尿液脱氮和有机物净化燃料电池制造技术

一种尿液脱氮和有机物净化燃料电池，包括：装有尿液、作为电解质的硫酸钠和氯化钠的混合液的石英反应池以及设置于其内的作为光阳极的三氧化钨导电玻璃基纳米薄膜与作为后置电极的多晶硅太阳电池、作为阴极的纳米粒子钯和金修饰的泡沫镍以及模拟光源，其中：光阳极与后置电极串联组成复合阳极，通过模拟光源的照射加速三氧化钨表面光生电荷的分离与迁移速度，提升电池的光电流的同时产生光生空穴的强氧化能力，实现尿液中总氮的耗竭式消除和有机物的净化。

【技术实现步骤摘要】
尿液脱氮和有机物净化燃料电池
本专利技术涉及的是一种燃料电池领域的技术，具体是一种用于尿液脱氮、有机物净化和发电的新型燃料电池。
技术介绍
尿液属于生物质资源，含有大量的尿素、有机质等，蕴含着丰富的化学能。随着城市的发展，尿液农用已很罕有。此外，由于大量的药品、化学品应用以及各类环境污染物的出现，致使尿液中出现了多种微量污染物和致病微生物，给土壤和地下水带来被污染的风险。运用燃料电池处理尿液并发电具有广阔的前景。现有技术利用燃料电池处理尿液的条件苛刻，从而限制了使用。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术存在的上述不足，提出一种尿液脱氮和有机物净化燃料电池，能够在相对简单的系统中实现尿液资源化利用。本专利技术是通过以下技术方案实现的：本专利技术包括：装有尿液、作为电解质的硫酸钠和氯化钠的混合液的石英反应池以及设置于其内的作为光阳极的三氧化钨导电玻璃基纳米薄膜与作为后置电极的多晶硅太阳能电池、作为阴极的由纳米粒子钯和金修饰的泡沫镍(NF)以及模拟光源，其中：光阳极与后置电极串联组成复合阳极，通过模拟光源的照射加速三氧化钨表面光生电荷的分离与迁移速度，提升电池的光电流的同时产生光生空穴的强氧化能力，实现尿液中总氮的耗竭式消除。所述的尿液的酸碱度为6～8。所述的光阳极与后置的多晶硅太阳电池(poly-SiPVC)电极串连。所述的模拟光源的光照强度优选为AM1.5，辐照强度为100mW/cm2。所述的电解质为：0.05M的硫酸钠(Na2SO4)和0.025～0.075M的氯化钠(NaCl)。所述光阳极表面的自由基诱发反应包括：1)WO3+hv→h++e-；2)H2O+h+→HO·+H+；3)Cl-+h+→Cl·；4)CO(NH2)2+8Cl·+2H2O→CO2+N2↑+8Cl-+8H+；5)NH2CONH2+2Cl·+H2O→2NH2·+CO2+2Cl-+2H+；6)NH2·+OH·→NH2OH；7)NH2OH+OH·→NO2-→NO3-；8)有机物+OH·→CO2+H2O。其中：反应4)为尿素脱氮主反应，反应7)为氮消除的副反应，由于Cl-→Cl·→Cl-，因此反应中氯离子充足，反应8)为尿液中有机物的矿化反应。所述的阴极表面氮的消除反应包括：1)NO3-+Au→Au-NO3-ads；2)Au-NO3-ads+H2O+e-→NO2-+Au+OH；3)Au-NO2-ads+4H2O+6e-→NH3+7OH；4)NO2-+Pd→Pd-NO2-ads；5)2Pd-NO2-ads+4H2O+6e-→N2+2Pd+8OH-。本专利技术涉及一种基于上述系统的发电方法，包括以下步骤：①在光阳极上诱发氯自由基(Cl·)和羟基自由基(HO·)，利用诱发的Cl·氧化尿液中的尿素和氨(胺)氮物质生成氮气，其中部分含氮物质被过度氧化为亚硝酸根(NO2-)或硝酸根(NO3-)，利用诱发的HO·矿化尿液中的有机物并生成二氧化碳；②在阴极上，将被过度氧化的NO2-或NO3-选择性还原为氮气或极微量的氨根(NH4+)；③将阴极上生成的微量NH4+进一步通过①转化为氮气，再通过②循环反应，实现尿液含氮物质耗竭式脱氮。