采用电芬顿反应器脱除VOC的方法

本发明涉及voc处理，具体涉及采用电芬顿反应器脱除voc的方法。

背景技术：

1、室内空气污染主要包括挥发性有机化合物（voc）、颗粒物（pm）和无机氧化物（如nox、sox），其中voc污染是空气污染的重要组成部分，voc污染现象日益增多，影响了人们的身心健康。voc的排放同样会对环境造成重大的冲击，如影响气候变暖、影响空气质量等。此外，由于大多数voc是剧毒和致癌物，它们也可能对人体健康有害。在封闭的环境中，挥发性有机分子会刺激鼻子、喉咙、耳朵和身体的其他部位。它们还会导致头晕、记忆力和视力问题，甚至死亡。因此，如何有效处理voc废气是一项待解决的问题。

2、高级氧化过程是很有前景的研究领域。据报道，它们可将水和土壤中可溶性有机污染物氧化成无毒或低毒性的小分子物质，通常是含氧有机产物和低分子酸。一般包括芬顿法（fenton法）、光催化氧化法、电催化氧化法等。

3、芬顿反应是一种先进的氧化过程，通过用铁（ii）与过氧化氢（h2o2）反应生成·oh，将污染物氧化为co2、h2o和无机盐。与其他氧化技术相比，该技术由于简单实用，在处理染料、药物和抗生素方面得到广泛应用。然而，传统的芬顿技术仍存在一些瓶颈，包括过氧化氢利用率低，形成大量铁污泥，酸碱消耗大，需额外补充铁（ii）。电芬顿（ef）工艺是芬顿反应与电化学工艺相结合的新的氧化工艺，它是一种环保、易于操作的污染物处理技术。·oh是由过氧化氢和催化剂对阴极的协同作用产生的，具有仅次于·f的氧化能力，可以将有机物无差别地氧化成co2和水。因此电芬顿被认为是一种高效脱除voc的方法。传统电芬顿的反应器通常用于处理水溶液，所需的停留时间短，约0.5~2小时。但是当溶液流量大的时候，电芬顿反应器的体积就极为庞大，甚至失去经济性。

4、电化学反应本质上是一种在固液（电极－电解液）界面上发生的异相电子转移反应，反应物必须迁移到界面上才能发生反应。而扩大电极表面积正是针对低反应物浓度、低电导率的电解液条件下，增加电解反应速度，提高电解效率的一种极为有效的方法。传统的电解反应器采用的是二维平板电极，这种反应器电极面体比较小，传质问题不能很好地解决。因此，采用电芬顿脱除voc通常不能直接进行，而不得不采用两步法：第一步将水溶性voc溶解于电解液中；第二步采用处理废水的方式降解含有voc的电解液。每一步都采用已有的传统技术。但是鲜有采用电芬顿法直接处理含voc气体的报道。

5、若采用电芬顿法直接处理voc气体，就必须强化voc组分向电极表面的扩散，即强化voc向电极表面的传质过程，具体包括voc向电解液表面的扩散和voc在电解液内部的扩散。具体的工程方案可采用具有高比表面积的电极并采用消减液膜厚度的方法来降低传质阻力。在这个工程思路下可以采用具有微孔结构的三维电极实现。

6、三维电极在电化学反应中已经有广泛应用。该类最常见类型的就是整个填充床由导电颗粒构成，它既是填充床也是电极。比如，华东理工大学许文林和袁渭康报道的由金属铜颗粒构成的电化学填充床(化学反应工程与工艺，1996，12(1)，17-24)，许文林和王雅琼还介绍了几种常见的填充床的电极、离子膜和流动方向之间的布局方式(化工冶金，1995，16(3)，263-270)。美国nalco公司采用电解合成四乙基铅时采用的铅球填充的塔式固定床电化学反应器也属于这一早期的三维电极类型(绿色电化学合成，马淳安)。不同的是，这些铅球既是电极也是反应物。在污水处理行业这一流动反应体系，对流体中有毒有害物质的转化率和残留度要求较高，电化学填充床反应器用得很多。但是这一类三维电极的比电极面积太小，无法满足电芬顿脱除voc对高比表面积的要求。

技术实现思路

1、针对电化学降解voc反应的传质问题、电化学反应速率以及现有三维电极的比电极面积不足以支持电芬顿脱除voc等技术问题，本发明提供采用电芬顿反应器脱除voc的方法，脱除反应在电芬顿反应器内进行，反应器是三维电极结构，其中阴极为一个多孔的整体式三维电极，阳极作为支撑结构固定阴极并形成回路，二者之间夹有可导电的气体分隔层。三维电极是一块面积较大厚度较小的泡沫铜。当含有voc的气体进入多孔三维电极时，voc组分被电解液吸收，并在三维电极的表面上经电芬顿反应被氧化成co2和水。

