一种高效处理有机废水的梯级电催化氧化工艺设计方法

技术特征：
1.一种高效处理有机废水的梯级电催化氧化工艺设计方法，其特征在于，包括以下步骤：s1、以dsa电极作为阳极，ti作为阴极，填充颗粒作为粒子电极，组成多个梯级反应器串联的填充床电极反应器；s2、将有机废水以动态进水方式通入填充床电极反应器，接通电源使阳极、阴极通电，通过各梯级反应器对有机废水进行有机污染物处理；s3、有机废水有机污染物处理期间，对梯级电催化氧化工艺进行修正及调整；s3-1、通过修正电极电流密度的定量函数模型，以及反映多项体系耦合传质机制的实时传质模型，对梯级电催化氧化工艺施加的操作电流密度、传质系数进行修正与调整；s3-2、通过有机物降解效能强化模型调整填充床电极反应器的梯级反应器数量，并对填充床电极反应器的影响参数进行效能预测与优化。2.根据权利要求1所述的一种高效处理有机废水的梯级电催化氧化工艺设计方法，其特征在于，所述dsa电极采用刷涂热氧化法或电沉积法制备，如：pbo2/ti电极。3.根据权利要求1所述的一种高效处理有机废水的梯级电催化氧化工艺设计方法，其特征在于，所述填充颗粒为活性炭、涂膜活性炭中的任意一种或两种任意比的混合物。4.根据权利要求3所述的一种高效处理有机废水的梯级电催化氧化工艺设计方法，其特征在于，所述活性炭、涂膜活性炭的粒径为5mm，涂膜活性炭采用浸泡、低温烘干定型方式制取。5.根据权利要求1所述的一种高效处理有机废水的梯级电催化氧化工艺设计方法，其特征在于，步骤s3-1中用于修正电极电流密度的所述定量函数模型，具体为：利用cv曲线计算伏安电量，建立的q、q
in
和q
out
之间的关系拟合数值，用式(1)、(2)、(3)计算；以式(4)计算粒子电极相对阳极的活化面积拓展系数(λ)；构建等效电路，拟合eis得到有机物氧化电阻(r
ct
)和析氧电阻(r0)，用式(5)计算交换电流密度i0并与极化曲线所得数值进行比对以校核eis等效电路模型，而后据式(6)计算参与有机废水氧化的阳极和粒子电极有效电流占比系数γ、β，再应用填充床电极反应器在反应控制状态下所得的有机废水中有机物降解实时数据并根据式(7)进行γ、β的修正；q＝q
in
q
out
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)q(v)＝q
out
k1v-1/2
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)q(v)-1
＝q-1
k2v
1/2
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)λ＝q
out,p
/q
out,a
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)i0＝rt/(nfr
ct
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)γ或(λ β)＝r0/(r0 r
ct
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)其中，q为体系的总伏安电量；q
in
、q
out
分别为体系的内层、外层伏安电量；q(v)为cv曲线的积分面积；v为扫速；k1、k2为常数；q
out,a
、q
out,p
分别为阳极、粒子电极的外层伏安电量；r为气体常数；t为绝对温度；c0、c(t)分别为填充床电极反应器进水、处理出水有机物浓度；ε为床层空隙率；x0为极板间距；n为电子转移数量；f为法拉第常数；α为电流密度操作系数；k
m
为
传质系数；t为反应时间；c(t)为t时的填充床电极反应器处理出水有机物浓度。6.根据权利要求1所述的一种高效处理有机废水的梯级电催化氧化工艺设计方法，其特征在于，步骤s3-1中用于反映多项体系耦合传质机制的所述实时传质模型，具体为：结合雷诺数re和施密特数sc之间的关系并考虑梯级反应器几何构型、周向返混、液相特征等因素的影响，以阳极几何面积计算，引入操作电流密度i
r
描述反应物实时传质进程：其中，d为扩散系数；c0为反应物起始浓度；d
p
为填料平均粒径；r
h
