一种基于可溶性黑炭阴极的电芬顿废水处理方法及装置与流程

本发明涉及废水处理，具体涉及一种基于可溶性黑炭阴极的电芬顿废水处理方法及装置。

背景技术：

1、电芬顿技术作为一种电化学高级氧化工艺，通过阴极原位生成过氧化氢并与亚铁离子反应产生羟基自由基，在难降解有机废水处理中具有应用前景。然而，现有电芬顿技术在实际应用中仍面临诸多挑战：一方面，传统碳基阴极或商业炭黑改性阴极虽然具有一定的催化活性，但原料成本较高，且析氢副反应竞争显著，降低了电流效率和过氧化氢的选择性。例如，中国专利cn117512649a公开了一种电fenton反应器，采用恒电位电化学沉积法在炭毡表面负载炭黑等活性组分制成改性阴极；中国专利cn109502705a公开了一种将电絮凝和电芬顿技术联用处理有机污染物的方法，采用石墨-炭黑混合空气扩散阴极作为电芬顿阴极。然而，这些方案所采用的炭黑多为商业化石燃料基产品，成本较高且来源不可再生。另一方面，现有的生物炭基阴极制备往往涉及复杂的水热预处理、化学活化或多元素掺杂工艺，流程较长，且活性组分在电极基体上的分散性和界面稳定性有待提高，限制了其工程化推广。已有研究以黑豆为前驱体制备氮氧自掺杂生物质多孔炭阴极，以市政污泥为原料制备掺氮污泥基生物质炭阴极，以废弃虾壳为前驱体制备原位氮自掺杂生物炭阴极，以及以玉米芯为原料制备n/b/fe共掺杂生物质炭阴极，但这些方案均涉及较为复杂的水热预处理或多元素掺杂工艺，制备流程较长。因此，急需一种低成本、制备简便且能有效抑制析氢副反应的电芬顿阴极材料及配套的废水处理系统。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于可溶性黑炭阴极的电芬顿废水处理方法及装置。本发明通过可溶性黑炭促进双电子氧还原高效生成过氧化氢，结合疏水界面抑制析氢，实现了高选择性过氧化氢生成与低能耗运行，降低了阴极制备成本，配套装置集成度高，适用于抗生素等难降解废水的工程化处理。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于可溶性黑炭阴极的电芬顿废水处理方法，包括：

3、步骤1、提供复合阴极，所述复合阴极包含导电基体以及负载于所述导电基体表面的活性涂层，所述活性涂层包含可溶性黑炭和疏水聚合物；

4、步骤2、将所述复合阴极作为阴极，与阳极共同置于电芬顿反应装置内的废水中；

5、步骤3、向电芬顿反应装置内通入含氧气体，在通电条件下，利用所述可溶性黑炭催化氧还原反应生成过氧化氢，并利用所述疏水聚合物抑制析氢副反应，以对废水进行降解处理。

6、上述的基于可溶性黑炭阴极的电芬顿废水处理方法，所述可溶性黑炭的制备过程包括：

7、对生物质进行热解处理，得到生物质热解炭；

8、利用水相溶剂对所述生物质热解炭进行提取处理，固液分离后收集液相；

9、对所述液相进行浓缩和干燥，得到富含含氧官能团的可溶性黑炭。

10、前述的基于可溶性黑炭阴极的电芬顿废水处理方法，所述热解处理的温度为500~700℃；

11、所述提取处理中，所述生物质热解炭与水相溶剂的固液比为1:5~1:15 g/ml，提取温度为20~30℃，提取时间为12~36 h；

12、所述固液分离采用孔径为0.2~0.5 μm的滤膜进行过滤；

13、所述生物质包括甘蔗渣、玉米芯或水葫芦中的至少一种。

14、前述的基于可溶性黑炭阴极的电芬顿废水处理方法，所述活性涂层中，可溶性黑炭与疏水聚合物的质量比为1:3~1:8；

15、所述复合阴极的成型过程包括：将所述可溶性黑炭与疏水聚合物混合形成浆料，将浆料负载于导电基体表面，并进行热处理，使疏水聚合物熔融以在导电基体表面构建三维导电网络与疏水界面。

