本發(fā)明涉及廢水處理設備及材料，尤其涉及一種強化電解析氯反應的可拓展式電化學系統(tǒng)及其用途和方法。

背景技術：

1、廢水處理過程中，去除氨氮、有機物和微生物是確保水質達標的關鍵環(huán)節(jié)。有機物若未經(jīng)處理直接排放，會對水生生態(tài)造成長期影響；而微生物則可能攜帶致病菌，對人類健康構成威脅。同時，對循環(huán)水系統(tǒng)中微生物的控制也必不可少，以確保水質穩(wěn)定和系統(tǒng)的長期運行。

2、電化學氧化技術是一種新型、綠色的水處理技術。常用于工業(yè)廢水中cod、氨氮的氧化去除或用于循環(huán)水系統(tǒng)的滅菌處理，但是水中氯離子濃度較低時，活性氯產(chǎn)量較低，無法實現(xiàn)水體的高效處理，如何促進低氯水體中活性氯的產(chǎn)量是電化學水處理領域的技術難點。相較于二維板式電極而言，三維電極具有反應面積大、傳質擴散效率高等優(yōu)勢。然而，常見顆粒陽極(活性炭、石墨、有催化涂層的金屬顆粒等)在處理低濃度含氯廢水時存在兩個主要問題：(1)由于陽極上的競爭性析氧反應，原位產(chǎn)氯的法拉第效率不高，特別是當溶液中cl-濃度小于20mm時，活性氯產(chǎn)量不足；(2)電催化氧化效率低。因此，需要尋找開發(fā)適用于低cl-濃度水體的高效處理的顆粒材料，對電化學水處理領域研究及工程化應用具有指導性意義。

技術實現(xiàn)思路

1、為解決上述問題，本發(fā)明提供了一種強化電解析氯反應的可拓展式電化學系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括拓展式陽極和陰極，所述拓展式陽極為整體填裝在電解反應器陽極區(qū)域的顆粒電極或填裝于透水的腔體內的顆粒電極整體；所述顆粒電極根據(jù)電解反應器尺寸或電解所需電極面積/體積進行約束裝填；所述顆粒電極為氧化鉍-碳基材料復合顆粒電極。

2、在上述方案的基礎上，所述氧化鉍-碳基材料復合顆粒電極由以下方法制備而成：

3、(1)將碳基材料粉、氧化鉍粉和無水乙醇倒入球磨罐中球磨，球磨混合后干燥至恒重，得到混合粉末；

4、(2)將酚醛樹脂與上一步制得的混合粉末混合形成泥塊，經(jīng)成型制成粒徑為5mm-40mm的圓柱形顆粒；制備的圓柱形顆粒在100℃的條件下干燥10h，隨后在600℃條件下氧化退火，可得到氧化鉍-碳基材料復合陽極顆粒。

5、在上述方案的基礎上，所述陰極為不銹鋼網(wǎng)。

6、在上述方案的基礎上，無水乙醇與碳基材料粉的重量比為10:24-25；氧化鉍粉末的摻雜量為總量的5wt％，總量指的是碳基材料、氧化鉍的用量和。

7、在上述方案的基礎上，碳基材料粉與酚醛樹脂的質量比為2:5。

8、在上述方案的基礎上，所述碳基材料為石墨、炭黑或者活性炭。

9、本申請還提供一種上述的強化電解析氯反應的可拓展式電化學系統(tǒng)的用途，具體的，上述系統(tǒng)用于處理含低濃度氯離子的廢水，廢水中還可以包含氨氮、有機物和微生物中的至少一種。

10、在上述方案的基礎上，所述的低濃度氯離子指的是氯離子濃度為1-20mm。

11、本申請還提供一種強化電解析氯反應凈化含低濃度氯離子廢水的方法，使用上述的強化電解析氯反應的可拓展式電化學系統(tǒng)，廢水中還可以包含氨氮、有機物和微生物中的至少一種。

12、在上述方案的基礎上，所述的低濃度氯離子指的是氯離子濃度為1-20mm。

13、本申請的一種強化電解析氯反應的可拓展式電化學系統(tǒng)，結構簡單，可以直接將顆粒電極裝填于電解反應器陽極區(qū)域的顆粒電極或填裝于透水的腔體內的顆粒電極整體，根據(jù)實際的電解反應器尺寸或電解所需電極面積或體積進行約束裝填。