技术效果与现有技术相比，本专利技术的阳极在模拟光源的照射下能够加速三氧化钨表面光生电子的分离与迁移速度，提高电极表面反应效率，提升电池的光电流；阴极为双金属修饰的泡沫镍电极，选择性还原硝态氮为氮气，多孔的泡沫镍增强钯和金的沉积比表面积，从而增强氮气的转化率；不需要使用离子交换膜，系统更为简化，不需要控制强碱性条件和较高的运行温度，从而降低外界的干扰；利用光阳极表面产生光生空穴的强氧化能力，实现尿液中总氮的耗竭式消除和有机物的净化。附图说明图1为本专利技术的系统和原理图；图2为本专利技术在有无尿液情况下的脱氮、有机物净化以及发电量的对比以及尿液废水发电时的自身净化情况；图3为本专利技术不同pH条件对尿液燃料电池体系产电效率的影响；图4为本专利技术不同氯氮比对尿液燃料电池体系产电效率的影响；图5为本专利技术的阴极Pd/Au/NF与电极Pd/Cu/NF在相同条件下对硝酸根的还原情况比较。具体实施方式实施例1如图1所示，为本实施例涉及的尿液脱氮和有机物净化系统，包括：光阳极、后置电极、阴极、尿液中性废水、模拟光源、电解质和石英反应池，其中：光阳极和后置电极组成复合阳极，尿液中性废水为基底与电解质一并盛放于石英反应池中，复合阳极和阴极分别插入尿液中性废水中，模拟光源照射于复合阳极。所述的光阳极为WO3导电玻璃基纳米薄膜；所述的后置电极为poly-SiPVC。所述的光阳极WO3吸收低于470nm的太阳光，所述的后置电极poly-SiPVC吸收透过光阳极WO3之后的大于470nm的太阳光。所述的阴极为由纳米粒子Pd和Au修饰的泡沫镍(NF)。所述的模拟光源为AM1.5(100mW/cm2)。所述的尿液中性废水中含0.05M的NaCl且酸碱度为7。本实施例通过①在光阳极上诱发Cl·和HO·，利用诱发的Cl·氧化尿液中的尿素和氨(胺)氮物质生成氮气，其中部分含氮物质被过渡氧化为NO2-或NO3-，利用诱发的HO·矿化尿液中的有机物并生成二氧化碳；②在阴极上，将被过度氧化的NO2-或NO3-选择性还原为氮气或极微量的NH4+；③将阴极上生成的微量NH4+进一步通过①转化为氮气，再通过②循环反应，实现尿液含氮物质脱氮。进一步地，所述的光阳极串联后置电极以实现尿液的高效脱氮、有机物矿化和发电。本实施例所用的尿液中性废水为模拟尿液，成分如下表：本实施例得到以下结果：本系统运行90分钟内尿液的总氮(TN)去除率为99.02％，总有机碳(TOC)去除率为50.76％，产电功率为2.24mWcm-2。表1以实施例1为参照进行对比试验，结果如下由表1的数据得出在阴极为Pd/Au/NF、在有模拟光源、电解质中含氯离子且以尿液为基底的条件下，对硝酸根还原的能力极强。所述的光阳极的反应为：1)WO3+hv→h++e-；2)H2O+h+→HO·+H+；3)Cl-+h+→Cl·；4)CO(NH2)2+8Cl·+2H2O→CO2+N2↑+8Cl-+8H+；5)NH2CONH2+2Cl·+H2O→2NH2·+CO2+2Cl-+2H+；6)NH2·+OH·→NH2OH；7)NH2OH+OH·NO2-→NO3-；8)有机物+OH·→CO2+H2O。其中：反应4)为尿素脱氮主反应，反应7)为氮消除的副反应，由于Cl-→Cl·→Cl-，因此反应中氯离子充足，反应8)为尿液中有机物的矿化反应。