一种用于去除水中氨氮及有机物的连续流燃料电池模块制造技术

本发明专利技术公开了一种用于去除水中氨氮及有机物的连续流燃料电池模块，其包括多个单元模块，每个单元模块包括壳体，壳体内填充有燃料及空穴响应催化剂，两个相邻单元模块的进水口与出水口相互连接形成管路串联结构；所述阴极为修饰单质铋元素的二氧化钛纳米管网状电极，所述阳极为修饰三氧化钨的单面导电玻璃与单晶硅光电池组合的光响应电极，所述燃料的成分含有氨氮及有机污染物。本发明专利技术通过联用单晶硅光电池以提供自驱动的电压从而无需外加电压驱动且不含有有毒副产物，高度模块化的装置有利于维修、调试、改造与工业化推广，催化剂亚硫酸氢钠相较于次氯酸钠成本仅有其十五分之一，是一种成本低廉处理效果好的含氨氮有机废水的处理方案。的处理方案。的处理方案。

【技术实现步骤摘要】
一种用于去除水中氨氮及有机物的连续流燃料电池模块


[0001]本专利技术涉及一种光电催化回收化学能同步处理废水中氨氮与有机物的燃料电池，尤其涉及一种利用电脑控制的模块化与连续流的光电催化反应器。

技术介绍

[0002]氨氮是废水中常见的污染物，氨氮浓度与水体富营养化程度相关，常用的活性污泥法处理含氨氮的有机废水中存在一个矛盾点，即氨氮的去除需要硝化与反硝化两个步骤，其运行条件截然不同，增加了运行成本且处理效率较差。光电催化法是最近在科研界较为火热的有机废水处理新工艺，其优势在于成本低廉，基于高级氧化法的运行机理使其对有机物的矿化率较高，处理效率较高且能回收有机物中的化学能额外产生电子用于发电。但与活性污泥法一样，一般形式的光电催化法对氨氮的降解能力仍然有限，究其原因是因为废水脱氮的主要目标是将氮元素的化合价转化为零价即以氮气的形式去除，而含有负三价氮元素的氨氮与含有正五价氮元素的硝酸盐氮都是水体污染物。而光电催化法产生的强氧化性自由基例如羟基、超氧自由基等很容易将氨氮氧化为硝酸盐氮，这个机理导致了光电催化法对氨氮的彻底去除较为困难。
[0003]折点加氯法是自来水厂最常用的去除水中氨氮的方法，但折点加氯法仍然有缺点，作为氧化剂的次氯酸钠成本高昂且副产物氯胺类物质具有生物毒性。折点加氯法的原理是利用氯氧自由基拥有的合适氧化还原电位将氨氮高选择性地氧化为氮气，而在诸多自由基中硫氧自由基由于拥有与氯氧自由基相似的氧化还原电位，因此硫氧自由基也有将氨氮氧化成氮气的能力，且硫氧自由基的还原产物是硫酸根离子，硫酸根离子本身无毒且没有被定义为污染物，各类硫酸盐的溶解度相对氯化盐类更低，因此硫酸根的引入还可以有效降低水体的硬度。
[0004]火力发电厂烟气的成分中富含二氧化硫，可以采用碳酸氢钠溶液去吸收二氧化硫废气，即可制得亚硫酸氢钠溶液。相对于次氯酸钠而言，亚硫酸氢钠的成本仅是次氯酸钠的十五分之一。因此利用火力发电厂产生的“废物”——亚硫酸氢钠代替次氯酸钠处理氨氮在经济上非常可观。
[0005]目前国内外已有大量相关利用太阳光与来去除废水中的污染物的燃料电池方案，其中有例如(CN103367759A、CN106299418A)提出了将光化学与废水处理结合应用于燃料电池领域，但没有能够给出一种成熟、可规模化应用的结构解决方案。又如(Nano Energy 2020,67,104237)，中给出了一种可行的模块化光化学燃料电池处理废水结构，但其体系完全密封，没有空气鼓入，在降解反应初期对反应影响较大；光源设计在反应器内部，导致体系运行需要外接电源，未能充分利用太阳能；结构设计密封，双侧电极安装完毕拆换过程较为复杂；双侧电极距离过于贴近，需要额外使用尼龙网使双侧电极隔开以防短路。以上原因导致其不具备规模化应用的前景。而本专利创新性给出一种高度模块化的去除水中高浓度氨氮及有机物的连续燃料电池解决方案，无需外接电源仅在光照空气充足为条件即可实现污水的处理；优秀的设计结构使得电极可以根据废物成分轻松地更换，扩展性强；电极板之
间有空间，不需使用隔网将两侧电极隔开；可根据实际废水情况增加或减少模块数量，以此来达成除污性能—经济效益的平衡，具备规模化应用前景。

