專利名稱：一體化太陽(yáng)能光電水處理裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及污水處理領(lǐng)域，尤其涉及一種一體化的太陽(yáng)能光電水處理裝置。
背景技術(shù)：
隨著廢水處理技術(shù)的發(fā)展和完善，成分簡(jiǎn)單、生物降解性好的有機(jī)廢水已能得到 有效的控制，其中生物法是目前消除生活和工業(yè)廢水中有機(jī)污染物最經(jīng)濟(jì)、最有效的方法。 然而隨著石油化工、醫(yī)藥、農(nóng)藥和燃料工業(yè)的迅速發(fā)展，工業(yè)廢水中難降解有機(jī)化合物的數(shù) 量與種類與日倶增，特別是含有高濃度的芳香族化合物，如酚類屬(三致)物質(zhì)等，毒性很 大，用一般生物降解方法難以直接去除。而另一方面國(guó)家對(duì)污染物排放的限制標(biāo)準(zhǔn)越來(lái)越 高，因此迫切需要研究廢水處理新方法和新技術(shù)。 近年來(lái)發(fā)展了一些氧化技術(shù)，如化學(xué)氧化法、光化學(xué)氧化法、催化氧化法、電化學(xué) 氧化法等。水處理電化學(xué)氧化技術(shù)和光電催化氧化技術(shù)都屬于高級(jí)氧化技術(shù)(Advanced Oxidation Processes, A0Ps)，能夠產(chǎn)生羥基自由基、過(guò)氧化氫和臭氧等強(qiáng)氧化劑，不僅能 夠殺菌消毒，而且可以實(shí)現(xiàn)有機(jī)污染物的快速降解甚至徹底礦化。高級(jí)氧化技術(shù)尤其是電 化學(xué)和光電催化氧化技術(shù)不同于生物處理方法，它們易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，便于操作，是典型的 有直接應(yīng)用前景的水處理及水質(zhì)凈化技術(shù)。由于可有效處理難生物降解有機(jī)廢水、操作簡(jiǎn) 便易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、環(huán)境兼容性好，因此電化學(xué)氧化技術(shù)是目前電化學(xué)廢水處理技術(shù)的重要 發(fā)展方向。然而，對(duì)于電化學(xué)氧化過(guò)程，在有機(jī)污染物的降解過(guò)程中易產(chǎn)生醌類物質(zhì)的累 積，而醌類物質(zhì)及芳香類物質(zhì)的開(kāi)環(huán)反應(yīng)是一系列反應(yīng)中最慢的反應(yīng)步驟，同時(shí)醌類物質(zhì) 的毒性可能比原始有機(jī)污染物的毒性更強(qiáng)。從這一點(diǎn)上來(lái)說(shuō)，提高電化學(xué)氧化過(guò)程的氧化 效率，使醌類物質(zhì)快速去除是當(dāng)務(wù)之急。此外，支持電化學(xué)氧化過(guò)程和紫外光輻射產(chǎn)生的能 源一般來(lái)自電網(wǎng)輸送的電能，這就使得電化學(xué)氧化技術(shù)和光電催化氧化技術(shù)的應(yīng)用受到一 定的限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的光電一體化水處理裝置，它能 全部或部分地利用太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化的電能來(lái)驅(qū)動(dòng)電化學(xué)氧化過(guò)程、光電催化氧化過(guò)程和紫外光 輻射系統(tǒng)，藉以實(shí)現(xiàn)受污染水質(zhì)的原水或廢水的全自動(dòng)化殺菌消毒和有機(jī)無(wú)機(jī)污染物的降 解和去除。 為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案，
—種一體化太陽(yáng)能光電水處理裝置包括
