一种离散型导电催化颗粒耦合电渗析装置及应用

本发明属于水处理与环境保护，具体涉及一种离散型导电催化颗粒耦合电渗析装置及应用。

背景技术：

1、高盐有机废水广泛产生于印染、皮革加工、石油精炼及天然气开采等行业。由于难降解有机物与高盐度的协同作用，此类废水不仅容易引发河湖水体富营养化，造成长期的生态损害，其高盐基质还会通过渗透压抑制微生物活性，降低后续生物处理的效果。目前，针对高盐有机废水的处理技术主要包括蒸发、絮凝沉淀、离子交换及膜分离。尽管这些方法能够去除部分污染物，但普遍存在能耗高、易产生二次污染及反应选择性差等问题，严重制约了其大规模工程应用。而生化法由于受到高盐抑制，微生物代谢受阻，处理效果也不理想。因此，亟需开发绿色、高效的处理技术。

2、电渗析是一种利用电场驱动离子迁移，使离子选择性透过阴膜和阳膜，从而实现脱盐与浓缩的技术。因其成本低、适用范围广、无二次污染等优势，已成为高盐废水资源化领域的研究热点。然而，传统电渗析技术存在淡水回收率低、能耗高等固有缺陷，且无法有效降解有机物。目前，脱盐与有机物降解过程多采用先电渗析处理、再进行有机物降解的串联工艺，存在流程长、占地大等问题，同时有机物的存在也会显著影响电渗析效率。因此，如何将脱盐与降解耦合于同一单元中并实现协同增效，成为当前亟待突破的技术难点。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种离散型导电催化颗粒耦合电渗析装置及应用，实现高盐有机废水中盐的高效脱出与有机物降解。

2、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、第一方面，本发明提供一种离散型导电催化颗粒耦合电渗析装置，包括反应槽、设置于所述反应槽内的膜堆、分别位于所述膜堆两侧的阴极和阳极、与阴阳电极连接的直流稳压电源、以及分散在所述膜堆内部隔室中的离散型导电催化颗粒；

4、所述膜堆由阴离子交换膜和阳离子交换膜交替排列组成；

5、所述离散型导电催化颗粒为煤气化渣与fe-al水滑石的复合材料，其粒径为0.5~3mm。

6、优选的，所述离散型导电催化颗粒通过以下方法制备得到：

7、1）将铁盐和铝盐按照fe：al摩尔比为2:1溶于水中，得到浓度为0.15 mol/l的均匀混合溶液；

8、2）向上述混合溶液中按照10~15 g/l的浓度添加煤气化渣，并调节溶液ph值至10.0±0.2；

9、3）在惰性气氛下搅拌30 min后，将悬浮液转移至水热反应釜中，在120 ℃温度下进行水热处理8 h；

10、4）将水热产物过滤、洗涤、烘干，得到煤气化渣基离散型导电催化颗粒。

11、优选的，所述铁盐为可溶性铁盐，选自氯化铁、硫酸铁、硝酸铁、乙酸铁中的至少一种；所述铝盐为可溶性铝盐，选自氯化铝、硫酸铝、硝酸铝中的至少一种。

12、优选的，所述膜堆从阳极至阴极方向依次按照“阳极室-阴离子交换膜-第一淡化室-阳离子交换膜-浓缩室-阴离子交换膜-第二淡化室-阳离子交换膜-阴极室”的顺序层叠组装。

13、优选的，所述阳极室的体积与所述阴极室的体积相等。

14、优选的，所述阳极为ru-ir-ti电极，所述阴极为pt电极；所述直流稳压电源的输出电压范围为5~25 v。

15、进一步地，还包括电解液循环系统，所述电解液循环系统分别与阳极室和阴极室连接，用于向两电极室中注入电解液。

16、第二方面，本发明还提供上述离散型导电催化颗粒耦合电渗析装置在高盐有机废水处理方面的应用。具体包括：

17、（1）装置组装与密封：

18、采用ru-ir-ti电极和pt电极分别作为装置的阳极和阴极，按照以下排布方式进行组装：阳极-阳极室-阴离子交换膜-第一淡化室-阳离子交换膜-浓缩室-阴离子交换膜-第二淡化室-阳离子交换膜-阴极室-阴极；

