本设计介绍了一种新型水处理电化学Janus膜反应器,该反应器由主体和上盖组成,通过螺纹连接实现密封。利用钛环和钛棒为Janus膜供电,液体在重力和蠕动泵压力下通过膜。反应器中,Janus膜上方为污水,下方为氧气,膜上负载催化剂,形成气-液-固三相界面。该设计有效解决了传统电化学氧化系统中传质限制和溶解氧不足的问题,提高了污染物去除效率,具有结构简单、操作便捷、成本低、性能优越的特点,具有较好的工业化应用潜力。
背景技术
有机微污染物,包括农药、药品、个人护理产品及内分泌干扰物等,通常以非常低的浓度存在于废水中,这会对自然环境及人类健康造成严重的危害。芬顿是高级氧化过程的重要组成部分,利用芬顿试剂(通常是Fe2+和H2O2)产生的活性氧来降解有机物,其凭借对有机污染物的选择性高、反应速率快以及矿化程度高等优点受到广泛关注,但本身也存在PH操作范围受限、大量铁污泥的产生、严苛化学试剂需求等缺点,使大规模应用受到限制。
由芬顿化学发展而来的电芬顿技术可以有效解决上述问题,但在实际应用中也存在一些必须要克服的缺点。电芬顿技术发生在气-液-固三项界面,而传统的电芬顿技术一般在烧杯状反应器中使用传统的板电极进行,这导致电极表面传质限制和电极电活性面积利用不足,其对有机物的氧化作用仅发生在电极表面1μm处,限制了进一步的规模化应用。
膜电极作为一种多孔流动电极,可以将膜过滤与电化学高级氧化技术耦合,是上述问题有前景的解决方案。反应性电化学膜系统通过强制溶液对流穿过膜本身的微孔结构,解决了传统顺流式电化学氧化系统传质受限的问题,显著提高了污染物的去除效果。经文献报道膜电极表面的传质速率常数比传统的平板电极高3至10倍,电活性面积可增加2至619倍(Membrane electrodes for electrochemical advanced oxidation processes:Preparation,self-cleaning mechanisms and prospects,Chemical EngineeringJournal 451(2023)138907)。因此反应性电化学膜系统被认为是净化微污染水体的理想高级氧化技术。CN111170567B公开了一体式电化学耦合膜曝气生物膜反应器及其应用,其中一体式电化学耦合膜曝气生物膜反应器依赖将氧气以直接爆气的形式打入水中,使水体维持氧饱和的形式,但水中本身可溶解的氧气较少,极大限制了反应速度。
Janus膜是近年来膜研究领域一个新兴的概念,是指膜两侧具有形貌结构或化学组成不对称性的膜材料,即膜两侧呈形貌结构或化学组成的各向异性。这种非对称各向异性赋予Janus膜优于传统均相膜的某些优异的物理、化学、生物等性能。基于其展现出的优异性能,科研工作者研究发现Janus膜在液体操纵、高效油水分离、界面传质等方面具有极大的应用潜力。近5年来,随着探索和研究的不断深入,使得Janus膜材料从制备方法、性质探究到应用拓展取到了较为迅速的发展。
实现思路