公布日：2023.10.27
申請日：2023.07.13
分類號：C02F1/14(2023.01)I;C02F1/72(2023.01)I;C02F101/30(2006.01)N
摘要
本發(fā)明涉及一種光伏/光熱耦合驅(qū)動(dòng)的污水處理裝置及方法，該裝置或方法通過將光伏板與電解裝置集成使光伏裝置為電解裝置供電，且利用光伏裝置的熱量加熱污水，使污水轉(zhuǎn)換為氣態(tài)水，并使污水中的VOCs以氣體狀態(tài)逃逸，通過電解裝置處理氣態(tài)的水和氣態(tài)的VOCs，避免了將電解裝置置于水中導(dǎo)致的VOCs降解不徹底和電解裝置易被腐蝕的問題，光伏板的熱量能夠降低氧化還原反應(yīng)的能壘，提升羥基生產(chǎn)效率。
權(quán)利要求書
1.一種光伏/光熱耦合驅(qū)動(dòng)的污水處理裝置，其特征在于：包括容器：用于容納待處理污水；光伏板：置于所述容器的開口處，用于吸收太陽光轉(zhuǎn)換為電能，光伏板的吸光側(cè)朝向容器外，背光側(cè)朝向容器內(nèi)；導(dǎo)水帶：用于將待處理污水輸送至光伏板處，所述光伏板對污水進(jìn)行加熱蒸發(fā)產(chǎn)生水蒸氣，并揮發(fā)出待處理污水中的VOCs；電解裝置：置于容器內(nèi)且置于待處理污水水面上方，所述電解裝置包括陰極和陽極，在所述陰極處，氧氣得電子轉(zhuǎn)換為雙氧水，雙氧水與金屬離子反應(yīng)得到羥基自由基，所述羥基自由基用于降解水中VOCs。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光伏/光熱耦合驅(qū)動(dòng)的污水處理裝置，其特征在于：所述電解裝置滿足以下其一或多者的結(jié)合：—在所述陽極處水蒸氣失電子轉(zhuǎn)換為氧氣和氫質(zhì)子；—所述陽極和陰極通過所述光伏板供電；—通過曝氣裝置為所述陰極提供氧氣。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光伏/光熱耦合驅(qū)動(dòng)的污水處理裝置，其特征在于：所述導(dǎo)水帶為柔性材料，一端或兩端或多端浸漬在待處理污水中，中間區(qū)域貼合所述光伏板背光側(cè)設(shè)置，待處理污水由浸漬在待處理污水中的導(dǎo)水帶輸送至中間區(qū)域，并在所述中間區(qū)域加熱蒸發(fā)釋放水蒸氣和VOCs。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的光伏/光熱耦合驅(qū)動(dòng)的污水處理裝置，其特征在于：所述導(dǎo)水帶為吸水棉布，所述吸水棉布的周側(cè)豎直向下延伸至待處理污水中，中間區(qū)域貼合光伏板的背光側(cè)，吸水棉布與水面之間形成容納腔，所述電解裝置置于所述容納腔內(nèi)，電解裝置置于吸水棉布中間區(qū)域的正下方。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光伏/光熱耦合驅(qū)動(dòng)的污水處理裝置，其特征在于：所述電解裝置中各器件由靠近光伏板向遠(yuǎn)離光伏板依次為陰極、隔膜和陽極，所述陰極與光伏板之間的距離為1～10cm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光伏/光熱耦合驅(qū)動(dòng)的污水處理裝置，其特征在于：所述陰極材料為Ti3C2，所述陰極材料的制備方法為：將Ti3AlC2置于酸溶液中進(jìn)行酸刻蝕，去除Ti3AlC2中的Al元素，獲得Ti3C2材料；酸刻蝕時(shí)間為4h，刻蝕溫度為80℃，所述酸溶液為30mol/L的氫氟酸溶液。