基于金属空气电池的水处理回收装置及其方法转让专利
申请号 : CN201911135030.2
文献号 : CN111138009B
文献日 : 2021-03-30
发明人 : 姚宏 , 李新洋 , 张家赫 , 张济民
申请人 : 北京交通大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种基于金属空气电池的水处理回收装置,其特征在于,包括:产电系统、储能系统和水处理回收系统;
所述的产电系统包括腐蚀性金属负极、空气扩散正极和腔体,所述腐蚀性金属负极和空气扩散正极对向放置,与腔体共同构成密闭容器,所述空气扩散正极的外侧与空气接触;
所述的产电系统分别通过腐蚀性金属负极和空气扩散正极与所述的储能系统电路连接,用于将产电系统中产生的电能储存到储能系统中,所述的产电系统和储能系统之间设置有倒极开关,用于切换产电系统的正负极,调整充电或放电状态;
所述的产电系统通过管路与所述的水处理回收系统连接,所述的水处理回收系统包括循环泵、罐体和结晶过滤器,所述的循环泵用于将所述罐体中的水泵入所述的产电系统中,所述的结晶过滤器用于对处理过的水进行过滤截留。
2.根据权利要求1所述的装置,其特征在于,所述的腐蚀性金属负极为镁、铁、铝板,或其中任意两种或三种的合金板;所述的空气扩散正极包括炭制扩散电极基体和在基体上负载的正极催化层。
3.根据权利要求2所述的装置,其特征在于,所述的炭制扩散电极基体为由碳素活性物质,集流体和空气扩散层组成的三明治结构;所述的正极催化层为Ir氧化物、Ru氧化物、Co氧化物、Mn氧化物、Fe氧化物、Pt、炭黑中的一种,或者其中任意多种组份的复合物。
4.根据权利要求3所述的装置,其特征在于,所述的正极催化层的形状为纳米球、纳米线、纳米棒、纳米管或纳米花的阵列排布,所述腔体上与所述空气扩散正极平行的一侧设置有圆孔,用于与空气接触。
5.根据权利要求1所述的装置,其特征在于,所述的储能系统为可充放电电池。
6.根据权利要求1所述的装置,其特征在于,所述的循环泵为蠕动泵,所述的腔体为有机玻璃腔体,所述的罐体为有机玻璃容器或塑料容器;所述的结晶过滤器的金属过滤头为不锈钢或钛材料,所述结晶过滤器的过滤孔径1μm~5μm。
7.根据权利要求1所述的装置,其特征在于,所述的腐蚀性金属负极和空气扩散正极之间的电极间距为0.5~2cm。
8.根据权利要求3所述的装置,其特征在于,所述集流体为具有导电性的网状结构;所述碳素活性物质包括活性炭、炭黑、石墨烯和石墨粉中的一种或多种;所述的空气扩散层为聚四氟乙烯涂层。
9.根据权利要求3所述的装置,其特征在于,所述集流体为具有导电性的网状结构;所述碳素活性物质为炭布或炭纸。
10.一种应用于权利要求1-9任一权项所述的装置的水处理回收方法,其特征在于,包括:
第一阶段:将待处理废水放置于水处理回收系统的罐体中,开启循环泵,将所述待处理废水泵入至产电系统的密闭容器中,腐蚀性金属负极自发利用所述待处理废水作为电解液发生原电池反应并将金属阳离子释放到废水中,空气扩散正极利用空气中的氧气发生氧还原反应,产生电流,作为电能储存到储能系统中;
释放的金属阳离子进入水处理回收系统的罐体中,与剩余待处理废水中的氨氮和磷酸盐产生磷酸盐形式的结晶物,并通过结晶过滤器进行分离;
第二阶段:通过倒极开关改变原有产电系统中电极的正负极性,利用收集的电能作为直流电源进行电解废水,利用空气扩散正极上负载的催化剂将废水中的氯离子氧化为活性氯,并作为氧化剂降解废水中的有机物;同时产生的活性氯还与第一阶段中废水中残余的氨氮反应,将氨氮进一步氧化为氮气。
说明书 :
基于金属空气电池的水处理回收装置及其方法
技术领域
背景技术
物的有效去除。由于氨氮和磷酸盐是水污染控制的关键性指标,是引起水体富营养化的主
要原因,同时氨氮和磷酸盐又是农业以及化工行业重要的化肥或原料。因此,如果将废水中
的高浓度氮磷高效回收,则可以实现废水处理的可持续发展。针对废水中氮磷回收,学界以
及工业界已经开展了广泛研究,并取得了诸多创新和进展。其中研究最为广泛的方法是:磷
