一种UVC-LED—DSA电极耦合的光电化学氧化氨氮协同去除系统技术方案

本发明专利技术公开了一种UVC‑LED—DSA电极耦合的光电化学氧化氨氮协同去除系统，该系统包括：包括光电化学反应器、DSA阳极、钛阴极、磁力搅拌器、蠕动泵、阳极出气口、阴极出气口、pH控制仪、直流电源、热电偶、控温装置、UVC‑LED模组(风冷散热扇、散热片、UVC‑LED灯珠)、石英玻璃板。本发明专利技术系统主要消耗电能，且可在较低的电流密度下高效运行，运行成本较低，且反应装置结构简单、体积小、操作简便且易于维护；所采用的DSA阳极具有良好的电催化活性和稳定性、耐腐蚀、导电及加工性好，可大大提高系统的使用寿命；此外，该光电化学氧化反应体系主要通过产生活性氯及多种自由基成分对氨氮等污染物快速高效去除，具有绿色环保，环境友好等特点。

【技术实现步骤摘要】
一种UVC-LED—DSA电极耦合的光电化学氧化氨氮协同去除系统
本专利技术涉及UV-LED光电化学氧化技术、养殖水体净化和污水清洁处理领域，尤其涉及UVC-LED—DSA电极耦合的光电化学氧化氨氮协同去除系统。
技术介绍
20世纪末以来，世界主要渔业国为获取更多的优质动物蛋白质，开始重视发展水产养殖业，这使水产养殖业成为农业中发展最快的产业之一。随着我国水资源短缺以及对环境污染和食品安全防控力度的加大，传统粗放的养殖模式进一步受到限制，而持续增长的水产品消费需求促使水产养殖必然向更集约高效、绿色环保和可持续的工业化循环水养殖技术转变。工业化循环水养殖技术是一项综合现代技术实现养殖用水循环利用，减少养殖环境污染和提高水利用率的技术。在养殖过程中，养殖对象的代谢产物、饵料残存、生物尸体等蛋白质不能及时分解，研究表明：在循环水养殖系统中鱼类所食饵料的80％以上作为废弃物(主要为氨氮和有机物)排入水中，从而导致水体的氨氮、亚硝酸盐氮等有害物质上升，从而污染水质，对养殖物产生毒害作用，进而导致养殖物大量死亡。因此，对水体中氨氮含量的检测和有效去除，是循环水养殖环境监控关键环节，对水产养殖以及生态保护都有着重要的意义。目前，在工厂化养殖过程中，水质处理的方式应用较多的是生物净水技术，其中的生物膜法应用较为普遍，该法主要是依靠附着在生物载体或滤料表面上的微生物来降解水体氨氮、亚硝态氮、硝态氮等有害物质，从而达到净水的功能。但该法受到温度、水体碱度、生物膜附着及成熟时间长、硝化菌群系统构建慢、生物数量低等因素的制约。此外，利用吸附技术等物理方法去除氨氮已经在中小型水产养殖中得到了较多的应用，但是活性炭吸附技术同时也存在着吸附剂比表面积小、再生难、成本高等问题的限制。近年来，TiO2光催化在环境保护领域内的有机、无机污染物的去除方面取得了较大进展，被认为是一种极具前途的环境污染深度净化技术。TiO2因其光稳定性高、化学性质稳定、难溶、无毒、成本低、具有高效性，被广泛用于光催化法处理有机或无机废水。该方法的主要原理是当能量大于或等于TiO2带隙能的光照射时，TiO2发生光电效应，吸收光子产生电子(e-)-空穴(h+)对，经过禁带向来自溶液且吸附在其表面的物种转移电荷，空穴夺取颗粒表面吸附物中的电子，使该物种被氧化，电子受体接受表面电子被还原。但由于TiO2的禁带宽度较宽(3.2eV)，仅能被波长较短的紫外线激发。另外，由于光激发产生的电子与空穴的复合，导致光量子效率很低，因此基于TiO2光催化发展起来的光电催化技术因采用电化学辅助方法，能促进TiO2光生电子-空穴对的分离，提高其催化效率而备受关注，该方法的原理依然是基于光电效应，主要通过产生电子-空穴对催化剂表面吸附物进行降解处理。此外，在TiO2光电催化技术中，常用的辐射光源为254nm的紫外汞灯，但随着《水俣公约》的正式生效，紫外汞灯的应用将受到进一步限制。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有养殖水体氨氮去除技术的不足以及TiO2光电催化技术的缺陷，提供一种UVC-LED—DSA电极耦合的光电化学氧化氨氮协同去除系统。为了实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案来实现：一种UVC-LED—DSA电极耦合的光电化学氧化氨氮协同去除系统，包括光电化学反应器、DSA阳极、钛阴极、磁力搅拌器、蠕动泵、阳极出气口、阴极出气口、pH控制仪、直流电源、热电偶、控温装置、UVC-LED模组(风冷散热扇、散热片、UVC-LED灯珠)、石英玻璃板。