用于处理含氮硫氧杂环化合物废水的二维电极反应器

摘要

本发明公开了属于高浓度有机废水的电化学处理技术领域的一种用于处理含氮硫氧杂环化合物废水的二维电极反应器。该反应器由电解槽、极板卡槽、格栅支架、透水格栅、磁珠、出水口、不锈钢阴极板、负载Pt掺杂CoO-SnO镀SrO膜钛基阳极板、电线和稳压稳流电源组成。在电解槽的底部放置磁珠，中下部设有出水口。格栅支架分布在电解槽的四角。透水格栅和极板卡槽均为活动式。在电解槽中共放置4个极板卡槽，每个极板卡槽上均匀设置5个卡位，用于选择合适的间距插入不锈钢阴极板和负载Pt掺杂CoO-SnO镀SrO膜钛基阳极板。本发明制得的二维电极反应器对含氮硫氧杂环化合物废水处理效率高、成本低、操作简单。

说明书

技术领域

本发明属于高浓度有机废水的电化学处理技术领域，具体涉及一种用于处理含氮硫氧杂 环化合物废水的二维电极反应器。

背景技术

电催化氧化技术通过产生羟基自由基等强氧化性的活性基团来降解废水中的有机污染 物，具有无二次污染、成本低、适用性强、效率高等特点，在处理高浓度、难生化降解废水 方面具有应用潜力。为增强难生化降解废水的电催化处理效果，提高电解槽单位体积有效反 应面积、传质效果和电流效率是非常关键的问题，因此需要开发新型高效的电催化反应器。 同时，将反应器的开发和与之相匹配的电极制备相结合进行，使电极的催化效率得到充分发 挥是目前研究的重点之一。因此选择适合的电极材料和对其改性，以改善电极的表面催化性 能，便成了电化学工作者研究的新课题。近30年来，钛基板电极已发展成为金属氧化物电极 的主要形式，目前修饰钛电极所使用的金属氧化物主要有氧化钌、氧化锰、氧化铅、氧化铂、 氧化铱、锡锑氧化物等。电催化电极的表面微观结构和状态是影响电催化性能的重要因素， 而电极的制备方法直接影响到电极的表面结构，因而选择合适的电极制备方法是提高电极电 催化活性至关重要的关键环节。目前还缺少将反应器的开发和与之相匹配的电极制备相结合 方面的研究。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于处理含氮硫氧杂环化合物废水的二维电极反应器。本发明 的具体内容如下：

用于处理含氮硫氧杂环化合物废水的二维电极反应器由电解槽(1)、极板卡槽(2)、 格栅支架(3)、透水格栅(4)、磁珠(5)、出水口(6)、不锈钢阴极板(7)、负载Pt 掺杂CoO-SnO镀SrO膜钛基阳极板(8)、电线(9)和稳压稳流电源(10)组成。在电解槽 (1)的底部放置磁珠(5)。在电解槽(1)的中下部设有出水口(6)，供取样使用。格栅 支架(3)分布在电解槽(1)的四角，为固定式，作为透水格栅(4)的支架。透水格栅(4) 和极板卡槽(2)均为活动式，可以取出。在电解槽(1)中共放置4个极板卡槽(2)，每个 极板卡槽上均匀设置5个卡位，用于选择合适的间距插入不锈钢阴极板(7)和负载Pt掺杂 CoO-SnO镀SrO膜钛基阳极板(8)。使用时，先安放磁珠(5)，后将透水格栅(4)放置 到格栅支架(3)上，然后将不锈钢阴极板(7)和负载Pt掺杂CoO-SnO镀SrO膜钛基阳极 板(8)的四角卡到极板卡槽(2)上后，一同放入电解槽中，用电线(9)将不锈钢阴极板(7) 和负载Pt掺杂CoO-SnO镀SrO膜钛基阳极板(8)与稳压稳流电源(10)相连。其中，负 载Pt掺杂CoO-SnO镀SrO膜钛基阳极板由如下方法制备：

(1)将钛片放置在40kHz超声波清洗仪中用洗涤剂溶液清洗30min，然后取出用去离子 水冲洗，再放置在40kHz超声波清洗仪中用去离子水清洗15min；

(2)将步骤(1)得到的钛片放置在10％的草酸溶液中刻蚀2h，然后取出用去离子水冲 洗，再放置在40kHz超声波仪器中用去离子水清洗15min，晾干后保存在无水乙醇中备用；

(3)利用辉光放电对步骤(2)得到的钛片表面进行预处理10min，然后在MS56A型高 真空多靶磁控溅射机上完成磁控溅射镀铂得到物质A，其中阴极靶材为铂片，钛片作为阳极 基片，操作模式为射频溅射，真空度为8.0×10^-2Pa，功率为100W，氩气压力为1pa；