酸铵镁共沉淀法。该方法通过向含氮磷废水中投加镁盐,通过工艺调控,实现水中的氮磷的
同步去除。同时磷酸铵镁俗称“鸟粪石”是一种优良的缓释化肥,肥效优异,是氮磷资源回收
的重要目标产物,具有较高的经济价值。此外,对于仅高含磷酸盐的废水,通过投加铁离子
产生磷酸铁类结晶产物,最后以蓝铁矿形式回收,由于其特殊的矿物染料,在磷酸盐回收上
也具有广泛的前景。但是该方法需要大量的外援金属盐物质,投加的药剂量大,同时还需要
持续的人工投入,并进行定期的养护,因此,为了提高金属盐的投加效率,有专利(申请号为
201610259921.9)提出用电化学的方式进行金属离子投加。腐蚀性金属在电流作用下,可以
向溶液中释放金属阳离子,但是该装置的整个体系仍然需要额外的电能才能满足反应的持
续进行;Xi Chen等人(Self-sustaining advanced wastewater purification and
simultaneous in situ nutrient recovery in a novel bioelectrochemical system,
Chem Eng J,2017,692-697)提出了采用微生物燃料电池技术在去除有机物的同时,通过设
置在电池中的阴阳离子膜将废水中氨氮和磷酸盐以液态的形式回收,在不投加电能和化学
药剂的情况下,高效回收废水中氮磷同时有效去除有机污染物,同时还能产生电能。但其缺
点是,微生物燃料电池受微生物固有条件的限制,对环境温度和水质条件都比较敏感,尤其
是其以废水中有机物为主要燃料,如果废水中的有机物生物不可降解或者生物毒性强,电
池系统的产电性能就会受到很大影响。同时,如果废水中含有的有机物较少,或者没有有机
物,微生物燃料电池就无法实现氮磷的去除;此外,专利(申请号201510372998.2)通过使用
海水电池来实现对养殖废水中氮磷的回收同时产生电能,并获得较高的回收效果。但是该
海水电池仅针对废水中的氮磷,其并无法有效去除废水中潜在的其他有机物。
置。
发明内容
接触;
间设置有倒极开关,用于切换产电系统的正负极,调整充电或放电状态;
统中,所述的结晶过滤器用于对处理过的水进行过滤截留。
中的一种,或者其中任意多种组份的复合物。
滤孔径1μm~5μm。
解液发生原电池反应并将金属阳离子释放到废水中,空气扩散正极利用空气中的氧气发生
氧还原反应,产生电流,作为电能储存到储能系统中;
活性氯,并作为氧化剂降解废水中的有机物;同时产生的活性氯还与第一阶段中废水中残
余的氨氮反应,将氨氮进一步氧化为氮气。
水质的适应性强,适合各种水质;本装置充分利用金属空气电池可以原位释放阳离子以及
高产电的特性,根据待处理废水特性,如处理含氮磷废水,可以采用镁电极为负极,如仅处
理含磷废水,可以采用铁、铝电极为负极,来最终实现不同的金属阳离子投加,同时产生电
能回收,进入到电解液(待处理废水)的金属阳离子可以跟水中氮磷发生结晶沉淀反应,实
现营养元素的高效回收;本发明的金属空气电池与可以同时作为产电装置和电解装置,正
极(阴极)具备高效氧气还原以及高效电解析氯的双催化活性,在产电阶段,正极加速氧还
原提高产电功率,在电解阶段,该电极作为阳极电解废水中的氯离子产生活性氯物质,用于
降解污染物、去除氨氮同时具有杀菌作用;通过将产电阶段的电能进行高效储能,并在电解
阶段有节制的利用,实现净电产能,整个体系仅通过金属电池自腐蚀的产电就推动废水中
氮磷高效回收以及有机物有效降解,同时能产生电能,实现废水处理资源化与能源产生的
有机结合。
附图说明
普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据附图获得其他的附图。
具体实施方式
考附图描述的实施方式是示例性的,仅用于解释本发明,而不能解释为对本发明的限制。
辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件,但是并不排除存在或添加
一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解,当我们称元