14、本申請系統(tǒng)中使用的顆粒電極經(jīng)過酚醛樹脂熱解碳包覆后碳基材料，物理吸附性能得到明顯提高；催化劑bi2o3的摻雜增強氯離子在碳基電極表面富集，提高碳基陽極電催化產(chǎn)次氯酸活性。析氯性能的增強可歸因于其對水相cl-的強親和力，這得益于bi2o3晶面的開放孔道結構；氧化鉍-碳基復合顆粒陽極的設計有利于cl-的傳輸和吸附，促進了電荷轉移和活性氯的產(chǎn)生。因此，該顆粒陽極構成的電催化體系可有效氧化低濃度氯離子水中的cl-，原位生成強氧化性活性氯物種，控制有機物氧化方向，降低氧化產(chǎn)物的生成，提高吸附效率，同時獲得高效去除氨氮、有機物和病原微生物的能力。氧化鉍-碳基復合顆粒電極具有優(yōu)異的吸附性、選擇性和循環(huán)穩(wěn)定性。利用氧化鉍對氯離子的選擇吸附性能，增強氯離子在復合碳基電極表面富集，提高碳基復合陽極電催化產(chǎn)次氯酸活性。將制備的復合顆粒電極裝填在陰陽極之間作為感應電極或直接通過物理束縛方法制成陽極，不僅表現(xiàn)出優(yōu)異的cl-選擇吸附性能，而且生成活性氯需要更低的自由能。該發(fā)明顯示出替代傳統(tǒng)碳基材料處理低濃度含氯廢水的前景，解決了傳統(tǒng)碳基陽極電催化氧化效率低以及低濃度氯離子水中活性物種產(chǎn)量低的問題。

15、本發(fā)明同時也具有低能耗、綠色環(huán)保的優(yōu)勢，經(jīng)過除雜工序可進行回收再次投入系統(tǒng)，效果依然很好。利用低電壓實現(xiàn)電極強化產(chǎn)生活性氯，不會產(chǎn)生二次污染，降低成本并且實現(xiàn)了資源的充分利用。本發(fā)明的制備方法簡單易行，易于大范圍推廣。

技術特征：

1.一種強化電解析氯反應的可拓展式電化學系統(tǒng)，其特征在于，包括拓展式陽極和陰極，所述拓展式陽極為整體填裝在電解反應器陽極區(qū)域的顆粒電極或填裝于透水的腔體內的顆粒電極整體；所述顆粒電極根據(jù)電解反應器尺寸或電解所需電極面積/體積進行約束裝填；所述顆粒電極為氧化鉍-碳基材料復合顆粒電極。

2.根據(jù)權利要求1所述的強化電解析氯反應的可拓展式電化學系統(tǒng)，其特征在于，所述氧化鉍-碳基材料復合顆粒電極由以下方法制備而成：

3.根據(jù)權利要求1所述的強化電解析氯反應的可拓展式電化學系統(tǒng)，其特征在于，所述陰極為不銹鋼網(wǎng)。

4.根據(jù)權利要求2所述的強化電解析氯反應的可拓展式電化學系統(tǒng)，其特征在于，無水乙醇與碳基材料粉的重量比為10:24-25；氧化鉍粉末的摻雜量為總量的5wt％，總量指的是碳基材料、氧化鉍的用量和。

5.根據(jù)權利要求2所述的強化電解析氯反應的可拓展式電化學系統(tǒng)，其特征在于，碳基材料粉與酚醛樹脂的質量比為2:5。

6.根據(jù)權利要求1所述的強化電解析氯反應的可拓展式電化學系統(tǒng)，其特征在于，所述碳基材料為石墨、炭黑或者活性炭。

7.權利要求1-6任一項所述的強化電解析氯反應的可拓展式電化學系統(tǒng)的用途，其特征在于，用于處理含低濃度氯離子的廢水，廢水中還可以包含氨氮、有機物和微生物中的至少一種。

8.根據(jù)權利要求7所述的用途，其特征在于，所述的低濃度氯離子指的是氯離子濃度為1-20mm。

9.一種強化電解析氯反應凈化含低濃度氯離子廢水的方法，其特征在于，使用權利要求1-6任一項所述的強化電解析氯反應的可拓展式電化學系統(tǒng)，廢水中還可以包含氨氮、有機物和微生物中的至少一種。

10.根據(jù)權利要求9所述的方法強化電解析氯反應凈化含低濃度氯離子廢水的方法，其特征在于，所述的低濃度氯離子指的是氯離子濃度為1-20mm。

技術總結
本發(fā)明涉及一種強化電解析氯反應的可拓展式電化學系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括拓展式陽極和陰極，所述拓展式陽極為整體填裝在電解反應器陽極區(qū)域的顆粒電極或填裝于透水的腔體內的顆粒電極整體；所述顆粒電極根據(jù)電解反應器尺寸或電解所需電極面積/體積進行約束裝填；所述顆粒電極為氧化鉍?碳基材料復合顆粒電極。本申請系統(tǒng)利用低電壓實現(xiàn)電極強化產(chǎn)生活性氯，不會產(chǎn)生二次污染，降低成本并且實現(xiàn)了資源的充分利用。

技術研發(fā)人員：江波,李淑珍,韋萌,任相儒,張君,齊元峰,施雪卿,李一凡,董英昊,畢學軍,劉奕捷
受保護的技術使用者：青島理工大學
技術研發(fā)日：
技術公布日：2024/9/9