申请日2009.10.21
公开(公告)日2010.04.14
IPC分类号C02F1/461; H02J7/00; C02F1/32; C02F1/467
摘要
本发明涉及一体化的太阳能光电水处理装置。其包括负载有光催化材料的电极对或三维电极及电解槽、蓄电池组、太阳能电池组件及相应控制器、紫外光灯;紫外灯用于照射光电极;太阳能电池组件将接收的太阳光能转化为电能后输送、存储于蓄电池组，间歇或连续地为紫外灯和/或电极对供电。本发明整合了光化学氧化和电化学氧化过程，二者产生加强、协同作用，可提高水处理效率，也可单独发挥光化学氧化或电化学氧化过程的作用实现水质净化，其结构简单，制造成本低，操作安全简单，易于实现自动化和安全维护，能够全部或部分地利用太阳能转化的电能来驱动整个水处理过程，解决了光电催化水处理过程对能源高度依赖的问题，运行中可以不依赖现有电网。
翻译权利要求书
1.一种一体化太阳能光电水处理装置，其特征在于，它包括：
至少一组太阳能电池组件及相应的控制器;
至少一组蓄电池组;
至少一组对应的光电极和对电极或三维电极;
至少一只紫外光灯;
至少一个电解槽;
所述光电极和对电极对应地设置于电解槽中，该电解槽设置有进水口和出水口，所述光电极为紫外光或/和可见光催化活性光电极;所述紫外灯用于照射光电极;所述太阳能电池组件将接收的太阳光能转化为电能后输送、存储于蓄电池组，该蓄电池组间歇或连续地为紫外灯和/或电极对供电。
2.根据权利要求1所述一体化太阳能光电水处理装置，其特征在于，所述光电极为负载有光催化材料的DSA、PbO2、SnO2、Sb2O3、RuO2、WO3、TiO2、IrO2、Bi2O3电极，或为上述金属氧化物的复合电极。
3.根据权利要求2所述一体化太阳能光电水处理装置，其特征在于，所述光电极为网状、片状、块状、线状、筒状中的任意一种。
4.根据权利要求3所述一体化太阳能光电水处理装置，其特征在于，在所述太阳能光电水处理装置中设置有向电极对和/或紫外灯供电的外接电源接口。
5.根据权利要求1～4任意一项权利要求所述一体化太阳能光电水处理装置，其特征在于，所述对电极与光电极相对应平行设置或同轴心设置，两者间距为10～200mm，所述对电极由不锈钢、碳纤维、石墨、镍、钛、铁、铝中的任意一种制成。
6.根据权利要求5所述一体化太阳能光电水处理装置，其特征在于，所述电极对的工作电压为0<～20V，电流密度为0<～30mA/cm2。
7.根据权利要求6所述一体化太阳能光电水处理装置，其特征在于，所述紫外灯所处位置可使其发出的紫外光垂直照射于光电极上，以使光电极获得最大的光照度。
8.根据权利要求7所述一体化太阳能光电水处理装置，其特征在于，所述电解槽为长方体状或筒状。
9.根据权利要求8所述一体化太阳能光电水处理装置，其特征在于，所述一体化太阳能光电水处理装置运行时，将被处理的原水或废水以间歇或连续、循环的方式输入电解槽中，需要时可向被处理废水或原水中添加导电介质，增强溶液的导电性。
10.根据权利要求9所述一体化太阳能光电水处理装置，其特征在于，所述电解槽为敞口式，可使光电极接收到太阳光。
说明书
一体化太阳能光电水处理装置
技术领域
本发明涉及污水处理领域，尤其涉及一种一体化的太阳能光电水处理装置。
背景技术
随着废水处理技术的发展和完善，成分简单、生物降解性好的有机废水已能得到有效的控制，其中生物法是目前消除生活和工业废水中有机污染物最经济、最有效的方法。然而随着石油化工、医药、农药和燃料工业的迅速发展，工业废水中难降解有机化合物的数量与种类与日俱增，特别是含有高浓度的芳香族化合物，如酚类属(三致)物质等，毒性很大，用一般生物降解方法难以直接去除。而另一方面国家对污染物排放的限制标准越来越高，因此迫切需要研究废水处理新方法和新技术。