所述的UVC-LED模组包括风冷散热扇、散热片、UVC-LED灯珠；所述的DSA阳极、钛阴极设于光电化学反应器内；所述的光电化学反应器内装有待处理的含有氨氮的液体，采用蠕动泵将光电化学反应器内的液体输送至控温装置后流回反应器内形成循环；所述的热电偶设于控温装置内，用于对液体进行测温；所述的磁力搅拌器用于使光电化学反应器内的液体充分混合；所述的光电化学反应器顶部设有密封盖，所述的石英玻璃板设于密封盖中心，所述的UVC-LED模组固定于石英玻璃板(15)上方，可将UVC-LED灯珠发射的紫外线辐射至DSA阳极和钛阴极表面以及两电极间的溶液；所述的阳极出气口、阴极出气口设于密封盖上，分别用于将氨氮氧化后得到的氮气和氢气等排出；所述的pH控制仪用于对光电化学反应器内的液体进行pH调节，将pH值控制在4～8之间；所述的直流稳压电源用于对DSA阳极、钛阴极以及UVC-LED模组供电；用直流稳压电源对DSA阳极和钛阴极通电时，同步打开UVC-LED模组(风冷散热扇、散热片和UVC-LED灯珠)，进而激发光电化学反应器电极表面的光电效应及溶液相内高效的活性自由基反应。上述技术方案中，进一步地，所述的钛阴极和DSA阳极的极板面积比为1:1。DSA阳极为钛基钌铱电极，即电极表面涂层含有成分RuO2、IrO2和TiO2，两个电极采用直流稳压电源进行供电，其电压和电流的调节范围分别为0～30V和0～5A。进一步地，所述的风冷散热扇的驱动电压为DC12V，所述的UVC-LED灯珠共9颗，(3*3)焊接在基板上并固定在散热片表面。进一步地，所述的UVC-LED灯珠的峰值波长为275nm，半峰宽度为11nm，驱动电压为5.4V，半视角为120°，辐射功率为30mW。进一步地，所述的光电化学反应器采用石英玻璃制成，光电化学反应器内采用含有质量浓度为0.5％～2.0％的氯化钠作为电解液体，液体的水力停留时间为10min。进一步地，所述的pH控制仪通过1MHCl或1MNaOH对反应器内液体进行pH调节，将pH值控制在4～8之间。进一步地，在光电化学反应过程中，光电化学反应器内液体温度为23±2℃。进一步地，所述的UVC-LED—DSA电极耦合的光电化学氧化氨氮协同去除系统主要用于对含有氨氮的水产养殖水体进行处理，对于不同浓度的氨氮溶液在一定的反应时间内氨氮的去除率可达95％以上。本专利技术的有益效果在于：本专利技术针对工业化循环水处理系统中低浓度氨氮等污染物的去除问题，首次采用275nmUVC-LED和DSA阳极结合的方法，去除氨氮的效率更高；本专利技术提出的以活性氯介导的UV-LED与电化学氧化耦合的光电化学过程作为一种对环境友好的水处理应用技术，其对氨氮的去除原理与传统的TiO2光电催化技术不同，在此光电化学过程中，经紫外辐射后，反应体系可原位产生非选择性羟基自由基(HO·)与活性氯成分(Cl·，Cl2·-，Cl2，HOCl，ClO-)，可将氨氮氧化反应从电极表面扩展至溶液相中，进而提高氨氮去除效率，加快处理速率。UV-LED作为一种新兴的紫外技术，相较于紫外汞灯波长可以选择的范围更大，本专利技术发现活性氯对275nmUVC-LED灯珠的紫外吸收要优于254nm汞灯，即活性氯在UVC-LED辐射下可产生更多的高效自由基。本专利技术充分利用UV-LED结构紧凑、性能稳定、能耗低及寿命长等明显优势，以及电化学高级氧化技术的特点，探索出适用于工业化循环水养殖中水体氨氮处理的新型水处理技术。构建的光电化学氧化反应本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种UVC-LED—DSA电极耦合的光电化学氧化氨氮协同去除系统，其特征是：该系统包括光电化学反应器(1)、DSA阳极(2)、钛阴极(3)、磁力搅拌器(4)、蠕动泵(5)、阳极出气口(6)、阴极出气口(7)、pH控制仪(8)、直流稳压电源(9)、热电偶(10)、控温装置(11)、UVC-LED模组和石英玻璃板(15)；所述的UVC-LED模组包括风冷散热扇(12)、散热片(13)、UVC-LED灯珠(14)；所述的DSA阳极(2)、钛阴极(3)设于光电化学反应器(1)内；所述的光电化学反应器(1)内装有待处理的含有氨氮的液体，所述的蠕动泵(5)用于将待处理的含有氨氮的液体输入控温装置(11)内进行温度调节，并使其流回光电化学反应器(1)内形成循环；所述的热电偶(10)设于控温装置(11)内，用于对液体进行测温；所述的磁力搅拌器(4)用于使光电化学反应器(1)内的液体充分混合；所述的光电化学反应器(1)顶部设有密封盖，所述的石英玻璃板(15)设于密封盖中心，所述的UVC-LED模组固定于石英玻璃板(15)上方，可将UVC-LED灯珠(14)发射的紫外线辐射至DSA阳极(2)和钛阴极(3)表面以及两电极间的溶液；所述的阳极出气口(6)、阴极出气口(7)设于密封盖上，用于排出氨氮氧化后产生的气体；所述的pH控制仪(8)用于对光电化学反应器(1)内的液体进行pH调节；所述的直流稳压电源(9)用于对DSA阳极(2)、钛阴极(3)以及UVC-LED模组供电。/n...