19、确保各隔室之间密封良好，无液体渗漏。

20、（2）反应液配置与投加：

21、向阳极室和阴极室中分别注入电解液；向第一淡化室、浓缩室和第二淡化室中分别加入相同体积的待处理高盐有机废水；

22、将离散型导电催化颗粒均匀加入到第一淡化室、浓缩室和第二淡化室中，使颗粒在溶液中保持离散分布状态。

23、（3）通电运行与检测：

24、接通直流稳压电源，调节输出电压；开启电解液循环系统，使反应在恒定电压下连续运行8小时。

25、（4）结果分析：

26、运行结束后，收集各隔室内的溶液，测定其最终电导率和cod值，计算脱盐率及有机物去除率。

27、优选的，所述离散型导电催化颗粒在所述第一淡化室、浓缩室和第二淡化室中的投加浓度分别为0.2~0.4 g/l。

28、优选的，所述电解液为浓度为0.5 mol/l的na2so4溶液。

29、本发明提供的离散型导电催化颗粒耦合电渗析装置，通过在电渗析膜堆的溶液室中引入自合成的改性煤气化渣颗粒，实现了电渗析脱盐与多相电催化氧化的深度耦合。其中，离散型导电催化颗粒作为“复极性微电极”，在直流电场作用下发生感应极化，在颗粒两端形成微阳极和微阴极，从而构建了无数个微电解单元。本发明通过控制导电催化颗粒的投加浓度以及特定的“阳极-阳极室-阴膜-淡化室-阳膜-浓缩室”膜堆构型，不仅有效解决了传统电渗析对有机污染物去除能力弱的问题，还利用煤气化渣多孔结构及其表面原位生长的fe-al水滑石活性位点，显著降低了电渗析过程中的浓差极化效应。因此，开发这种基于煤气化渣基催化剂的离散型耦合电渗析技术，对于实现高盐有机废水的同步脱盐净化与固体废弃物资源化利用具有重要的科学价值和工程意义。

30、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

31、1.协同处理效率高，脱盐与有机物降解性能好

32、本发明通过离散型导电颗粒在膜室内的三维分布，打破了传统二维电极的传质限制，极大地增加了反应活性位点。在本发明的研究范围内，该装置在特定电压（20v）下连续运行8小时以上，展现出较好的运行稳定性和脱盐效果；由于fe-al水滑石与煤气化渣的协同催化作用，其对废水中有机物的氧化降解速率显著优于传统电渗析装置，实现了高盐有机废水的高效深度处理。

33、2.实现了固体废弃物的“以废治废”，具有显著的经济和环保效益。

34、本发明巧妙利用工业废弃物煤气化渣作为催化剂载体，通过水热共沉淀法改性，将其转化为高性能的离散型导电催化颗粒。这不仅大幅降低了电渗析装置的运行成本和材料成本，还为煤气化渣的资源化利用开辟了新途径。同时，该装置结构紧凑、操作简便，易于模块化放大应用，在工业废水零排放和环境修复领域具有广阔的应用前景。

1.一种离散型导电催化颗粒耦合电渗析装置，其特征在于，包括反应槽、设置于所述反应槽内的膜堆、分别位于所述膜堆两侧的阴极和阳极、与阴阳电极连接的直流稳压电源、以及分散在所述膜堆内部隔室中的离散型导电催化颗粒；

2.根据权利要求1所述的一种离散型导电催化颗粒耦合电渗析装置，其特征在于，所述离散型导电催化颗粒通过以下方法制备得到：

3.根据权利要求2所述的一种离散型导电催化颗粒耦合电渗析装置，其特征在于，所述铁盐为可溶性铁盐，选自氯化铁、硫酸铁、硝酸铁、乙酸铁中的至少一种；所述铝盐为可溶性铝盐，选自氯化铝、硫酸铝、硝酸铝中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的一种离散型导电催化颗粒耦合电渗析装置，其特征在于，所述膜堆从阳极至阴极方向依次按照“阳极室-阴离子交换膜-第一淡化室-阳离子交换膜-浓缩室-阴离子交换膜-第二淡化室-阳离子交换膜-阴极室”的顺序层叠组装。

5.根据权利要求4所述的一种离散型导电催化颗粒耦合电渗析装置，其特征在于，所述阳极室的体积与所述阴极室的体积相等。

6.根据权利要求1所述的一种离散型导电催化颗粒耦合电渗析装置，其特征在于，所述阳极为ru-ir-ti电极，所述阴极为pt电极；所述直流稳压电源的输出电压范围为5~25 v。

7.根据权利要求4所述的一种离散型导电催化颗粒耦合电渗析装置，其特征在于，还包括电解液循环系统，所述电解液循环系统分别与阳极室和阴极室连接，用于向两电极室中注入电解液。

8.权利要求1所述的离散型导电催化颗粒耦合电渗析装置在高盐有机废水处理方面的应用，其特征在于，包括以下步骤：

9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，所述离散型导电催化颗粒在所述第一淡化室、浓缩室和第二淡化室中的投加浓度分别为0.2~0.4 g/l。