2、本发明采用的技术方案具体如下：

3、采用电芬顿反应器脱除voc的方法，脱除反应在电芬顿反应器内进行，所述电芬顿反应器包括1个以上的电芬顿系统，每个电芬顿系统由阴极、阳极和分隔层构成，所述阴极为三维电极；含有voc组分的空气从上往下进入阳极侧，在阳极表面发生氧化反应，从阳极流出的空气进入阴极侧之间，从下往上流动，voc污染物在阴极表面及附近直接被·oh降解为二氧化碳。

4、进一步地，阳极由带有开孔结构的不锈钢板或不锈钢丝网构成，阳极同时也是三维电极的支撑结构。含有voc组分的空气从上往下进入阳极侧，在阳极表面发生氧化反应，部分容易氧化的voc组分被脱除，部分不锈钢的铁元素被氧化成三价铁，成为电芬顿的催化剂。

5、进一步地，阴极由多孔材料构成的三维电极，多孔材料优选开孔金属泡沫或多层不锈钢丝网，如开孔泡沫铜（铜基体中均匀分布着大量连通或不连通孔洞，20-40 ppi）或多层不锈钢丝网（18-40 目）。从阳极流出的空气进入阴极侧之间，从下往上流动，voc污染物在三维电极表面直接被·oh降解为二氧化碳。

6、进一步地，分隔层在阴极与阳极之间，可以是离子交换膜、高目数的塑料丝网、金属氧化物（氧化铝、石英棉）纤维棉形成的隔离层；隔离层能容纳轻微形变，具有弹性，可以和两侧的电极紧密接触。

7、进一步地，每个电极都与电源有1个以上的连接点，使整个结构化电极的电势能均匀分布，因此三维电极处于等电势状态，即电极上任意两点间电势差不大于1 mv，5 mv，10mv或者根据反应设定的不影响反应选择性的最大电势差。

8、进一步地，电芬顿反应器顶部安装电解液雾化喷淋装置，能够保持电极均匀地被电解液浸润。

9、进一步地，电解液流速控制在每个平方厘米电极水平截面上的流量为2-3.7 ml/min，确保电解液能将整个阴极润湿且不会溢出。

10、进一步地，含voc气体流量为每分钟3-30倍阴极体积。气体进入阴极侧的平均线速度不高于20 cm/s，高于该线速度，电极表面容易出现溢流。

11、进一步地，电芬顿的操作电压范围是2.5~5 v。

12、进一步地，电解液为0.05-0.2 mol/l的 k2so4，提高溶液中的导电率；电解液含0.004-0.006 mol/l的硫酸，ph值为2-3，便于加快co2脱离电解液。

13、本发明主要具有如下几个特征：

14、（1）电芬顿反应器是板式结构，将电化学反应和非均相催化反应相结合而形成的一种反应器。构架上，电芬顿反应器更接近于填充床或者通道式反应器而不是电化学上的电解槽/池。

15、（2）反应器其中阴极为三维电极构成整个voc处理装置，有流体穿过整个三维电极构成的床层；阳极起到形成回路和支撑的作用，在阴极和阳极的上方，有流体(电解液)和该电极接触并流动。

16、（3）三维阴极由一块大面积、带有开孔结构的金属泡沫或者金属丝网构成。当三维电极的厚度不够时，可以采用多片相同规格的金属泡沫或者多层金属丝网叠在一起。三维电极上有多个电极柱连接，用于向三维电极供电以及使电势分布均匀。

17、（4）整个电芬顿反应器等电势或者接近等电势。这一点非常重要，等电势能够非常有效地抑制副反应的发生。借助泡沫铜材料优异的导电性能，采用大面积的泡沫铜，实现床层等电势。比如金属铜泡沫(5vol％)，根据实际测量和计算，可在电流密度为100 ma/cm2做到在直径230 cm内不出现1 mv以上的电势差(该直径称为等电势尺寸)，从而实现大反应器内近乎等电势并避免副反应的发生。电芬顿反应的选择性对电势差的要求不是很严格，仅仅需要维持整个阴极电势足够低，例如在-2.5至-5 v范围，使得oh-可以转化为·oh。根据以上分析，阴极在直径230 cm的范围内甚至更大范围内有一个接线柱连接电源负极就可以满足要求。

18、本发明适用空气中voc气体的脱除，通过高的比电极面积大幅地提高电流密度限制下的电流强度，借助结构化电极上电芬顿反应能够实现催化反应性能的明显提升。

19、本发明的有益效果在于：

20、本发明通过电芬顿反应器直接脱除空气中的水溶性voc气体。该反应器内使用大面积的泡沫铜，能够显著增加电解液与电极的接触面积，从而明显提高voc气体的去除效率。外加电场在阴、阳两极发生氧化还原反应促进系统对污染物的去除效果，反应器中的污染物去除效率可以随着电压大小的改变而改变。

21、本发明的电化学反应器能够更贴近生活，可以将单电极式的电芬顿反应器（图1）放大直接悬挂于室内，有效解决voc电化学治理中传质慢和电催化降解效率低问题。本发明能源效率高，无二次污染，可操作性强，污染物净化效率高，常温常压便可进行。