(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201811626938.9
(22)申请日 2018.12.28
(71)申请人 南京华创环境技术研究院有限公司
地址 210012 江苏省南京市江宁开发区迎
翠路7号
(72)发明人 张鹏 唐美 李杰 梁英 刘福强
李爱民
(74)专利代理机构 北京三聚阳光知识产权代理
有限公司 11250
代理人 李静
(51)Int.Cl.
C02F 1/461(2006.01)
C02F 1/467(2006.01)
(54)发明名称
(57)摘要
本发明公开了三维电催化反应装置。包括壳
液提升区和三维电催化反应区，还包括，若干空
于气液提升区，以向三维电催化反应区内布水和
布气，并使催化剂在三维电催化反应区内呈流态
化。本发明通过将阴阳空心柱交错布置在三维电
催化反应区内，增大了三维电催化反应区内的废
水与空心柱的接触面积，提高了设备的反应效
率；另外，通过在三维电催化反应区的下端设置
布气装置，使反应区内的催化剂在气体的作用下
率，
节约了处理成本。权利要求书1页 说明书6页 附图1页CN 109607697 A 2019.04.12
C N 109607697
A
1.一种三维电催化反应装置，包括壳体，其特征在于，沿所述壳体的底端至顶端的方向上，在所述壳体内依次设置气液提升区和三维电催化反应区，还包括，
阴阳极套件，设置于所述三维电催化反应区内，且包括若干空心阴极柱和空心阳极柱，彼此套设，并沿所述阴阳极套件的横截面的径向方向上间隔分布空心阴极柱和空心阳极柱，两者的间隙中放置催化剂；
布水装置和布气装置，均设置于所述气液提升区，以向所述三维电催化反应区内布水和布气，并使所述催化剂在所述三维电催化反应区内呈流态化。
2.根据权利要求1所述的三维电催化反应装置，其特征在于，相对于所述布水装置，所述布气装置靠近所述三维电催化反应区设置。
3.根据权利要求1或2所述的三维电催化反应装置，其特征在于，还包括催化剂承托板，设置于气液提升区和三维电催化反应区之间，所述催化剂承托板上开设若干适于气体和水流通过的孔。
4.根据权利要求3所述的三维电催化反应装置，其特征在于，所述布气装置与催化剂承托板的间距为50-100mm；
所述布气装置与布水装置的间距为100-300mm。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的三维电催化反应装置，其特征在于，相邻空心阴极柱和空心阳极柱间的间距为10-20mm。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的三维电催化反应装置，其特征在于，所述布气装置上间隔设置若干微孔曝气头，所述微孔曝气头的直径为200-230mm；
所述布气装置上间隔设置若干布水头，所述布水头的直径为10-20mm。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的三维电催化反应装置，其特征在于，还包括三相分离区，设置于所
述三维电催化反应区与所述壳体的顶端之间的所述壳体内，所述三相分离区内设置有三相分离器，用于将气体和净化后的水引至所述壳体外，并将所述催化剂截留并返回至所述三维电催化反应区内。
8.根据权利要求7所述的三维电催化反应装置，其特征在于，所述三相分离器包括呈锥形的分离壳体，所述分离壳体的大口端与所述三维电催化反应区连通，所述分离壳体的顶端设置出气口，侧壁设置出水口。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的三维电催化反应装置，其特征在于，所述空心阳极柱为石墨阳极柱、金属阳极柱或硼掺杂的金刚石阳极柱；
所述空心阴极柱为合金阴极柱。
10.根据权利要求9所述的三维电催化反应装置，其特征在于，所述催化剂为金属基纳米球，所述金属基纳米球的直径为1-2cm。
权 利 要 求 书1/1页CN 109607697 A
一种三维电催化反应装置
技术领域