近年来发展了一些氧化技术，如化学氧化法、光化学氧化法、催化氧化法、电化学氧化法等。水处理电化学氧化技术和光电催化氧化技术都属于高级氧化技术(Advanced Oxidation Processes，AOPs)，能够产生羟基自由基、过氧化氢和臭氧等强氧化剂，不仅能够杀菌消毒，而且可以实现有机污染物的快速降解甚至彻底矿化。高级氧化技术尤其是电化学和光电催化氧化技术不同于生物处理方法，它们易于实现自动化，便于操作，是典型的有直接应用前景的水处理及水质净化技术。由于可有效处理难生物降解有机废水、操作简便易实现自动化、环境兼容性好，因此电化学氧化技术是目前电化学废水处理技术的重要发展方向。然而，对于电化学氧化过程，在有机污染物的降解过程中易产生醌类物质的累积，而醌类物质及芳香类物质的开环反应是一系列反应中最慢的反应步骤，同时醌类物质的毒性可能比原始有机污染物的毒性更强。从这一点上来说，提高电化学氧化过程的氧化效率，使醌类物质快速去除是当务之急。此外，支持电化学氧化过程和紫外光辐射产生的能源一般来自电网输送的电能，这就使得电化学氧化技术和光电催化氧化技术的应用受到一定的限制。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种太阳能驱动的光电一体化水处理装置，它能全部或部分地利用太阳能转化的电能来驱动电化学氧化过程、光电催化氧化过程和紫外光辐射系统，藉以实现受污染水质的原水或废水的全自动化杀菌消毒和有机无机污染物的降解和去除。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案，
一种一体化太阳能光电水处理装置包括：
至少一组太阳能电池组件及相应的电流控制器;
至少一组蓄电池组;
至少一组对应的光电极(阳极)和对电极(阴极)或三维电极;
至少一只紫外光灯;
至少一个电解槽;
所述光电极和对电极对应地设置于电解槽中，该电解槽设置有进水口和出水口，所述光电极为紫外光或/和可见光催化活性光电极;所述紫外灯用于照射光电极;所述太阳能电池组件将接收的太阳光能转化为电能后输送、存储于蓄电池组，该蓄电池组间歇或连续地为紫外灯和/或电极对供电。
在本发明装置中将光催化与电化学联用，主要是通过固定化技术把半导体光催化剂负载在导电基体上制成光电极，太阳能电池组件产生电能，经由控制器(控制器的作用是控制整个系统的工作状态，并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用;在温差较大的地方，合格的控制器还应具备温度补偿的功能;其他附加功能如光控开关、时控开关都应当是控制器的可选项;)和蓄电池组来调配日夜间的电能分配，驱动电极发生电化学氧化过程并将紫外光辐射施加在尽可能大的电极表面上产生光电催化氧化过程，同时光电催化产生的氧化性很强的HO·自由基能迅速降解有机污染物和杀灭细菌病毒。
适用于难降解有机物的电化学氧化处理的阳极材料一般需要满足导电性好、电能损耗较小;稳定性好，耐酸碱腐蚀;能承受一定的温度;吸附性能较好;电催化活性高等条件。
所述光电极为负载有光催化材料的DSA、PbO2、SnO2、Sb2O3、RuO2、WO3、TiO2、IrO2、Bi2O3电极，或为上述金属氧化物的复合电极。
