[发明专利]一种太阳能驱动废水处理耦合产氢的装置及方法

说明书

本发明公开了一种太阳能驱动废水处理耦合产氢的装置及方法。该装置包括立体催化电极反应器和光电、管道、贮水以及氢气收集系统，所述立体催化电极反应器包括单价阳离子交换膜和阴阳极室。所述阴阳极室内分别设有阴阳极板。所述阴阳极室各自填充负载型活性炭颗粒，形成立体催化电极阴阳极群。光电系统包括太阳能光伏板、稳压电源和单刀双掷开关。管道系统包括废水进出水管、废水导入管和泵、废水回流管、废水出水阀；稀碱液导入管和泵、浓碱液回流管、浓碱液出水管和阀。所述贮水系统包括废水和碱液贮槽。所述氢气收集系统包括氢气罐和导气管。本方法利用太阳能驱动处理废水，出水COD去除率为70%‑80%，同时产氢气量为1‑2L/h。

技术领域

本发明属于环境保护水处理领域/电化学/新能源领域，具体涉及一种能够同步处理难降解废水和产氢的太阳能驱动电化学系统。

背景技术

近年来，随着石油化工、塑料、合成纤维、焦化、印染等行业的迅速发展，随之产生大量的难降解废水包括印染废水、腈纶废水、焦化废水等，该类水具有有机污染物含量高、色度高、酸碱性大、成份复杂、水质变化大、可生化性差(B/C小于0.3)等特点。因此，往往需要高级氧化技术，如臭氧、芬顿和电解技术等进行难降解废水的预处理，然而臭氧虽有极强的氧化作用，但臭氧分子进行选择性氧化，其氧化能力及效果均不及羟基自由基，为此促使臭氧分解产生更多的羟基自由基的氧化方法如臭氧/紫外、臭氧/H₂O₂工艺得以研究开发，但是臭氧的制备能耗较高、传质效率较低，逸出的臭氧尾气不仅污染周边大气环境，而且会对操作工人带来严重的急性或慢性健康伤害。芬顿技术中H₂O₂在Fe³⁺作为催化剂的作用下，产生大量的羟基自由基，对难降解废水降解效果较好，但是该技术需要使用大量的H₂O₂，废水的处理成本较高。传统的二维电解技术中，极板间的阻抗大，所以需要极板间的电压或者电流密度足够大，才能达到较好的处理效果，故能耗过大。

因此寻找一种既不污染环境、又不会对操作工人带来健康损害，同时能耗低且具有经济效益的废水处理方法迫在眉睫。太阳能是取之不尽，用之不竭的能源，氢气也是可再生能源，并且其单位质量热值最高，属于清洁绿色能源。本发明装置利用太阳能驱动，将太阳能转化为直流电给电解槽供电，并在两极板间填充负载催化剂的活性炭颗粒电极，形成立体催化电极，大大减小了两极板间的阻抗作用，提高了难降解废水的降解效率和氢气的产量。阴阳极室由单价阳离子交换膜分隔，阳极室进行废水的降解，降低废水的COD；阴极室耦合产氢并浓缩碱液。

发明内容

本发明提供了一种集难降解废水处理、产氢气于一体的装置，为太阳能驱动，可最大限度的利用和产生清洁能源，同时处理废水。该装置具有绿色、环保、节能的特点。

本发明的技术方案是：一种太阳能驱动废水处理耦合产氢的装置，所述装置包括立体催化电极反应器、光电系统、管道系统、贮水系统以及氢气收集系统，所述立体催化电极反应器包括单价阳离子交换膜、阳极室和阴极室；所述阳极室和阴极室内分别设置有阳极电极板和阴极电极板；所述阳极室和阴极室各自填充负载型活性炭颗粒电极，形成立体催化电极阳极群和阴极群；所述光电系统包括太阳能光伏板7、稳压应急电源8和单刀双掷开关；所述管道系统包括废水进水管、废水导入管、废水导入泵、废水回流管、废水出水阀、废水出水管；稀碱液导入管、稀碱液导入泵、浓碱液回流管、浓碱液出水阀、浓碱液出水管；所述贮水系统包括废水贮槽、碱液贮槽；所述氢气收集系统包括导气管和氢气罐。

优选于，活性炭颗粒电极表面可以负载伽马MnO₂。

优选于，活性炭颗粒可以为块状颗粒，粒径为2-4mm；活性炭颗粒可以为柱状颗粒，粒径为2mm、4mm和6mm；制备活性碳颗粒的原料为椰壳和果壳中的一种或者两者的组合物。