阴极除污装置位于缸体内部分的俯视结构示意图。

图11图10的C-C剖视图。

图12 图1的外部结构示意图。

图13图2的外部结构示意图。

图14图3的外部结构示意图。

图15图3中电化学多级水处理设备的阴极除污装置位于缸体内部分的立体结构示意图。

1-缸体，2-上端盖，3-进水口，4-排污口，5-排污阀门，6-出水口，7-筒状网型阳极，8-筒状阴极，9-绝缘接线端，10-碳钢阴极，11-复合阴极，12-刮刀连动轴，13-电机，14-减速器，15-水平支架，16-轴承，17-支撑板，18-第一刀片，19-第二刀片，20-第一连接圈，21-第二连接圈，22-第二刮刀，23-第三连接圈，24-卡槽，25-进水口阀门，26-传动轴，27-底部连接圈，28-导流口。 

具体实施方式

一种复合阴极，将钛、铜、银三种金属熔化后，再加入铁、锌、铝、镉、铅、铬、镍、锰任意一种或两种或三种或四种或五种或六种或七种以及八种熔化均匀，成型，得到复合电极；以质量分数计算，钛60-100份（可选择100、70、80、60份），铜50-70份（可选择50、60、70份），银20-30份（可选择30、20、25份），铁80-120份（可选择80、90、100、110、120份），锌55-90份（可选择90、83、76、69、62、55份），铝70-80份（可选择70、75、80份），镉100-120份（可选择120、100、110），铅100-150份（可选择100、110、120、130、140、150份），铬40-50份（可选择40、45、50份），镍45-65份（可选择65、45、50、55、60份），锰35-45份（可选择35、40、45份）。

具体实施时，在采用任意一种重金属时，可选用铁或铅，成分如上所述；

在采用任意两种重金属时，可选用锌和铝或镉和铬，成分如上所述；

在采用任意三种重金属时，可选用铁、锌、镉或铝、铬、镍，成分如上所述；

在采用任意四种重金属时，可选用锌、铅、镉、锰或铁、镍、镉、铬，成分如上所述；

在采用任意五种重金属时，可选用铁、锌、铝、镉、铅或锌、铝、铬、镍、锰，成分如上所述；

在采用任意六种重金属时，可选用铁、锰、锌、镉、铅、铬或铁、锰、锌、镉、镍、铝，成分如上所述；

在采用任意七种重金属时，可选用铁、锰、锌、镉、铅、镍、铬或铁、锰、锌、镉、镍、镉、铅，成分如上所述；

将铁、锌、铝、镉、铅、铬、镍、锰八种重金属与钛、铜、银熔化成型，成分如上所述；

实际应用中可根据被处理水中各种重金属的含量对各种金属元素进行微调，以使吸附效果达到最佳。

  一种电化学多级水处理设备，包括呈筒状且上端口设有上端盖2的缸体1；缸体1的上端盖2上开有进水口3；缸体1的底部设有排污口4，排污口4连接有排污管路，排污管路上设有排污阀门5；缸体1的上端盖2上开有出水口6；所述缸体1内部设有多个直径不等的筒状网型阳极7；缸体1内部还设有一个筒状阴极8或多个直径不等的筒状阴极8；所述筒状网型阳极7与筒状阴极8的上下端均开口，所述筒状网型阳极7与筒状阴极8相互交替嵌套排列；筒状网型阳极7与筒状阴极8的下端部与缸体1内底面有间隔；位于最内侧的为筒状网型阳极7，位于最外侧与缸体1内壁相邻的也为筒状网型阳极7；所述筒状网型阳极7与筒状阴极8的上端部与缸体1的上端盖2的下端面相固定连接；筒状网型阳极7与上端盖2之间绝缘连接；所述每个筒状网型阳极7的上端均通过多个绝缘接线端9穿过开在上端盖2上的孔伸出缸体1；所述筒状阴极包括呈筒状的碳钢阴极10以及覆盖在碳钢阴极10表面的复合阴极11；所述缸体1内侧壁上也覆盖有一层复合阴极11。