在电极上负载光催化材料(电极修饰)，可以通过化学的、物理化学的方法进行。在电极表面上造成某种微结构，赋予电极预定的功能，可以有选择地在电极上进行所期望的反应，从而实现电极的功能设计。该过程能大大减少催化剂用量，提高催化效率。对电极进行修饰的方法可分为以下几种：电镀、化学镀或复合镀的方法、热分解的方法、离子注入、喷涂等物理方法。电镀是住直流电的作用下，将修饰物沉积在电极表面。通过控制适当的电镀条件，如pH值、电流密度、温度及电镀液的配方，能够得到比基体电极更高催化活性的金属合金镀层。化学镀是在没有外电流通过，利用还原剂将镀液中的金属离子还原沉积在电极表面，使之形成金属镀层;化学镀正需复杂的电解设备，且具有镀层均匀，耐蚀性好等优点，复合镀是将少量不溶于镀液的固体微粒与被镀金属起沉积在被修饰的电极上，从而形成具有特殊机能的复合镀层;热分解法是被修饰的电极表面涂覆一层一定浓度的金属盐溶液，然后在特定条件下加热，使金属盐溶液分解为会属氧化物或金属硫化物等附着于电极表面并作为催化活性物质修饰电极;用物理方法修饰电极具有其特有的优点，如修饰层厚度均匀，与载体结合力好，通常不受被修饰物种类的限制等。
在所述太阳能光电水处理装置中设置有向电极对和/或紫外灯供电的外接电源接口;当太阳能电池能量不足时，可转换为线路供电，实现光电互补，在任何天气条件下保证电解池正常工作。
所述光电极为网状、片状、块状、线状、筒状中的任意一种。
为了提高电极比表面积，可以把电极做成多孔状、网状、球状、环状等多种形状、也可以采用三维电极反应器，三维电极是在传统二维电极之间填装粒状或者其他碎屑状工作电极材料，并使填装的电极材料表面带电而改进形成的，三维电极具有很大的比表面积，能以较低的电流密度提供较大的电流强度，能用于处理重金属离子废水。
所述对电极与光电极相对应平行设置或同轴心设置，两者间距为10～200mm，所述对电极由不锈钢、碳纤维、石墨、镍、钛、铁、铝中的任意一种制成。
所述电极对的工作电压为0<～20V，电流密度为0<～30mA/cm2。
所述紫外灯所处位置可使其发出的紫外光垂直照射于光电极上，以使光电极获得最大的光照度。
所述电解槽为长方体状或筒状。
所述一体化太阳能光电水处理装置运行时，将被处理的原水或废水以间歇或连续、循环的方式输入电解槽中，需要时可向被处理废水或原水中添加导电介质，增强溶液的导电性，即可实现原水或废水处理的自动化操作。水流深度一般控制在50cm以内，水流宽度为紫外灯发出的紫外光所能照射的范围，电解槽投影形状宜采用方形设计，必要时可设置成有一定坡度的斜面形状，还可以将电极和紫外光设计成同轴圆筒形。
所述电解槽为敞口式，可使光电极接收到太阳光。
太阳光是一种取之不尽、用之不竭的能源，阳光中有4～6%的光能激发催化剂，对于露天反应池系统，可使太阳光直照反应池，其紫外光部分可作为光催化光源被直接利用。同时系统中的太阳能光电池系统将太阳能转化为电能为安装在电解槽中紫外灯供电，形成第二光催化光源。
本发明具有积极有益的效果：
1.该装置整合了光化学氧化和电化学氧化过程，既能够产生加强、协同作用，提高水处理效率，又可以单独发挥光化学氧化或电化学氧化过程得作用实现水质净化。发明人以商品化DSA电极为光电极，以1，4-苯醌为模型污染物进行了光电催化降解，结果表明，光电催化氧化过程的TOC去除率是单独光催化氧化和电催化氧化过程之和的1.25倍，光电催化降解过程具有更高的降解效率，证明光催化氧化和电催化氧化过程的耦合产生了一定的协同作用;以电化学氧化作用为主导的光助电催化氧化过程能够高效产生羟基自由基，降解效率可调，在水处理中极具实用价值。
2.结构简单，制造成本低，操作安全简单，易于实现自动化和安全维护，能够全部或部分地利用太阳能转化的电能来驱动整个水处理过程，解决了光电催化水处理过程对能源高度依赖的问题，运行中可以不依赖现有电网。
3.本发明装置能量效率高，反应条件温和，一般在常温常压下即可进行。
4.适用于有毒、生物难以降解的污染物、污水的后续深度处理等。
5.使用清洁能源太阳能，可同时处理多种有机和无机污染物，并达到杀菌消毒的效果，是一种绿色环保的水处理技术和装置。如果全部或部分使用太阳能来驱动电化学氧化过程、光电催化氧化过程和紫外光辐射，那么水质净化和杀菌消毒就会变得不受地域和时间的限制，不仅易于完全实现自动化，而且变得更加便捷、经济。