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光伏/光熱耦合驅(qū)動(dòng)的污水處理裝置，其特征在于：所述陰極材料為Ti3C2，且Ti3C2為Mxene材料；在所述陰極處發(fā)生反應(yīng)：O2+2H++2e→H2O2式一Ti3++H2O2→Ti4++OH-+·OH式二Ti4++e→Ti3+式三在所述陽極處發(fā)生反應(yīng)：2H2O-2e→O2+4H+；陰極生產(chǎn)的·OH用于降解VOCs。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光伏/光熱耦合驅(qū)動(dòng)的污水處理裝置，其特征在于：所述電解裝置滿足以下其一或兩者的結(jié)合：—陽極材料為Cu、Pt、Ti、Ni、石墨中的一種；—在陰極和陽極之間設(shè)置隔膜，所述隔膜為全氟質(zhì)子交換膜，所述隔膜為陰極和陽極反應(yīng)提供離子通道。
9.一種將光伏/光熱耦合驅(qū)動(dòng)的污水處理方法，其特征在于：借助光伏板的廢熱加熱待處理污水使污水釋放出水蒸氣和VOCs的混合氣體；電解所述混合氣體降解所述VOCs；所述電解裝置與光伏板集成，電解裝置包括陽極和陰極，光伏板為所述電解裝置供電，所述光伏板的熱量用于加熱待處理污水和促進(jìn)陰極反應(yīng)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的將光伏/光熱耦合驅(qū)動(dòng)的污水處理方法，其特征在于：所述電解裝置的陰極材料為Mxene材料中的Ti3C2，所述Ti3C2將雙氧水轉(zhuǎn)換為羥基自由基，所述羥基自由基用于降解VOCs；所述Ti3C2的制備方法為：將Ti3AlC2置于酸溶液中進(jìn)行酸刻蝕，去除Ti3AlC2中的Al元素，獲得Ti3C2材料；酸刻蝕時(shí)間為4h，刻蝕溫度為80℃，所述酸溶液為30mol/L的氫氟酸溶液；采用激光刻蝕的方式對獲得的Ti3C2材料造Ti缺陷，獲得Ti缺陷-Ti3C2材料。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了解決現(xiàn)有技術(shù)中VOCs降解效率低的問題，提供了一種光伏/光熱耦合驅(qū)動(dòng)的污水處理裝置及方法，該裝置或方法通過將光伏板與電解裝置集成使光伏裝置為電解裝置供電，且利用光伏裝置的熱量加熱污水，使污水轉(zhuǎn)換為氣態(tài)水，并使污水中的VOCs以氣體狀態(tài)逃逸，通過電解裝置處理氣態(tài)的水和氣態(tài)的VOCs，避免了將電解裝置置于水中導(dǎo)致的VOCs降解不徹底和電解裝置易被腐蝕的問題，光伏板的熱量能夠降低氧化還原反應(yīng)的能壘，提升H2O2生產(chǎn)效率。
基于上述目的，本發(fā)明一方面提供了一種光伏/光熱耦合驅(qū)動(dòng)的污水處理裝置，裝置包括容器、光伏板、導(dǎo)水帶和電解裝置，容器用于容納待處理污水；光伏板用于置于所述容器的開口處，吸收太陽光轉(zhuǎn)換為電能，所述光伏板密封所述容器的開口使所述容器內(nèi)空間密閉；導(dǎo)水帶用于將待處理污水輸送至光伏板處，所述光伏板對污水進(jìn)行加熱蒸發(fā)產(chǎn)生水蒸氣，并揮發(fā)出待處理污水中的VOCs；電解裝置置于容器內(nèi)且置于待處理污水水面上方，所述電解裝置包括陰極和陽極，在所述陰極處，氧氣得電子轉(zhuǎn)換為雙氧水，雙氧水與金屬離子反應(yīng)得到羥基自由基，所述羥基自由基用于降解水中VOCs。