(4)将正丁醇、异丙醇、异丁醇、无水乙醇按等体积比例混合，得到溶液A；将 Co(NO₃)₂.6H₂O溶于水中制成浓度为0.5mol/L的溶液，加入5滴硝酸以防水解，得到溶液B； 将SnCl₂.H₂O溶于无水乙醇制成浓度为0.5mol/L的溶液C；将Sr(NO₃)₂溶于水中制成浓度为 0.5mol/L的溶液D；

(5)向溶液B中加入等体积的溶液A摇匀后分成等量4份，得到溶液B1、B2、B3、 B4；

(6)向溶液C中加入等体积的溶液A摇匀后分成等量4份，得到溶液C1、C2、C3、 C4；

(7)向溶液D中加入等体积的溶液A摇匀后分成等量2份，得到溶液D1、D2；

(8)将步骤(3)得到的物质A浸入步骤(5)得到的溶液B1中，并在磁力搅拌器作用下均 匀浸渍，3h后取出晾干，然后在100℃条件下干燥10h，得到物质B1；

(9)将物质B1浸入步骤(5)得到的溶液B2中，并在磁力搅拌器作用下均匀浸渍，3h后 取出晾干，然后在100℃条件下干燥10h，将干燥后的物质置于马弗炉中在960℃条件下焙烧 4h，得到物质B2；

(10)将物质B2浸入步骤(6)得到的溶液C1中，并在磁力搅拌器作用下均匀浸渍，3h 后取出晾干，然后在100℃条件下干燥10h，得到物质C1；

(11)将物质C1浸入步骤(6)得到的溶液C2中，并在磁力搅拌器作用下均匀浸渍，3h 后取出晾干，然后在100℃条件下干燥10h，将干燥后的物质置于马弗炉中在500℃条件下焙 烧4h，得到物质C2；

(12)将物质C2浸入步骤(5)得到的溶液B3中，并在磁力搅拌器作用下均匀浸渍，3h 后取出晾干，然后在100℃条件下干燥10h，得到物质B3；

(13)将物质B3浸入步骤(5)得到的溶液B4中，并在磁力搅拌器作用下均匀浸渍，3h 后取出晾干，然后在100℃条件下干燥10h，将干燥后的物质置于马弗炉中在960℃条件下焙 烧4h，得到物质B4；

(14)将物质B4浸入步骤(6)得到的溶液C3中，并在磁力搅拌器作用下均匀浸渍，3h 后取出晾干，然后在100℃条件下干燥10h，得到物质C3；

(15)将物质C3浸入步骤(6)得到的溶液C4中，并在磁力搅拌器作用下均匀浸渍，3h 后取出晾干，然后在100℃条件下干燥10h，将干燥后的物质置于马弗炉中在500℃条件下焙 烧4h，得到物质C4；

(16)将物质C4浸入步骤(7)得到的溶液D1中，并在磁力搅拌器作用下均匀浸渍，3h 后取出晾干，然后在100℃条件下干燥10h，将干燥后的物质置于马弗炉中在780℃条件下焙 烧4h，得到物质D1；

(17)将物质D1浸入步骤(7)得到的溶液D2中，并在磁力搅拌器作用下均匀浸渍，3h 后取出晾干，然后在100℃条件下干燥10h，将干燥后的物质置于马弗炉中在780℃条件下焙 烧4h，得到的物质即为负载Pt掺杂C_OO-SnO镀SrO膜的钛基阳极板。

本发明的有益效果是，对含氮硫氧杂环化合物废水处理效率高、成本低、操作简单。

附图说明

附图1是用于处理含氮硫氧杂环化合物废水的二维电极反应器的透视图。附图1中1为 电解槽，2为极板卡槽，3为格栅支架，4为透水格栅，5为磁珠，6为出水口，7为不锈钢阴 极板，8为负载Pt掺杂CoO-SnO镀SrO膜钛基阳极板，9为电线，10为稳压稳流电源。

具体实施方式

实施例

(1)一种用于处理含氮硫氧杂环化合物废水的二维电极反应器的制备过程如下：

电解槽的长为60mm，宽为50mm，高为120mm。在侧壁中心线上距底部35mm处开设孔 径为2mm的出水口。在电解槽的四角距底部10mm处设置格栅支架，格栅支架由上下分别为 5mm与10mm的立方体粘合而成。透水格栅为长为56mm、宽为46mm、厚为3mm的薄板，在 透水格栅的四角去除边长为2mm的正方形，在透水格栅薄板上均匀开设孔径为2mm的透水孔， 透水格栅为活动式，可以取出，在使用时安放在格栅支架上即可。极板卡槽由4个10mm×10mm ×60mm的长方体组成，每两个卡槽为一对，卡槽上均匀分布5mm×5mm×2mm的卡位，用 于插入长度为60mm、宽度为40mm、厚度为2mm的不锈钢阴极板和负载Pt掺杂CoO-SnO镀SrO 膜钛基阳极板。极板卡槽活动式可取出，使用时将不锈钢阴极板和负载Pt掺杂CoO-SnO镀SrO 膜钛基阳极板四角卡入卡位中，一起插入电解槽中，放到格栅支架上。用电线将不锈钢阴极 板和负载Pt掺杂NiO-SnO镀PbO膜钛基阳极板与稳压稳流电源相连。