[0001]本发明涉及电化学和水污染控制技术领域，具体涉及一种三维电催化反应装置。
背景技术
[0002]随着人们生活水平的提高，用水需求变大，随之而来的是大量废水需要处理。但是现阶段随着废水成分的复杂程度越来越高，在治理废水中仅靠传统的技术和方法，已不能达到降解废水的要求。近年来，由于电化学法在降解有机废水时具有降解效果好，无需添加催化剂，设备操作简单，环境友好等特点，在生活和工业有机废水的处理中体现了很大的发展潜力。
[0003]电催化氧化技术作为高级氧化形式的一种，具有催化效率稳定、催化电极使用寿命长、操作简单及运行费用低等优点。目前，用于电催化氧化技术的电极主要有传统的二维电极和三维电极，由于三维电极具有更高的催化氧化效率和更低的能耗，受到人们的普遍热认可。
[0004]但是传统的三维电催化反应装置是直接将催化剂添加至反应区内，然后进行电催化以降解废水中的污染物，这样操作会导致污染物与废水接触不充分，降低了传统的三维电催化反应装置的反应效率；加之废水是直接通入反应区内的，这样的废水流态同样不利于提高三维电催化反应装置的反应效率。
发明内容
[0005]因此，本发明要解决的技术问题在于现有三维电催化反应装置的反应效率有待提高的缺陷，从而提供一种三维电催化反应装置，包括壳体，沿所述壳体的底端至顶端的方向上，在所述壳体内依次设置气液提升区和三维电催化反应区，还包括，
[0006]阴阳极套件，设置于所述三维电催化反应区内，且包括若干空心阴极柱和空心阳极柱，彼此套设，并沿所述阴阳极套件的横截面的径向方向上间隔分布空心阴极柱和空心阳极柱，两者的间隙中放置催化剂；
[0007]布水装置和布气装置，均设置于所述气液提升区，以向所述三维电催化反应区内布水和布气，并使所述催化剂在所述三维电催化反应区内呈流态化。
[0008]进一步的，相对于所述布水装置，所述布气装置靠近所述三维电催化反应区设置。[0009]进一步的，还包括催化剂承托板，设置于气液提升区和三维电催化反应区之间，所述催化剂承托板上开设若干适于气体和水流通过的孔。
[0010]进一步的，所述布气装置与催化剂承托板的间距为50-100mm；
[0011]所述布气装置与布水装置的间距为100-300mm。
[0012]进一步的，相邻空心阴极柱和空心阳极柱间的间距为10-20mm。
[0013]进一步的，所述布气装置上间隔设置若干微孔曝气头，所述微孔曝气头的直径为200-230mm；
[0014]所述布气装置上间隔设置若干布水头，所述布水头的直径为10-20mm。
[0015]进一步的，还包括三相分离区，设置于所述三维电催化反应区与所述壳体的顶端之间的所述壳体内，所述三相分离区内设置有三相分离器，用于将气体和净化后的水引至所述壳体外，并将所述催化剂截留并返回至所述三维电催化反应区内。
[0016]进一步的，所述三相分离器包括呈锥形的分离壳体，所述分离壳体的大口端与所述三维电催化反应区连通，所述分离壳体的顶端设置出气口，侧壁设置出水口。
[0017]进一步的，所述空心阳极柱为石墨阳极柱、金属阳极柱或硼掺杂的金刚石阳极柱；[0018]所述空心阴极柱为合金阴极柱。
[0019]进一步的，所述催化剂为金属基纳米球，所述金属基纳米球的直径为1-2cm。[0020]本发明技术方案，具有如下优点：
[0021] 1.本发明提供的装置，通过在三维电催化反应区内设置阴阳极套件，且阴阳极套件包括若干空心阴极柱和空心阳极柱，彼此套设，并沿阴阳极套件的横截面的径向方向上间隔分布空心阴极柱和空心阳极柱，两者的间隙中放置催化剂；从而增大了三维电催化反应区内的废水与阴阳极套件的接触面
积，提高了电流效率，同时也起到导流板的作用，形成循环水流，提高了反应效率，降低了阴阳极套件结垢的概率；另外，通过在三维电催化反应区的下端设置布气装置，使催化剂呈悬浮状态分布在整个三维电催化的反应区内，增大与废水的接触面积，进一步提高了装置的处理效率，节约处理成本。
