[发明专利]一种污水处理协同发电并产燃料的电化学工艺及装置

说明书

一种污水处理协同发电并产燃料的电化学工艺及装置，采用钌钴基、钌铜基催化剂中的至少一种电催化驱动肼氧化、硝酸盐还原和氢析出反应，组装由工业废肼和硝酸盐废液组成的肼‑硝酸盐电池，用于发电和产氨。不仅如此，产生的电力还可以额外驱动肼污水电解槽，从而实现产氢。

技术领域

本发明涉及电化学污水处理技术领域，尤其涉及一种可同时处理肼污水和硝酸盐污水并同时产电、产氨和产氢的电化学工艺和反应装置。

背景技术

近些年来，城市化、农业化和工业化的快速发展带来了一系列问题，如温室效应、大气污染和环境污染等。其中工农业和城市生活污水的直接排放会严重污染地表水资源，从而导致生态系统失衡，因此现在污染物排放的标准变得越来越严格。目前工农业和城市生活污水中的污染物主要包括有机物、重金属离子、含硫盐、含氮盐和含磷盐等。由于污水中含有许多对人体和动植物有毒有害的物质，因此直接污水排放不仅会直接危害地球上的生命体，还会对生态环境造成难以估量的危害。传统的污水处理工艺包含生物酶催化法、物理多重蒸发结晶技术和化学芬顿反应等，这些处理方法不可避免地涉及到复杂的分离工艺、额外的能量消耗和化学试剂使用，从而会增加污水处理成本。此外，传统方法中污染物的移除效率也不尽如人意。鉴于此，我们亟需开发一种新型高效的污水处理技术及其工艺。

近年来，电化学污水处理方法受到了人们的高度重视。相较于传统的物理、化学及生物方法处理污水，电化学水处理方法具有反应速率快、产物选择性可控和污水净化效率高等优势。但该方法所用的电解槽存在体积容量小、欧姆阻抗大和废液处理单一等问题，从而导致该方法往往会消耗过多的电能、需要设计液体高通量流动的电解槽以及特定的电极催化剂，因此该技术在经济和技术上仍不适合作为独立的污水处理工艺。

发明内容

本发明的目的在于解决现有电化学技术在污水处理方向上的不足，提供一种污水处理协同发电并产燃料的电化学工艺及装置，可同时处理肼和硝酸盐污水并协同产电、产氨和产氢，达到自发净化两种废液并同时发电和生产燃料的目的。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种污水处理协同发电并产燃料的电化学工艺，包括以下步骤：

1)采用紧贴式的膜电极流动反应器构建肼-硝酸盐电池和肼电解槽；

2)采用钌钴铜基催化剂驱动肼氧化、硝酸盐还原和氢析出反应；所述钌钴铜基催化剂为钌钴基、钌铜基催化剂中的至少一种；

3)在钌钴铜基催化剂作用下采用混合搅拌的方式高度净化肼和硝酸盐污水，所述肼和硝酸盐污水的浓度范围均为0.01～2000mM。

1、本发明中膜电极流动反应器的组装：

本发明中组装双极板-阴极集流体-隔膜-阳极集流体-双极板的紧贴式的膜电极流动反应器。该组件的双极板材料可以选择钛板、不锈钢板、石墨板或有机玻璃板；所述双极板上设有流道，流道的两端为进、出液口；液体流道可以选择全镂空通道或蛇形通道；隔膜可以选择阳离子交换膜、质子交换膜、阴离子交换膜或玻纤隔膜；进、出液口可以选择铁制或塑料材质的外螺纹宝塔接头或快插接头；导线可以选择钛、银或铜线；双极板间需添加硅胶垫片。最后在两块双极板四周开孔，并选择合适的塑料或不锈钢螺栓和螺母拧紧从而固定膜电极流动反应器；所述阴极集流体和阳极集流体上负载有所述钌钴铜基催化剂。

2、本发明中催化剂的选择和合成：

本发明中采用驱动肼氧化、硝酸盐还原和氢析出反应的催化剂是钌钴铜金属为主的氧化物、氢氧化物、金属以及它们的复合材料等。它们可以直接原位生长在集流体上，也可以采用喷涂热压的方式覆盖在集流体上。集流体可以选择碳纸、碳毡、碳布、泡沫镍、泡沫钴、泡沫铜、泡沫铁、泡沫钛、镍网、钴网、铜网、铁网和钛网等。