(2)负载Pt掺杂CoO-SnO镀SrO膜钛基阳极板由如下过程制备：

将长度为60mm、宽度为40mm、厚度为2mm钛片用240号氧化铝耐水砂纸打磨至表面 出现金属光泽，然后将其放入培养皿中，倒入50mL丙酮，在40kHz超声波清洗仪中用洗涤 剂溶液清洗除油30min，然后取出先用500mL自来水冲洗，再用100mL去离子水冲洗，再放 置在40kHz超声波清洗仪中用去离子水清洗15min；然后将清洗后的钛片放置在100mL质量 浓度为10％的草酸溶液中刻蚀2h，取出先用500mL自来水冲洗，再用100mL去离子水冲洗， 再放置在40kHz超声波仪器中用去离子水清洗15min，晾干后保存在无水乙醇中备用；

取出保存在无水乙醇中的钛片，利用辉光放电对其表面进行预处理10min，然后在MS56A 型高真空多靶磁控溅射机上完成磁控溅射镀铂得到物质A，其中阴极靶材为铂片，钛片作为 阳极基片，操作模式为射频溅射，真空度为8.0×10^-2Pa，功率为100W，氩气压力为1pa；

将150mL正丁醇、150mL异丙醇、150mL异丁醇和150mL无水乙醇混合均匀，得到600mL 溶液A；将29.1克Co(NO₃)₂.6H₂O溶于200mL水中制成浓度为0.5mol/L的溶液，加入5滴 硝酸以防水解，得到200mL溶液B；将20.8克SnCl₂.H₂O溶于200mL无水乙醇制成浓度为 0.5mol/L的溶液C；将21.2克Sr(NO₃)₂溶于200mL水中制成浓度为0.5mol/L的溶液D；

向200mL溶液B中加入200mL溶液A摇匀后分成等量4份，得到溶液B1、B2、B3、 B4各100mL；

向200mL溶液C中加入200mL溶液A摇匀后分成等量4份，得到溶液C1、C2、C3、 C4各100mL；

向200mL溶液D中加入200mL溶液A摇匀后分成等量2份，得到溶液D1、D2各200mL；

将物质A浸入到溶液B1中，并在磁力搅拌器作用下均匀浸渍，3h后取出晾干，然后在 100℃条件下干燥10h，得到物质B1；

将物质B1浸入到溶液B2中，并在磁力搅拌器作用下均匀浸渍，3h后取出晾干，然后在 100℃条件下干燥10h，将干燥后的物质置于马弗炉中在960℃条件下焙烧4h，得到物质B2；

将物质B2浸入到溶液C1中，并在磁力搅拌器作用下均匀浸渍，3h后取出晾干，然后在 100℃条件下干燥10h，得到物质C1；

将物质C1浸入到溶液C2中，并在磁力搅拌器作用下均匀浸渍，3h后取出晾干，然后在 100℃条件下干燥10h，将干燥后的物质置于马弗炉中在500℃条件下焙烧4h，得到物质C2；

将物质C2浸入到溶液B3中，并在磁力搅拌器作用下均匀浸渍，3h后取出晾干，然后在 100℃条件下干燥10h，得到物质B3；

将物质B3浸入到溶液B4中，并在磁力搅拌器作用下均匀浸渍，3h后取出晾干，然后在 100℃条件下干燥10h，将干燥后的物质置于马弗炉中在960℃条件下焙烧4h，得到物质B4；

将物质B4浸入到溶液C3中，并在磁力搅拌器作用下均匀浸渍，3h后取出晾干，然后在 100℃条件下干燥10h，得到物质C3；

将物质C3浸入到溶液C4中，并在磁力搅拌器作用下均匀浸渍，3h后取出晾干，然后在 100℃条件下干燥10h，将干燥后的物质置于马弗炉中在500℃条件下焙烧4h，得到物质C4；

将物质C4浸入到溶液D1中，并在磁力搅拌器作用下均匀浸渍，3h后取出晾干，然后在 100℃条件下干燥10h，将干燥后的物质置于马弗炉中在780℃条件下焙烧4h，得到物质D1；

将物质D1浸入到溶液D2中，并在磁力搅拌器作用下均匀浸渍，3h后取出晾干，然后 在100℃条件下干燥10h，将干燥后的物质置于马弗炉中在780℃条件下焙烧4h，得到的物质 即为负载Pt掺杂CoO-SnO镀SrO膜钛基阳极板。

(3)降解实验

运用本发明得到的二维电极反应器对含氮硫氧杂环化合物的废水进行了降解试验，结果 表明该反应器能够高效去除废水中含有氮硫氧杂环的化合物，当进水COD为223mg/L时， 在pH为4.5，电压为12V，处理时间为120min条件下，处理后出水中的COD降低到33mg/L， 处理效率达到85.20％。