申请日20200110
公开(公告)日20200529
IPC分类号C02F1/72; C02F1/78; H01M8/16
摘要
本发明属于可再生能源和环境污染物的资源化利用技术领域，公开一种低温生物质燃料电池与有机废水高级氧化装置的耦合系统。该耦合系统包括生物质氧化装置、燃料电池装置和高级氧化反应装置并依次连接;生物质氧化装置包括氧化反应槽和第一辅助组件;高级氧化反应装置包括降解反应槽和第二辅助组件;燃料电池装置包括阳极、阴极和质子交换膜;燃料电池装置通过导线与外接电设备相连，提供电能输出;氧化反应槽与阳极连接，降解反应槽与阴极连接;阳极和阴极中的电解液循环流动通过传输泵和连接管道实现;通过在该耦合系统中定时补加生物质原料和有机废水原料，在净化废水的同时，可以实现系统持续向外提供电能，供给外接电设备使用。
权利要求书
1.一种低温生物质燃料电池与有机废水高级氧化装置的耦合系统，其特征在于，所述耦合系统包括生物质氧化装置、燃料电池装置和高级氧化反应装置;所述生物质氧化装置、燃料电池装置和高级氧化反应装置依次连接;
所述生物质氧化装置包括氧化反应槽和第一辅助组件，所述第一辅助组件包括第一加热组件和/或第一光照组件;所述氧化反应槽和第一辅助组件连接;
所述高级氧化反应装置包括降解反应槽和第二辅助组件，所述第二辅助组件包括第二加热组件和/或第二光照组件;所述降解反应槽和第二辅助组件连接;
所述燃料电池装置包括阳极、阴极和质子交换膜;所述阳极和阴极内表面设有槽道，所述质子交换膜设置在所述阳极和所述阴极之间;所述燃料电池装置通过导线与外接电设备相连，提供电能输出;
所述氧化反应槽与所述阳极连接，所述降解反应槽与所述阴极连接;所述阳极和阴极中的电解液循环流动通过传输泵和连接管道实现。
2.根据权利要求1所述的低温生物质燃料电池与有机废水高级氧化装置的耦合系统，其特征在于，所述氧化反应槽内设置有第一搅拌器;在所述氧化反应槽内放置生物质原料、液体催化剂-Ⅰ和水的混合物，所述生物质原料包括淀粉、纤维素和木质素;所述液体催化剂-Ⅰ为多金属氧酸盐;所述生物质原料的水溶液浓度为0.5～4mol/L;所述液体催化剂-I的水溶液浓度为0.1～0.5mol/L。
3.根据权利要求2所述的低温生物质燃料电池与有机废水高级氧化装置的耦合系统，其特征在于，所述多金属氧酸盐为磷钨酸、磷钼酸或磷钼钒酸盐。
4.根据权利要求1所述的低温生物质燃料电池与有机废水高级氧化装置的耦合系统，其特征在于，采用所述第一加热组件时，所述氧化反应槽的温度控制在50～100℃;采用所述第一光照组件时，光源为可见光。
5.根据权利要求1所述的低温生物质燃料电池与有机废水高级氧化装置的耦合系统，其特征在于，采用所述第二加热组件时，所述降解反应槽的温度控制在50～100℃;采用所述第二光照组件时，光源为紫外光。
6.根据权利要求1所述的低温生物质燃料电池与有机废水高级氧化装置的耦合系统，其特征在于，所述降解反应槽内设有第二搅拌器;在所述降解反应槽内放置有机废水原料、降解氧化剂、液体催化剂-Ⅱ和水的混合物，所述有机废水原料为染料废水和纺织印染废水;所述降解氧化剂为过氧化氢、臭氧、过硫酸盐过氧硫酸氢盐中的一种以上;所述液体催化剂-Ⅱ为金属铁离子催化剂;所述有机废水原料的水溶液浓度为10～1000mg/L，所述降解氧化剂的水溶液浓度为0.1～30mol/L，所述液体催化剂-Ⅱ的水溶液浓度为0.1～50mol/L。
7.根据权利要求6所述的低温生物质燃料电池与有机废水高级氧化装置的耦合系统，其特征在于，所述金属铁离子催化剂为硫酸亚铁、硫酸铁、氯化铁。
8.根据权利要求1所述的低温生物质燃料电池与有机废水高级氧化装置的耦合系统，其特征在于，所述阳极、阴极为高纯石墨板。
9.根据权利要求1所述的低温生物质燃料电池与有机废水高级氧化装置的耦合系统，其特征在于，所述槽道为平直形或蛇形。
10.根据权利要求1-9任一项所述的低温生物质燃料电池与有机废水高级氧化装置的耦合系统，其特征在于，所述燃料电池装置还包括若干个单电池单元通过串联方式组成电池堆，调变燃料电池的整体输出电压和输出功率。
说明书
一种低温生物质燃料电池与有机废水高级氧化装置的耦合系统
技术领域
本发明属于可再生能源和环境污染物的资源化开发利用技术领域，具体地，涉及一种低温生物质燃料电池与有机废水高级氧化装置的耦合系统。
背景技术
生物质是地球上最丰富的可再生资源，生物质资源的有效利用对于改善环境、部分取代化石能源和可持续发展等具有重大意义。低温生物质燃料电池只需借助太阳能或热辐射，即可在50～100℃把淀粉、纤维素和木质素等生物质原材料转化为电能，由于具有能量转换效率高、对环境影响小等优点而受到越来越多的关注。