電解裝置電解的是光伏裝置加熱污水所產(chǎn)生的氣體，電解裝置所需的氧氣可通過曝氣裝置輸送。該電解裝置無需置于污水中，減少了被污水腐蝕的可能性，電解裝置電解氣態(tài)的VOCs，相較于電解水體中的VOCs，可避免VOCs溢出空氣中，導(dǎo)致空氣污染；該裝置集成了光伏板，光伏板一方面可通過綠色環(huán)保的方式為電解裝置提供電源，另一方面為污水轉(zhuǎn)換為氣態(tài)水提供熱量，再一方面還可以降低氧化還原反應(yīng)能壘，提高反應(yīng)效率。
作為一種優(yōu)選方案，本發(fā)明中的電解裝置的陰極處通入氧氣或向水中爆入氧氣，氧氣釋放至電解裝置所處的空間內(nèi)并在陰極處反應(yīng)，氧氣在陰極處轉(zhuǎn)換為雙氧水，雙氧水與陰極電極材料作用產(chǎn)生羥基自由基，羥基自由基用于降解揮發(fā)的VOCs氣體。
作為一種優(yōu)選方案，本發(fā)明中的陰極材料為Mxene材料中的Ti3C2，該材料不僅具有氧化還原性，能夠?qū)㈦p氧水持續(xù)不斷的轉(zhuǎn)換為羥基自由基，而且具有良好的導(dǎo)電性和二維層狀結(jié)構(gòu)，可自由流動(dòng)電子，增加電子傳輸能力，無需額外電子傳輸材料。在陰極處發(fā)生的反應(yīng)如下：
O2+2H++2e→H2O2式一
Ti3++H2O2→Ti4++OH-+·OH式二
Ti4++e→Ti3+式三
作為一種優(yōu)選方案，本發(fā)明中的陽極材料為Cu、Pt、Ti、Ni、石墨中的一種，在陽極處發(fā)生反應(yīng)：2H2O-2e→O2+4H+，在陰極和陽極之間設(shè)置有隔膜，隔膜用于陰極和陽極之間實(shí)現(xiàn)質(zhì)子交換。
作為一種優(yōu)選方案，本發(fā)明中的導(dǎo)水帶為柔性材料，至少一端延伸至污水中，中間區(qū)域貼合在光伏板背側(cè)，光伏板加熱該區(qū)域的導(dǎo)水帶，使水轉(zhuǎn)換為氣態(tài)水，同時(shí)釋放水中的VOCs氣體，本發(fā)明中的導(dǎo)水帶通過輸水通道或毛細(xì)作用力將吸水的污水輸送至中間區(qū)域，為中間區(qū)域源源不斷的提供水分。作為一種優(yōu)選，導(dǎo)水帶為吸水棉布，該棉布的周側(cè)均豎直向下延伸至水體中，中間區(qū)域貼合在光伏板背光側(cè)，棉布與水面形成一容納腔，該容納腔優(yōu)選為封閉空間，電解裝置設(shè)置在該空間內(nèi)，該設(shè)置一方面使蒸發(fā)的水或VOCs均落入該空間，有利于與電解裝置充分接觸，使VOCs降解，另一方面有利于存儲光伏板所產(chǎn)生的熱量，使電解裝置置于較高溫度空間內(nèi)，降低電解裝置的反應(yīng)能壘，增加羥基自由基的生產(chǎn)效率。
作為一種優(yōu)選方案，電解裝置的陰極和陽極上下相對設(shè)置，其中陰極在上，且靠近光伏板，其與光伏板之間的距離以1～10cm為優(yōu)，在該距離內(nèi)光伏板加熱產(chǎn)生的氣體首選與陰極接觸，并及時(shí)反應(yīng)，另外光伏板的熱量也能夠第一時(shí)間傳遞至陰極，提升陰極反應(yīng)的效率。
作為一種優(yōu)選方案，陰極和陽極之間的隔膜為全氟質(zhì)子交換膜，所述隔膜為陰極和陽極反應(yīng)提供離子通道。