为梯级反应器水力半径；y0为主反应区高度；χ为梯级反应器形状因子校正系数；ε为床层空隙率；n为电子转移数量；f为法拉第常数；同时，利用在扩散控制状态下所得的有机废水有机物降解实时数据进行传质系数的修正，关联式如下所示：其中，c(t)为t时的废水污染物浓度；c0为原水污染物浓度；λ为床层拓展系数；k
m
为传质系数；ε为床层空隙率；x0为极板间距；t为反应时间；利用式(9)所得的传质系数数值代入式(8)，校正常数项可获得反映多项体系耦合传质机制的实时传质模型。7.根据权利要求1所述的一种高效处理有机废水的梯级电催化氧化工艺设计方法，其特征在于，步骤s3-2中所述有机物降解效能强化模型具体为：填充床电极反应器在反应控制状态时经济因子之间的关系采用式(10)表示：其中，p1、p2、p3表示经济指标因子，在电极和填充床电极反应器主体材料已定时为常数；q为废水流量；b为直流电源经济因子；i为电流；e
sp
为电耗；g
e
为电价；梯级操作流程的效能强化模型f(α
n
)为各梯级单元f
n
(α
n
,x
n
)的总和；x已定时，对于式(10)前两项的基建费用和式(10)最后一项的处理成本有相反的影响，因此f(α
n
)存在极小值；由于∑x
n
＝x(n＝1,2,3,......)，且x
n
与操作电流密度α
n
、f
n
(α
n
,x
n
)密切相关；对第n级梯级反应器进水或出水口处命名为节点，其数量为n 1，f(α
n
)对第n级梯级反应器进水或出水口处的有机物无量纲浓度c
j
(c
j
＝c
j
/c0)求导并代入有关的关联式可得以下方程：其中，c
fn
为第n级梯级反应器进水有机物无量纲浓度；γ为阳极对有机物的氧化选择系数；为节点虚去除率，表示处理流程的年费用折算值随节点归一化浓度增加而增加的比率；为第n级梯级反应器的年费用折算值随节点归一化浓度增加而增加的比率。
式(11)所示的关系为标准的遗传算法目标函数表达式，可采用以下步骤求解各梯级反应器的有机污染物去除率在假定n值的前提下，拟定各节点有机物无量纲浓度初值其中c1＝1、c
n 1
＝1-x，其与节点无量纲浓度均在1和(1-x)之间取值；在该初值点处采用taylor公式将展开并舍却高阶项可得到遗传算子：其中，θ＝γ2(p1x
0n
p2)/[(γ β)k
m,n
]；x
0n
为第n级梯级反应器的极板间距；k
m,n
为第n级梯级反应器的传质系数；δc
j
为各节点的归一化浓度初值微量；为节点虚去除率，表示处理流程的初始年费用折算值随节点归一化浓度增加而增加的比率；为第n级梯级反应器的初始年费用折算值随节点归一化浓度增加而增加的比率；c
fn(0)
为第n级梯级反应器进水有机物初始无量纲浓度；对于各节点c
j(0)
反复施加应用式(12)计算的微量δc
j
，则梯级操作流程的f(α
n
)数值将不断减小，各节点满足式(11)的条件时取得极小值，使得f(α
n
)为最小值时的n值即为最佳梯级数量，进而可据x
n
确定各梯级反应器几何尺寸与运行条件。8.根据权利要求7所述的一种高效处理有机废水的梯级电催化氧化工艺设计方法，其特征在于，采用不同的电极材料，在极板间距数值允许范围之内分别计算f(α
n
)的数值，f(α
n
)的数值越小则所选用的电极材料和极板间距更优。9.根据权利要求1所述的一种高效处理有机废水的梯级电催化氧化工艺设计方法，其特征在于，所述dsa电极为pbo2/ti电极。10.根据权利要求1所述的一种高效处理有机废水的梯级电催化氧化工艺设计方法，其特征在于，所述步骤s3-2中影响参数包括：阳极材质、填料类型、极板间距、床层厚度与高度以及粒径与床层高度的比例、进水流速以及填料粒径。

技术总结
本发明公开了一种高效处理有机废水的梯级电催化氧化工艺设计方法，包括：S1、以DSA电极作为阳极，Ti作为阴极，填充颗粒作为粒子电极，组成多个梯级反应器串联的填充床电极反应器；S2、将有机废水以动态进水方式通入填充床电极反应器，接通电源使阳极、阴极通电，通过各梯级反应器对有机废水进行有机污染物处理；S3、有机废水有机污染物处理期间，对梯级电催化氧化工艺进行修正及调整。本发明通过有机物降解效能强化模型能够为梯级反应器的精确设计和优化操作提供科学而实用的计算工具，也能为电化学水处理工艺的工程应用奠定重要的理论和技术基础。论和技术基础。论和技术基础。


技术研发人员：王立章 侯静
受保护的技术使用者：中国矿业大学
技术研发日：2022.05.16
技术公布日：2022/8/16