至少一組太陽(yáng)能電池組件及相應(yīng)的電流控制器；
至少一組蓄電池組； 至少一組對(duì)應(yīng)的光電極(陽(yáng)極)和對(duì)電極(陰極)或三維電極；
至少一只紫外光燈；
至少一個(gè)電解槽；
所述光電極和對(duì)電極對(duì)應(yīng)地設(shè)置于電解槽中，該電解槽設(shè)置有進(jìn)水口和出水口 ， 所述光電極為紫外光或/和可見(jiàn)光催化活性光電極；所述紫外燈用于照射光電極；所述太 陽(yáng)能電池組件將接收的太陽(yáng)光能轉(zhuǎn)化為電能后輸送、存儲(chǔ)于蓄電池組，該蓄電池組間歇或 連續(xù)地為紫外燈和/或電極對(duì)供電。 在本發(fā)明裝置中將光催化與電化學(xué)聯(lián)用，主要是通過(guò)固定化技術(shù)把半導(dǎo)體光催化 劑負(fù)載在導(dǎo)電基體上制成光電極，太陽(yáng)能電池組件產(chǎn)生電能，經(jīng)由控制器(控制器的作用 是控制整個(gè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并對(duì)蓄電池起到過(guò)充電保護(hù)、過(guò)放電保護(hù)的作用；在溫差較大 的地方，合格的控制器還應(yīng)具備溫度補(bǔ)償?shù)墓δ埽黄渌郊庸δ苋绻饪亻_(kāi)關(guān)、時(shí)控開(kāi)關(guān)都應(yīng) 當(dāng)是控制器的可選項(xiàng)；)和蓄電池組來(lái)調(diào)配日夜間的電能分配，驅(qū)動(dòng)電極發(fā)生電化學(xué)氧化 過(guò)程并將紫外光輻射施加在盡可能大的電極表面上產(chǎn)生光電催化氧化過(guò)程，同時(shí)光電催化 產(chǎn)生的氧化性很強(qiáng)的H0 自由基能迅速降解有機(jī)污染物和殺滅細(xì)菌病毒。
適用于難降解有機(jī)物的電化學(xué)氧化處理的陽(yáng)極材料一般需要滿足導(dǎo)電性好、電能 損耗較小；穩(wěn)定性好，耐酸堿腐蝕；能承受一定的溫度；吸附性能較好；電催化活性高等條 件。 所述光電極為負(fù)載有光催化材料的DSA、 Pb02、 Sn02、 Sb203、 Ru02、 W03、 Ti02、 Ir02、 Bi203電極，或?yàn)樯鲜鼋饘傺趸锏膹?fù)合電極。 在電極上負(fù)載光催化材料(電極修飾)，可以通過(guò)化學(xué)的、物理化學(xué)的方法進(jìn)行。 在電極表面上造成某種微結(jié)構(gòu)，賦予電極預(yù)定的功能，可以有選擇地在電極上進(jìn)行所期望 的反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)電極的功能設(shè)計(jì)。該過(guò)程能大大減少催化劑用量，提高催化效率。對(duì)電極 進(jìn)行修飾的方法可分為以下幾種電鍍、化學(xué)鍍或復(fù)合鍍的方法、熱分解的方法、離子注入、 噴涂等物理方法。電鍍是住直流電的作用下，將修飾物沉積在電極表面。通過(guò)控制適當(dāng)?shù)?電鍍條件，如PH值、電流密度、溫度及電鍍液的配方，能夠得到比基體電極更高催化活性的 金屬合金鍍層?；瘜W(xué)鍍是在沒(méi)有外電流通過(guò)，利用還原劑將鍍液中的金屬離子還原沉積在 電極表面，使之形成金屬鍍層；化學(xué)鍍正需復(fù)雜的電解設(shè)備，且具有鍍層均勻，耐蝕性好等 優(yōu)點(diǎn)，復(fù)合鍍是將少量不溶于鍍液的固體微粒與被鍍金屬起沉積在被修飾的電極上，從而 形成具有特殊機(jī)能的復(fù)合鍍層；熱分解法是被修飾的電極表面涂覆一層一定濃度的金屬鹽 溶液，然后在特定條件下加熱，使金屬鹽溶液分解為會(huì)屬氧化物或金屬硫化物等附著于電 極表面并作為催化活性物質(zhì)修飾電極；用物理方法修飾電極具有其特有的優(yōu)點(diǎn)，如修飾層 厚度均勻，與載體結(jié)合力好，通常不受被修飾物種類的限制等。 