【技术特征摘要】
1.一种UVC-LED—DSA电极耦合的光电化学氧化氨氮协同去除系统，其特征是：该系统包括光电化学反应器(1)、DSA阳极(2)、钛阴极(3)、磁力搅拌器(4)、蠕动泵(5)、阳极出气口(6)、阴极出气口(7)、pH控制仪(8)、直流稳压电源(9)、热电偶(10)、控温装置(11)、UVC-LED模组和石英玻璃板(15)；所述的UVC-LED模组包括风冷散热扇(12)、散热片(13)、UVC-LED灯珠(14)；所述的DSA阳极(2)、钛阴极(3)设于光电化学反应器(1)内；所述的光电化学反应器(1)内装有待处理的含有氨氮的液体，所述的蠕动泵(5)用于将待处理的含有氨氮的液体输入控温装置(11)内进行温度调节，并使其流回光电化学反应器(1)内形成循环；所述的热电偶(10)设于控温装置(11)内，用于对液体进行测温；所述的磁力搅拌器(4)用于使光电化学反应器(1)内的液体充分混合；所述的光电化学反应器(1)顶部设有密封盖，所述的石英玻璃板(15)设于密封盖中心，所述的UVC-LED模组固定于石英玻璃板(15)上方，可将UVC-LED灯珠(14)发射的紫外线辐射至DSA阳极(2)和钛阴极(3)表面以及两电极间的溶液；所述的阳极出气口(6)、阴极出气口(7)设于密封盖上，用于排出氨氮氧化后产生的气体；所述的pH控制仪(8)用于对光电化学反应器(1)内的液体进行pH调节；所述的直流稳压电源(9)用于对DSA阳极(2)、钛阴极(3)以及UVC-LED模组供电。


2.根据权利要求1所述的UVC-LED—DSA电极耦合的光电化学氧化氨氮协同去除系统，其特征在于：所述钛阴极和DSA阳极的极板面积比为1:1；DSA阳极(2)为钛基钌铱电极，即电极表面涂层含有成分RuO2、IrO2和TiO2。


3.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：叶章颖，王朔，黄晓伶，赵建，朋泽群，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33