件被“连接”或“耦接”到另一元件时,它可以直接连接或耦接到其他元件,或者也可以存在
中间元件。此外,这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞
“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
理解的是,诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意
义一致的意义,并且除非像这里一样定义,不会用理想化或过于正式的含义来解释。
散正极⑨对向放置,与有机玻璃腔体⑩共同构成密闭容器,空气扩散正极⑨的外侧与空气
接触,有机玻璃腔体⑩上与空气扩散正极⑨平行的一侧分别设置有圆孔,用于与空气接触。
设置有倒极开关④,用于切换产电系统①的正负极,调整充电或放电状态。
水口⑤与罐体的出水口相连,腔体上的出水口⑥与罐体的进水口相连,蠕动泵安装于腔体
的入水口与罐体的出水口之间的管路上。通过蠕动泵将预先放置在水处理回收系统③中的
废水泵入产电系统①中,通过产电系统①的腔体上的⑥返回水处理回收系统③,结晶过滤
器⑦用于对处理过的水进行过滤截留,在水处理回收系统③产生的结晶物沉淀通过结晶过
滤器⑦截留后,过滤的产水在再次进入产电系统①,不断循环。
极⑨由炭纸、空气扩散层和负载在炭纸上催化剂组成。其中,催化剂为具有高性能氧还原以
及电化学析氯能力的Ir和Ru的复合氧化物,形貌为纳米线阵列。储能系统②为可充放电电
池,具体地,为锂电池。腐蚀性金属负极⑧和空气扩散正极⑨之间的电极间距为1cm。
与电解净水阶段:
间,腐蚀性金属负极⑧(镁负极)自发利用所述待处理废水作为电解液发生原电池反应并将
镁离子释放到废水中,空气扩散正极⑨利用空气中的氧气发生氧还原反应,产生电流,作为
电能储存到储能系统②中;
收集的电能作为直流电源进行电解废水,利用空气扩散正极⑨上负载的催化剂将废水中的
氯离子氧化为活性氯,并作为氧化剂降解废水中的有机物;同时产生的活性氯还与第一阶
段中废水中残余的氨氮反应,将氨氮进一步氧化为氮气。该阶段达到完全脱氮的目的。同
时,镁阴极会发生的持续析氢反应,将加速原有电极表面的结垢层脱落,促进电极表面的自
清洁。
过本方法在可以实现氮磷高效回收、有机物高效去除的同时产生额外电能,无需外界电能
投入,最终实现自供电的目的。
散正极⑨对向放置,与有机玻璃腔体⑩共同构成密闭容器,空气扩散正极⑨的外侧与空气
接触,有机玻璃腔体⑩上与空气扩散正极⑨平行的一侧分别设置有圆孔,用于与空气接触。
设置有倒极开关④,用于切换产电系统①的正负极,调整充电或放电状态。
水口⑤与罐体的出水口相连,腔体上的出水口⑥与罐体的进水口相连,蠕动泵安装于腔体
的入水口与罐体的出水口之间的管路上。通过蠕动泵将预先放置在水处理回收系统③中的
废水泵入产电系统①中,通过产电系统①的腔体上的⑥返回水处理回收系统③,结晶过滤
器⑦用于对处理过的水进行过滤截留,在水处理回收系统③产生的结晶物沉淀通过结晶过
滤器⑦截留后,过滤的产水在再次进入产电系统①,不断循环。
为可充放电电池,具体地,为锂电池。腐蚀性金属负极⑧和空气扩散正极⑨之间的电极间距
为0.5cm。
与电解净水阶段:
间,腐蚀性金属负极⑧(铁负极)自发利用所述待处理废水作为电解液发生原电池反应并将
铁离子释放到废水中,空气扩散正极⑨利用空气中的氧气发生氧还原反应,产生电流,作为
电能储存到储能系统②中;
收集的电能作为直流电源进行电解废水,利用空气扩散正极⑨上负载的催化剂将废水中的
氯离子氧化为活性氯,并作为氧化剂降解废水中的有机物。同时,铁阴极会发生的持续析氢
反应,将加速原有电极表面的结垢层脱落,促进电极表面的自清洁。最终实现废水中磷酸盐
有效回收,以及有机物高效去除,并保持电极表面的持续清洁。
最终实现自供电的目的。
过本方法在可以实现氮磷高效回收、有机物高效去除的同时产生额外电能,无需外界电能
投入,最终实现自供电的目的。
包含于此。
前提的。
都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围
为准。