在所述太陽(yáng)能光電水處理裝置中設(shè)置有向電極對(duì)和/或紫外燈供電的外接電源 接口 ；當(dāng)太陽(yáng)能電池能量不足時(shí)，可轉(zhuǎn)換為線路供電，實(shí)現(xiàn)光電互補(bǔ)，在任何天氣條件下保 證電解池正常工作。 所述光電極為網(wǎng)狀、片狀、塊狀、線狀、筒狀中的任意一種。 為了提高電極比表面積，可以把電極做成多孔狀、網(wǎng)狀、球狀、環(huán)狀等多種形狀、也 可以采用三維電極反應(yīng)器，三維電極是在傳統(tǒng)二維電極之間填裝粒狀或者其他碎屑狀工作 電極材料，并使填裝的電極材料表面帶電而改進(jìn)形成的，三維電極具有很大的比表面積，能 以較低的電流密度提供較大的電流強(qiáng)度，能用于處理重金屬離子廢水。 所述對(duì)電極與光電極相對(duì)應(yīng)平行設(shè)置或同軸心設(shè)置，兩者間距為10 200mm，所 述對(duì)電極由不銹鋼、碳纖維、石墨、鎳、鈦、鐵、鋁中的任意一種制成。
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所述電極對(duì)的工作電壓為0 < 20V，電流密度為0 < 30mA/cm2。 所述紫外燈所處位置可使其發(fā)出的紫外光垂直照射于光電極上，以使光電極獲得
最大的光照度。 所述電解槽為長(zhǎng)方體狀或筒狀。 所述一體化太陽(yáng)能光電水處理裝置運(yùn)行時(shí)，將被處理的原水或廢水以間歇或連 續(xù)、循環(huán)的方式輸入電解槽中，需要時(shí)可向被處理廢水或原水中添加導(dǎo)電介質(zhì)，增強(qiáng)溶液的 導(dǎo)電性，即可實(shí)現(xiàn)原水或廢水處理的自動(dòng)化操作。水流深度一般控制在50cm以內(nèi)，水流寬 度為紫外燈發(fā)出的紫外光所能照射的范圍，電解槽投影形狀宜采用方形設(shè)計(jì)，必要時(shí)可設(shè) 置成有一定坡度的斜面形狀，還可以將電極和紫外光設(shè)計(jì)成同軸圓筒形。
所述電解槽為敞口式，可使光電極接收到太陽(yáng)光。 太陽(yáng)光是一種取之不盡、用之不竭的能源，陽(yáng)光中有4 6%的光能激發(fā)催化劑，
對(duì)于露天反應(yīng)池系統(tǒng)，可使太陽(yáng)光直照反應(yīng)池，其紫外光部分可作為光催化光源被直接利
用。同時(shí)系統(tǒng)中的太陽(yáng)能光電池系統(tǒng)將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能為安裝在電解槽中紫外燈供電，
形成第二光催化光源。 本發(fā)明具有積極有益的效果 1.該裝置整合了光化學(xué)氧化和電化學(xué)氧化過(guò)程，既能夠產(chǎn)生加強(qiáng)、協(xié)同作用，提高 水處理效率，又可以單獨(dú)發(fā)揮光化學(xué)氧化或電化學(xué)氧化過(guò)程得作用實(shí)現(xiàn)水質(zhì)凈化。發(fā)明人 以商品化DSA電極為光電極，以l，4-苯醌為模型污染物進(jìn)行了光電催化降解，結(jié)果表明，光 電催化氧化過(guò)程的TOC去除率是單獨(dú)光催化氧化和電催化氧化過(guò)程之和的1. 25倍，光電催 化降解過(guò)程具有更高的降解效率，證明光催化氧化和電催化氧化過(guò)程的耦合產(chǎn)生了一定的 協(xié)同作用；以電化學(xué)氧化作用為主導(dǎo)的光助電催化氧化過(guò)程能夠高效產(chǎn)生羥基自由基，降 解效率可調(diào)，在水處理中極具實(shí)用價(jià)值。 2.