 筒状网型阳极7与筒状阴极8的轴线均与缸体1的轴线相重合；还包括阴极除污装置；所述阴极除污装置包括竖直设置在缸体1内部的刮刀连动轴12以及设在缸体1外部的动力系统；所述动力系统包括电机13以及由电机13驱动的减速器14，所述减速器14的传动轴26由位于缸体1上端盖2中心的孔伸入缸体1内部并与刮刀连动轴12的上端相连接；所述缸体1内通过设置在缸体1内壁上的水平支架15设有一个位于缸体1下中部中心的低于筒状网型阳极7以及筒状阴极8下端面的轴承16，刮刀连动轴12的下端设在轴承16内；靠近刮刀连动轴12下端处由刮刀连动轴12向外水平辐射设有若干个环绕刮刀连动轴12均匀排列且等长的支撑板17；每个筒状阴极8均配有多个底部设在支撑板17上的竖直设置的第一刮刀，所述每个第一刮刀包括以刀刃相对且分别位于筒状阴极8内外两侧的竖直设置的呈长条形的第一刀片18与第二刀片19；第一刀片18以及第二刀片19的底部均设在支撑板17上；对应一个筒状阴极8的多个第一刮刀组成一组；所述每组第一刮刀的第一刀片18之间由下向上水平设有多个第一连接圈20，第二刀片19之间由下向上水平设有多个第二连接圈21；对于每组第一刮刀，第一连接圈20与第二连接圈21成对设置；每个支撑板17的一端与刮刀连动轴12相连接，每个支撑板17的另一端上均竖直设有一个第二刮刀22，所述第二刮刀22刀刃向外并与缸体1内壁的复合阴极11相配合；所述第二刮刀22之间由下而上水平设有若干个第三连接圈23。

缸体1的中下部呈向下收缩的漏斗状，所述排污口4设在漏斗状缸体的最下端；所述水平支架15设在缸体中下部口径开始收缩的位置。

  所述支撑板17之间还设有底部连接圈27；所述底部连接圈27包括连接在支撑板17的另一端之间的外部连接圈以及连接在支撑板非端部之间的中部连接圈；中部连接圈包括连接在相邻支撑板17之间与每个第一刮刀对应的位置处的多个圆弧状连接板，对应于同一组第一刮刀的多个圆弧状连接板组成一个中部连接圈。

刮刀连动轴12的上端设有卡槽24，刮刀连动轴12通过卡槽24与减速器14的传动轴26相连接。

所述筒状网型阳极7为两个，筒状阴极8为一个；所述第一刮刀共有一组；第一刮刀间相互均匀环布；第二刮刀22间相互均匀环布。所述进水口3位于缸体1侧壁上部。图1为采用一个筒状阴极的电化学多级水处理设备的，图6为与该电化学多级水处理设备相配的刮刀除污装置位于缸体内部部分的结构示意图。

所述筒状网型阳极7为三个，筒状阴极8为两个，第一刮刀共有两组，每组第一刮刀间相互均匀环布；第二刮刀22间相互均匀环布。位于最内侧的筒状阴极的上部开有导流口28。图2为采用两个筒状阴极8的电化学多级水处理设备的结构示意图，图8为与该电化学多级水处理设备相配的阴极除污装置位于缸体内部部分的结构示意图。导流口28能够加速水流的流动，使得水能够在缸体内产生一定的上下循环流动，增加水与筒状阳极以及阴极的接触，加大除污力度。

所述筒状网型阳极7为四个，筒状阴极8为三个；所述第一刮刀共有三组，每组第一刮刀间相互均匀环布；第二刮刀22间相互均匀环布。图3为采用三个筒状阴极的电化学多级水处理设备的结构示意图，图10为与该电化学多级水处理设备相配的阴极除污装置位于缸体内部部分的结构示意图，图15为阴极除污装置位于缸体内部部分的立体结构示意图。

进水口3通常都连接有管路，管路上设有进水口阀门25，用于控制进水量；出水口6一般与中水回用管道或者排放口相连，缸体下部做成漏斗状有利于将各种污物集中并经过排污口排出。底部连接圈27对支撑板17起到加固的作用，使支撑板17带动刮刀转动的更加平稳。附图中的箭头表示水流方向。