作為一種優(yōu)選方案，陰極電極材料Ti3C2的制備方法為：通過酸刻蝕Ti3AlC2獲得的Ti3C2材料；酸刻蝕技術(shù)用酸為氫氟酸、硫酸、硝酸中的一種或幾種，這幾種酸具有強(qiáng)氧化性能，不僅可與Ti3AlC2中的Al元素發(fā)生反應(yīng)，去除Al元素，獲得Ti3C2材料，而且使形成的Ti3C2材料為二維層狀的MXene材料，有利于電子傳輸；所述的酸刻蝕時(shí)間為0.5～48h，充足的刻蝕時(shí)間，可確保Ti3AlC2中Al元素的有效去除，低于該時(shí)間無法有效刻蝕去除Al元素，高于該時(shí)間會破壞生成的Ti3C2材料結(jié)構(gòu)，使其導(dǎo)電性能受損；所述的酸刻蝕溫度為40～180℃，通過調(diào)控刻蝕溫度，以確保Al元素充分的去除，低于該溫度會影響刻蝕效率，高于該溫度導(dǎo)致高溫副反應(yīng)產(chǎn)生，影響材料的質(zhì)量；所述的酸氧化刻蝕用酸濃度為1～30mol/L，通過調(diào)控酸濃度，可確保Al元素充分的去除。
作為一種優(yōu)選方案，陽極材料為Cu、Pt、Ti、Ni、石墨中的一種；
作為一種優(yōu)選方案，光伏板為單晶硅、多晶硅、非晶硅、多元化合物中的一種；
另一方面，本發(fā)明提供了一種將光伏/光熱耦合驅(qū)動(dòng)的污水處理方法，該方法首先將污水加熱蒸發(fā)，使水轉(zhuǎn)換為水蒸氣并釋放水中有機(jī)污染物VOCs，通過電解裝置處理所釋放的混合氣體，混合氣體中含水蒸氣、VOCs和氧氣，電解裝置包括陰極和陽極，在陰極處氧氣轉(zhuǎn)換為雙氧水，雙氧水與陰極電極材料反應(yīng)得到羥基自由基，羥基自由基用于降解釋放的VOCs。
作為一種優(yōu)選方案，陰極電極材料為Ti3C2，且Ti3C2為MXene材料。
本發(fā)明所產(chǎn)生的有益效果包括：(1)本發(fā)明提供了光伏/光熱耦合驅(qū)動(dòng)的污水處理裝置，該裝置實(shí)質(zhì)是一種光伏/光熱耦合驅(qū)動(dòng)非接觸式Ti3C2基電芬頓處理VOCs污水裝置，該裝置通過將光伏技術(shù)、光熱技術(shù)和電芬頓技術(shù)高效結(jié)合，形成光電/光熱-芬頓降解手段，顯著提高污水中VOCs的原位高效處理能力，呈現(xiàn)出了結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉和效果顯著等優(yōu)勢。
(2)本發(fā)明以綠色可再生的太陽能作為唯一能量來源，以低碳環(huán)保的光伏板提供電能取代傳統(tǒng)電芬頓裝置中的外部電源，同時(shí)巧妙且高效地借助光伏板產(chǎn)生的廢熱降低氧還原反應(yīng)能壘，增加H2O2產(chǎn)量，并利用Ti3C2材料的高導(dǎo)電性和Ti4+/Ti3+之間的價(jià)態(tài)變化，實(shí)現(xiàn)·OH的高效生產(chǎn)，提升裝置的工作效率。此外，新型非接觸式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可避免極板材料與VOCs污水直接接觸，進(jìn)而可確保整體裝置長效穩(wěn)定運(yùn)行。
(3)本發(fā)明提供的VOCs污水原位處理裝置，可作為移動(dòng)污水處理器，結(jié)構(gòu)靈活，便于運(yùn)輸和組裝，在近零能耗情況下達(dá)到了VOCs污水的無害化處理，適應(yīng)當(dāng)今市場的需求，具有廣泛的市場前景和顯著的社會效益。
（發(fā)明人：徐煒超）