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造成本低，操作安全簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和安全維護(hù)，能夠全部 或部分地利用太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化的電能來(lái)驅(qū)動(dòng)整個(gè)水處理過(guò)程，解決了光電催化水處理過(guò)程對(duì)能 源高度依賴的問(wèn)題，運(yùn)行中可以不依賴現(xiàn)有電網(wǎng)。 3.本發(fā)明裝置能量效率高，反應(yīng)條件溫和，一般在常溫常壓下即可進(jìn)行。 4.適用于有毒、生物難以降解的污染物、污水的后續(xù)深度處理等。 5.使用清潔能源太陽(yáng)能，可同時(shí)處理多種有機(jī)和無(wú)機(jī)污染物，并達(dá)到殺菌消毒的
效果，是一種綠色環(huán)保的水處理技術(shù)和裝置。如果全部或部分使用太陽(yáng)能來(lái)驅(qū)動(dòng)電化學(xué)氧
化過(guò)程、光電催化氧化過(guò)程和紫外光輻射，那么水質(zhì)凈化和殺菌消毒就會(huì)變得不受地域和
時(shí)間的限制，不僅易于完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，而且變得更加便捷、經(jīng)濟(jì)。


圖1為一種一體化的太陽(yáng)能光電水處理裝置。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1 一體化太陽(yáng)能光電水處理裝置，參見(jiàn)圖l，包括一組太陽(yáng)能電池組件 (8W)2及相應(yīng)的控制器3(power su卯ly Co. ，Ltd)、一組蓄電池組4、一組對(duì)應(yīng)的光電極5和 對(duì)電極6、一只紫外光燈7、一個(gè)長(zhǎng)方體狀電解槽9 ;光電極5和對(duì)電極6對(duì)應(yīng)地設(shè)置于電解槽中9，光電極5位于對(duì)電極6的上方，二者間距20cm，該電解槽9設(shè)置有進(jìn)水口 10和出水 口 11，光電極為紫外光或/和可見(jiàn)光催化活性光電極；所述紫外燈7用于照射光電極5，向 光電極5和待處理的原水或廢水8提供紫外輻射；所述太陽(yáng)能電池組件2將接收的太陽(yáng)光 能1轉(zhuǎn)化為電能后輸送、存儲(chǔ)于蓄電池組4，該蓄電池組4間歇或連續(xù)地為紫外燈和/或電 極對(duì)供電。 利用上述處理裝置在室內(nèi)弱光條件下直接電化學(xué)氧化處理酸性橙II (偶氮染料) 模擬廢水，使用商品化的太陽(yáng)能電池組件2，光電極5為DSA電極，以鈦網(wǎng)為對(duì)電極6，未開(kāi) 啟紫外燈7，初始濃度10mg/L，氯化鈉濃度為0. lmol/L， p朋.8，色度去除率在反應(yīng)時(shí)間為 5min、30min和60min時(shí)分別達(dá)到2. 1%、10. 9%和24. 7%。 實(shí)施例2利用實(shí)施例1中所述一體化太陽(yáng)能光電水處理裝置在室外太陽(yáng)光照射 (2009年9月15日l(shuí)l:OO至13:00，鄭州，東經(jīng)113. 42° ，北諱34.48° )條件下直接電化 學(xué)氧化處理酸性橙II(偶氮染料)模擬廢水，使用商品化太陽(yáng)能電池組件(8W)，以商品化 DSA電極為工作電極，以鈦網(wǎng)為對(duì)電極，初始濃度10mg/L，氯化鈉濃度為0. lmol/L， p朋.8， 色度去除率在反應(yīng)時(shí)間為5min時(shí)已經(jīng)達(dá)到100%。 實(shí)施例3 —體化太陽(yáng)能光電水處理裝置與實(shí)施例1基本相同，利用該裝置在室外 太陽(yáng)光照射(2009年9月15日11:00至13:00，鄭州)條件下直接電化學(xué)氧化處理酸性橙 II(偶氮染料)模擬廢水使用商品化太陽(yáng)能電池組件(8W)，以商品化DSA電極為工作電極， 以鈦網(wǎng)為對(duì)電極，初始濃度10mg/L，未添加氯化鈉等電解質(zhì)，pH 6.8，色度去除率在反應(yīng)時(shí) 間為5min、30min和60min時(shí)分別達(dá)到22. 