技术实现思路

[0006]本专利技术所要解决的技术问题是：利用太阳光与发电厂的废气构建一种具有一定工业化潜力的高效去除氨氮与有机污染物同时产电的方法，其能够在低成本且绿色无二次污染的运行条件下保持对氨氮与有机污染物的高去除率。
[0007]为了解决上述技术问题，本专利技术通过以下技术方案实现：
[0008]一种用于去除水中氨氮及有机物的连续流燃料电池模块，其包括多个单元模块，每个单元模块包括壳体，壳体上设有进水口、出水口及曝气口，壳体内设有阳极、阴极，且壳体内填充有燃料及空穴响应催化剂，两个相邻单元模块的进水口与出水口相互连接形成管路串联结构，所有单元模块内的阳极、阴极均通过导线连接电路控制系统；所述阴极为修饰单质铋元素的二氧化钛纳米管网状电极，所述阳极为修饰三氧化钨的单面导电玻璃与单晶硅光电池组合的光响应电极以提供燃料电池模块运行的初始电压，所述燃料的成分含有氨氮及有机污染物，所述空穴响应催化剂的成分含有亚硫酸氢钠。
[0009]优选地，所述壳体的材质采用石英玻璃。
[0010]优选地，所述阴极的制备方法为：将钛网依次使用丙酮、乙醇、去离子水预清洁；配制氢氟酸、硝酸、去离子水的混合溶液，将预清洁的钛网浸入该混合溶液中以去除表面氧化物；将3片处理后的钛网用铜线缠绕固定后作为阳极，铂电极作为阴极，电极间距30mm，给予直流电压5～30V，在含有质量分数0.3％氟化铵与体积分数2％去离子水的乙二醇溶液中恒温微搅拌氧化1～6h，氧化完成后取出用去离子水洗净，在500℃下退火2h即可制得二氧化钛纳米管网状电极；将0.01～0.05g硝酸铋五水合物超声溶解于含有0.1～0.5g硫酸钠和0.1～0.8g乙二胺四乙酸二钠的去离子水溶液中，再将所制得的二氧化钛纳米管网状电极作为工作电极，铂电极作为对电极，银
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氯化银电极作为参比电极，在
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0.1～
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2V电压条件下电沉积5～30min，电沉积完成后冲洗并烘干电极，即得所述修饰单质铋元素的二氧化钛纳米管网状阴极。
[0011]优选地，所述阳极的制备方法为：将0.1～1g仲钨酸铵水合物溶解于93mL去离子水；随后，向溶液中添加2mL盐酸和4mL双氧水，搅拌至完全溶解至透明；将透明溶液转移到聚四氟乙烯内衬高压釜中，将一块使用丙酮、乙醇、去离子水预清洁的掺氟氧化锡涂层玻璃基板浸入含有上述溶液的高压釜中且使导电面朝下，水热过程在160℃下进行4h，随后在500℃下退火2h；将制备好的三氧化钨光阳极和多晶硅太阳能电池板用铜线连接，即得所述修饰三氧化钨的单面导电玻璃与单晶硅光电池组合的光响应阳极。
[0012]更优选地，所述的盐酸水溶液纯度均为37％(体积百分比)。
[0013]更优选地，所述的双氧水水溶液纯度均为30％(体积百分比)。
[0014]更优选地，所述的氢氟酸水溶液纯度均为40％(体积百分比)。
[0015]更优选地，所述的硝酸水溶液纯度均为68％(体积百分比)。
[0016]更优选地，所述的其它试剂纯度均为99％(质量百分比)。
[0017]更优选地，所述的单晶硅光电池额定电压2V，额定电流35mA。
[0018]优选地，所述燃料中，氨氮的浓度为10～100mg/L，有机污染物的浓度不大于50mg/
L。
[0019]优选地，所述空穴响应催化剂中亚硫酸氢钠的浓度为不大于0.1M。
[0020]本专利技术还提供了一种上述用于去除水中氨氮及有机物的连续流燃料电池模块的应用：采用太阳光照射或氙灯模拟太阳光照射所述电池模块，向第一个单元模块的进水口持续泵入燃料和空穴响应催化剂(亚硫酸氢钠)，并向每个单元模块的曝气口内鼓入空气。在太阳光的照射下驱动光阳极表面产生空穴氧化亚硫酸氢钠产生硫氧自由基本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于去除水中氨氮及有机物的连续流燃料电池模块，其特征在于，包括多个单元模块，每个单元模块包括壳体(1)，壳体(1)上设有进水口(2)、出水口(3)及曝气口(4)，壳体(1)内设有阳极(5)、阴极(6)，且壳体(1)内填充有燃料及空穴响应催化剂，两个相邻单元模块的进水口(2)与出水口(3)相互连接形成管路串联结构，所有单元模块内的阳极(5)、阴极(6)均通过导线连接电路控制系统(7)；所述阴极(6)为修饰单质铋元素的二氧化钛纳米管网状电极，所述阳极(5)为修饰三氧化钨的单面导电玻璃与单晶硅光电池组合的光响应电极以提供燃料电池模块运行的初始电压，所述燃料的成分含有氨氮及有机污染物，所述空穴响应催化剂的成分含有亚硫酸氢钠。2.如权利要求1所述的用于去除水中氨氮及有机物的连续流燃料电池模块，其特征在于，所述壳体(1)的材质采用石英玻璃。3.如权利要求1所述的用于去除水中氨氮及有机物的连续流燃料电池模块，其特征在于，所述阴极(6)的制备方法为：将钛网依次使用丙酮、乙醇、去离子水预清洁；配制氢氟酸、硝酸、去离子水的混合溶液，将预清洁的钛网浸入该混合溶液中以去除表面氧化物；将3片处理后的钛网用铜线缠绕固定后作为阳极，铂电极作为阴极，电极间距30mm，给予直流电压5～30V，在含有质量分数0.3％氟化铵与体积分数2％去离子水的乙二醇溶液中恒温微搅拌氧化1～6h，氧化完成后取出用去离子水洗净，在500℃下退火2h即可制得二氧化钛纳米管网状电极；将硝酸铋五水合物超声溶解于硫酸钠和乙二胺四乙酸二钠的去离子水溶液中，再将所制得的二氧化钛纳米管网状电极作为工作电极，铂电极作为对电极，银
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氯化银电极作为参比电极，在
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2V电压条件下电沉积5～30min，电沉积完成后冲洗并烘干电极，即得所述修饰单质铋元素的二氧化钛纳米管网状阴极...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏丽刚，孙瑜峰，徐群杰，成新晟，沈乐阳，
申请(专利权)人：上海电力大学，
类型：发明
国别省市：