[0022] 2.本发明提供的装置，在布水装置上设有布水头的目的是均质水流，在布气装置上设置微孔曝气头的目的除了可以均质水流外，微孔曝气头的气体对催化剂的扰动会对阴阳极套件起到冲刷得作用，避免了阴阳极套件的结垢现象，减少了设备的运行维护成本；此外，阴阳极套件经过一定时间的反应会产热，在微孔曝气头的曝气的作用下，对废水中的氨氮气体起到吹脱作用。
[0023] 3.本发明提供的装置，通过将布气装置设置在布水装置的上端，缩短了布气装置与催化剂承托板的间距，增加了进入三维电催化反应区内的气体量，从而增大了催化剂与废水的接触面积，进而增加处理废水的反应效率。
[0024] 4.本发明提供的装置，通过设置三相分离器，使催化剂被截留在三维电催化反应区，减少了催化剂的流失，使催化剂反复循环使用，大大提高了废水的处理效率，节约了处理成本。此外，通过设置出水口和出气口，确保气液固能够很好的分离，保证了出水的稳定性。
[0025] 5.本发明提供的装置，选用金属基纳米材料作为催化剂，因为金属基纳米材料是一种孔隙发达的吸附剂，具有良好的吸附性能和化学稳定性，耐酸碱性，主要发挥吸附和电解作用，对废水的降解
效果很好。
[0026] 6.本发明提供的装置，适用于高浓度难降解有机废水的预处理和深度处理。
附图说明
[0027]为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0028]图1是本发明实施例中三维电催化反应装置的结构示意图；
[0029]图2为图1中阴阳极套件的俯视图。
[0030]附图标记：1-气液提升区；2-布气装置；3-布水装置；4-微孔曝气头；5-布水头；6-三维电催化反应区；7-催化剂承托板；8-催化剂；9-空心阴极柱；10-空心阳极柱；11-三相分离区；12-三相分离器；13-电缆线；14-防腐保护套；15-出气口；16-出水口。
具体实施方式
[0031]下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。[0032]在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0033]在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0034]此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
[0035]如图1所示，本发明公开了一种三维电催化反应装置，包括壳体，沿壳体的底端至顶端的方向上，在壳体内依次设置气液提升区1、三维电催化反应区6和三相分离区11，该三维电催化反应区6设在气液提升区1的上端，该三相分离区11设在三维电催化反应区6的上端。
[0036]该气液提升区1内设有布水装置3和布气装置2，以向三维电催化反应区6内布水和布气，并使催化剂在三维电催化反应区6内呈流态化。该布气装置2与布水装置3的位置在关系不做具体限定，本实施例中将布气装置2设置在布水装置3的上端，是为了让布气装置2内的气体更多地进入到三维电催化反应区6内。其中，布气装置2上设有微孔曝气头4，微孔曝气头4的直径为215mm；布水装置3上设有布水头5，布水头5的直径为15mm，布气装置2与布水装置3的间距为100-300mm。
[0037]该装置还包括，阴阳极套件，如图2所示，设置于三维电催化反应区6内，且包括若干空心阴极柱9和空心阳极柱10，彼此套设，并沿阴阳极套件的横截面的径向方向上间隔分布空心阴极柱9和空心阳极柱10，空心阳极柱10为石墨、金属、硼掺杂的金刚石中的一种，空心阴极柱9为合金材质。阴极柱9与阳极柱10的间距为10-20mm，两者的间隙中放置催化剂8；催化剂8为金属基纳米球，金属基纳米球的直径为1-2cm。例如，Pd基纳米球或Ni基纳米球。空心阴极柱9和空心阳极柱10的数目可根据需要进行设定。在空心阴极柱9和空心阳极柱10的下端设有催化剂承托板7，催化剂承托板7上开设若干适于气体和水流通过的孔，催化剂承托板8的下部与气液提升区1连接；催化剂承托板7与布气装置2的间距为50-100mm；
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