1 % 、74. 1 %和91. 8% 。 實(shí)施例4 一體化太陽(yáng)能光電水處理裝置與實(shí)施例1基本相同，利用該裝置在室外 太陽(yáng)光照射(2009年9月15日11:00至13:00，鄭州)條件下直接電化學(xué)氧化處理酸性橙 II(偶氮染料)模擬廢水，使用商品化太陽(yáng)能電池組件(8W)，以商品化DSA電極為工作電 極，以鈦網(wǎng)為對(duì)電極，開(kāi)啟紫外燈，初始濃度10mg/L，未添加氯化鈉等電解質(zhì)，pH6. 8，色度去 除率在反應(yīng)時(shí)間為5min時(shí)已經(jīng)達(dá)到100%。 實(shí)施例5 —體化太陽(yáng)能光電水處理裝置與實(shí)施例1基本相同，利用該裝置取生活 飲用原水，添加含菌水配成待處理原水，處理前細(xì)菌總數(shù)為6Xl(f個(gè)/mL，用如實(shí)施例4的 條件進(jìn)行處理，處理時(shí)間60min，細(xì)菌總數(shù)變?yōu)?。 實(shí)施例6—體化太陽(yáng)能光電水處理裝置與實(shí)施例l基本相同，不同之處在于所用 光電極為Ti02電極，所述電極由碳纖維制成。 實(shí)施例7—體化太陽(yáng)能光電水處理裝置與實(shí)施例l基本相同，不同之處在于在兩 電極之間填裝粒狀或者其他碎屑狀工作電極材料，形成三維電極。 實(shí)施例8—體化太陽(yáng)能光電水處理裝置與實(shí)施例l基本相同，不同之處在于設(shè)置 有兩組太陽(yáng)能電池組；兩個(gè)電解槽前后串聯(lián)在一起，每個(gè)電解槽中均設(shè)置有相應(yīng)的電極和 紫外燈。 實(shí)施例9一體化太陽(yáng)能光電水處理裝置與實(shí)施例l基本相同，不同之處在于電解 槽、電極均為同軸圓筒狀，光電極在外側(cè)，對(duì)電極在內(nèi)側(cè)。
權(quán)利要求
一種一體化太陽(yáng)能光電水處理裝置，其特征在于，它包括至少一組太陽(yáng)能電池組件及相應(yīng)的控制器；至少一組蓄電池組；至少一組對(duì)應(yīng)的光電極和對(duì)電極或三維電極；至少一只紫外光燈；至少一個(gè)電解槽；所述光電極和對(duì)電極對(duì)應(yīng)地設(shè)置于電解槽中，該電解槽設(shè)置有進(jìn)水口和出水口，所述光電極為紫外光或/和可見(jiàn)光催化活性光電極；所述紫外燈用于照射光電極；所述太陽(yáng)能電池組件將接收的太陽(yáng)光能轉(zhuǎn)化為電能后輸送、存儲(chǔ)于蓄電池組，該蓄電池組間歇或連續(xù)地為紫外燈和/或電極對(duì)供電。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一體化太陽(yáng)能光電水處理裝置，其特征在于，所述光電極為負(fù) 載有光催化材料的DSA、 Pb02、 Sn02、 Sb203、 Ru02、 W03、 Ti02、 Ir02、 Bi203電極，或?yàn)樯鲜鼋饘傺?化物的復(fù)合電極。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述一體化太陽(yáng)能光電水處理裝置，其特征在于，所述光電極為網(wǎng) 狀、片狀、塊狀、線狀、筒狀中的任意一種。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述一體化太陽(yáng)能光電水處理裝置，其特征在于，在所述太陽(yáng)能光 電水處理裝置中設(shè)置有向電極對(duì)和/或紫外燈供電的外接電源接口。