16、前述的基于可溶性黑炭阴极的电芬顿废水处理方法，所述疏水聚合物包括聚四氟乙烯；

17、所述可溶性黑炭与所述疏水聚合物的质量比为1:5；

18、所述热处理在惰性气氛下进行，热处理温度为300~400℃，保温时间为30~60 min；

19、所述浆料负载于导电基体表面的负载量为13~17 mg/cm²；

20、所述导电基体包括碳毡、石墨毡或泡沫镍。

21、前述的基于可溶性黑炭阴极的电芬顿废水处理方法，所述降解处理的运行条件包括：

22、所述废水的ph值调节为2~4；

23、施加于阳极和复合阴极之间的电流密度为5~15 ma/cm²；

24、向所述废水中投加亚铁离子，所述亚铁离子的浓度为0.2~1.0 mmol/l；

25、所述含氧气体的曝气强度为0.5~1.5 l/min。

26、前述的基于可溶性黑炭阴极的电芬顿废水处理方法，所述降解处理包括依次进行的调酸阶段、电芬顿反应阶段、中和阶段和絮凝阶段：

27、在所述调酸阶段，向废水中投加酸液调节ph值；

28、在所述电芬顿反应阶段，通入含氧气体并施加电流，同时投加亚铁离子；

29、在所述中和阶段，向反应后的废水中投加碱液调节ph值至中性；

30、在所述絮凝阶段，向中和后的废水中投加絮凝剂进行搅拌混合，形成絮体。

31、前述的基于可溶性黑炭阴极的电芬顿废水处理方法，所述方法还包括泥水分离阶段：

32、将絮凝阶段产生的包含絮体的废水导入沉淀池中进行沉淀分离；

33、获取沉淀池的上清液，并将上清液输送至生化处理系统；

34、收集沉淀池底部的芬顿污泥，并将芬顿污泥输送至污泥处理系统。

35、一种基于可溶性黑炭阴极的电芬顿废水处理装置，包括：

36、电芬顿反应池，用于容纳废水；

37、阳极和复合阴极，设置于所述电芬顿反应池内，所述复合阴极包含导电基体以及负载于所述导电基体表面的活性涂层，所述活性涂层包含可溶性黑炭和疏水聚合物；

38、曝气装置，设置于所述电芬顿反应池的底部，配置为向所述电芬顿反应池内通入含氧气体；

39、电源模块，与所述阳极和所述复合阴极电连接，配置为提供电芬顿反应所需的电能。

40、上述的基于可溶性黑炭阴极的电芬顿废水处理装置，所述电芬顿反应池沿水流方向依次分隔为调酸区、电芬顿反应区、中和区和絮凝区；

41、所述调酸区内设有第一搅拌机和第一在线监测仪，所述第一在线监测仪配置为监测ph值和orp值；

42、所述中和区内设有第二搅拌机和第二在线监测仪，所述第二在线监测仪配置为监测ph值；

43、所述絮凝区内设有栅框式搅拌机和加药管路，所述加药管路配置为投加絮凝剂。

44、与现有技术相比，本发明通过采用包含可溶性黑炭和疏水聚合物的复合阴极，利用可溶性黑炭中富含的醌基、羰基等含氧官能团作为氧化还原活性位点，促进双电子氧还原反应高效生成过氧化氢，同时利用疏水聚合物在阴极表面构建稳定的疏水界面，有效阻隔水分子接触电极表面从而抑制析氢副反应，实现了高选择性过氧化氢生成与低能耗运行的协同；进一步地，通过水相提取工艺从生物质热解炭中分离获得可溶性黑炭，保留了高活性小分子组分，避免了复杂的化学活化或金属掺杂工艺，降低了阴极材料的制备成本与环境负荷；配套的多级反应装置集成了调酸、反应、中和、絮凝及泥水分离功能，并通过在线监测仪表联动控制，确保了电芬顿系统在抗生素等难降解废水处理中的稳定运行与工程化适用性。