所述的阴极氮的消除反应为：1)NO3-+AU→Au-NO3-ads；2)Au-NO3-ads+H2O+e-→NO2-+Au+OH-；3)Au-NO2-ads+4H2O+6e-→NH3+7OH-；4)NO2-+Pd→Pd-NO2-ads；5)2Pd-NO2-ads+4H2O+6e-→N2+2Pd+8OH-。实施例2与实施例1相比，本实施例将尿液的酸碱度调为6，反应90分钟后，尿液中性废水中的TN去除率为93.44％，TOC去除率为47.86％，产电功率为2.19mWcm-2。实施例3与实施例1相比，本实施例将尿液的酸碱度调为8，反应90分钟后，尿液中性废水中的TN去除率为91.56％，TOC去除率为48.14％，产电功率为2.21m本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种尿液脱氮和有机物净化燃料电池，其特征在于，包括：装有尿液、作为电解质的0.05M的硫酸钠和0.025～0.075M的氯化钠的混合液的石英反应池以及设置于其内的作为光阳极的三氧化钨导电玻璃基纳米薄膜与作为后置电极的多晶硅太阳电池、作为阴极的由纳米粒子钯和金修饰的泡沫镍以及模拟光源，其中：光阳极与后置电极串联组成复合阳极，通过模拟光源的照射加速三氧化钨表面光生电荷的分离与迁移速度，提升电池的光电流的同时产生光生空穴的强氧化能力，实现尿液中总氮的耗竭式消除；所述的模拟光源的光照强度为AM 1.5，辐照强度为100mW/cm2；所述的三氧化钨导电玻璃基纳米薄膜，通过偏钨酸铵溶液、浓盐酸、双氧水混合制成前驱液后，将FTO玻璃导电面朝下倾斜放入前驱溶液中并置于水热釜中加热反应，反应完成后经烧结得到；所述的阴极为由纳米粒子钯和金修饰的泡沫镍，采用循环伏安电沉积法制备得到，具体为：将多孔泡沫镍小块置入PdCl2与HAuCl4混合液中，采用循环伏安沉积法沉积Pd和Au纳米粒子到多孔泡沫镍表面。

【技术特征摘要】
1.一种尿液脱氮和有机物净化燃料电池，其特征在于，包括：装有尿液、作为电解质的0.05M的硫酸钠和0.025～0.075M的氯化钠的混合液的石英反应池以及设置于其内的作为光阳极的三氧化钨导电玻璃基纳米薄膜与作为后置电极的多晶硅太阳电池、作为阴极的由纳米粒子钯和金修饰的泡沫镍以及模拟光源，其中：光阳极与后置电极串联组成复合阳极，通过模拟光源的照射加速三氧化钨表面光生电荷的分离与迁移速度，提升电池的光电流的同时产生光生空穴的强氧化能力，实现尿液中总氮的耗竭式消除；所述的模拟光源的光照强度为AM1.5，辐照强度为100mW/cm2；所述的三氧化钨导电玻璃基纳米薄膜，通过偏钨酸铵溶液、浓盐酸、双氧水混合制成前驱液后，将FTO玻璃导电面朝下倾斜放入前驱溶液中并置于水热釜中加热反应，反应完成后经烧结得到；所述的阴极为由纳米粒子钯和金修饰的泡沫镍，采用循环伏安电沉积法制备得到，具体为：将多孔泡沫镍小块置入PdCl2与HAuCl4混合液中，采用循环伏安沉积法沉积Pd和Au纳米粒子到多孔泡沫镍表面。2.一种尿液脱氮和有机物净化燃料电池的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：1)制备复合阳极...

【专利技术属性】
技术研发人员：周保学，沈照熙，张岩，李金花，白晶，周梦暘，方菲，梅晓杰，周昌辉，李林森，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海,31