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1 4任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述一體化太陽(yáng)能光電水處理裝置，其特征 在于，所述對(duì)電極與光電極相對(duì)應(yīng)平行設(shè)置或同軸心設(shè)置，兩者間距為10 200mm，所述對(duì) 電極由不銹鋼、碳纖維、石墨、鎳、鈦、鐵、鋁中的任意一種制成。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述一體化太陽(yáng)能光電水處理裝置，其特征在于，所述電極對(duì)的工 作電壓為0 < 20V，電流密度為0 < 30mA/cm2。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述一體化太陽(yáng)能光電水處理裝置，其特征在于，所述紫外燈所處 位置可使其發(fā)出的紫外光垂直照射于光電極上，以使光電極獲得最大的光照度。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述一體化太陽(yáng)能光電水處理裝置，其特征在于，所述電解槽為長(zhǎng) 方體狀或筒狀。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述一體化太陽(yáng)能光電水處理裝置，其特征在于，所述一體化太陽(yáng) 能光電水處理裝置運(yùn)行時(shí)，將被處理的原水或廢水以間歇或連續(xù)、循環(huán)的方式輸入電解槽 中，需要時(shí)可向被處理廢水或原水中添加導(dǎo)電介質(zhì)，增強(qiáng)溶液的導(dǎo)電性。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述一體化太陽(yáng)能光電水處理裝置，其特征在于，所述電解槽為敞 口式，可使光電極接收到太陽(yáng)光。
全文摘要
本發(fā)明涉及一體化的太陽(yáng)能光電水處理裝置。其包括負(fù)載有光催化材料的電極對(duì)或三維電極及電解槽、蓄電池組、太陽(yáng)能電池組件及相應(yīng)控制器、紫外光燈；紫外燈用于照射光電極；太陽(yáng)能電池組件將接收的太陽(yáng)光能轉(zhuǎn)化為電能后輸送、存儲(chǔ)于蓄電池組，間歇或連續(xù)地為紫外燈和/或電極對(duì)供電。本發(fā)明整合了光化學(xué)氧化和電化學(xué)氧化過(guò)程，二者產(chǎn)生加強(qiáng)、協(xié)同作用，可提高水處理效率，也可單獨(dú)發(fā)揮光化學(xué)氧化或電化學(xué)氧化過(guò)程的作用實(shí)現(xiàn)水質(zhì)凈化，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造成本低，操作安全簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和安全維護(hù)，能夠全部或部分地利用太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化的電能來(lái)驅(qū)動(dòng)整個(gè)水處理過(guò)程，解決了光電催化水處理過(guò)程對(duì)能源高度依賴的問(wèn)題，運(yùn)行中可以不依賴現(xiàn)有電網(wǎng)。
文檔編號(hào)C02F1/32GK101693560SQ20091006621
公開(kāi)日2010年4月14日 申請(qǐng)日期2009年10月21日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月21日
發(fā)明者吳本來(lái), 李發(fā)站, 李國(guó)亭, 王海榮, 趙旭, 郭宇杰 申請(qǐng)人:華北水利水電學(xué)院;