有机废水作为一类重要的环境污染物，由于含有丰富的可降解有机物，在水处理工程中常作为目标污染物进行有针对性的去除。其中高级氧化技术(AOPs) 被认为是高效处理难降解有机废水的最有前景的绿色环保技术之一。AOPs利用产生的HO·、SO4·等活性自由基，可以氧化降解大部分有机物，具有反应条件温和及反应速率快等优点;而且AOPs技术不仅可作为单独处理技术，也可与其他处理过程联合使用。
目前已有将生物质微生物燃料电池与高级氧化技术结合用于有机废水处理的研究，但由于生物质微生物燃料电池输出功率较低、对操作条件(如温度、湿度、pH等)依赖性过强、适用生物质原料类型较窄等缺点，限制了其推广应用。低温生物质燃料电池作为一种新型的直接生物质燃料电池，利用液体催化剂替代微生物降解生物质，可以大大提高氧化降解速率和降解程度，显著提高电池输出功率;同时其适用的生物质原料类型也更宽泛，操作条件也比较温和。相比生物质微生物燃料电池，低温生物质燃料电池具有更好地实用性。但目前还没有将低温生物质燃料电池与高级氧化技术结合的报导。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的不足，本发明目的在于提供一种将低温生物质燃料电池与有机废水高级氧化装置的耦合系统，该耦合系统在温和条件下对可再生的生物质和环境污染物有机废水进行资源化利用。
本发明的目的通过下述技术方案来实现：
一种低温生物质燃料电池与有机废水高级氧化装置的耦合系统，所述耦合系统包括生物质氧化装置、燃料电池装置和高级氧化反应装置;所述生物质氧化装置、燃料电池装置和高级氧化反应装置依次连接;
所述生物质氧化装置包括氧化反应槽和第一辅助组件，所述第一辅助组件包括第一加热组件和/或第一光照组件;所述氧化反应槽和第一辅助组件连接;
所述高级氧化反应装置包括降解反应槽和第二辅助组件，所述第二辅助组件包括第二加热组件和/或第二光照组件;所述降解反应槽和第二辅助组件连接;
所述燃料电池装置包括阳极、阴极和质子交换膜;所述阳极和阴极内表面设有槽道，所述质子交换膜设置在所述阳极和所述阴极之间;所述燃料电池装置通过导线与外接电设备相连，提供电能输出;
所述氧化反应槽与所述阳极连接，所述降解反应槽与所述阴极连接;所述阳极和阴极中的电解液循环流动通过传输泵和连接管道实现。
进一步地，所述氧化反应槽内设置有第一搅拌器。
优选地，在所述氧化反应槽内放置生物质原料、液体催化剂-Ⅰ和水的混合物，所述生物质原料包括淀粉、纤维素和木质素;所述液体催化剂-Ⅰ为多金属氧酸盐;所述生物质原料的水溶液浓度为0.5～4mol/L;所述液体催化剂-I的水溶液浓度为0.1～0.5mol/L。
更为优选地，所述多金属氧酸盐为磷钨酸、磷钼酸或磷钼钒酸盐。
优选地，采用第一加热组件时，所述氧化反应槽的温度控制在50～100℃;采用所述第一光照组件时，光源为可见光。
优选地，采用所述第二加热组件时，所述降解反应槽的温度控制在50～100℃;采用所述第二光照组件时，光源为紫外光。
进一步地，所述降解反应槽内设有第二搅拌器。
优选地，在所述降解反应槽内放置有机废水原料、降解氧化剂、液体催化剂 -Ⅱ和水的混合物，所述有机废水原料为染料废水和纺织印染废水;所述降解氧化剂为过氧化氢、臭氧、过硫酸盐和/或过氧硫酸氢盐;所述液体催化剂-Ⅱ为金属铁离子催化剂;所述有机废水原料的水溶液浓度为10～1000mg/L，所述降解氧化剂的水溶液浓度为0.1～30mol/L，所述液体催化剂-Ⅱ的水溶液浓度为 0.1～50mol/L。
更为优选地，所述金属铁离子催化剂为硫酸亚铁、硫酸铁、氯化铁。
优选地，所述阳极、阴极为高纯石墨板。
进一步地，所述槽道为平直形或蛇形。
进一步地，所述燃料电池装置还包括若干个单电池单元通过串联方式组成电池堆，调变燃料电池的整体输出电压和输出功率。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.本发明将低温生物质燃料电池技术和有机废水高级氧化技术相结合，得到一种在温和条件下，使可再生的生物质原料和环境污染物有机废水同时实现高效资源化利用的耦合系统。
2.本发明通过不断补加生物质和有机废水原料，在对有机废水进行净化处理的同时，还可以实现耦合系统对外持续提供额外电能供外接设备使用的功能。同时在该耦合系统中，所用两种液体催化剂可循环反复使用，且燃料电池装置不需要使用贵金属;而且系统操作简单和绿色环保，具有很好的市场应用前景。
3.本发明的液体催化剂-Ⅰ和液体催化剂-Ⅱ在系统中可自行维持氧化态和还原态的循环再生。
4.本发明通过在所述生物质氧化装置和高级氧化反应装置分别定时补加生物质原料和有机废水原料，可以在所述燃料电池装置中持续向外提供电能，供给外接电设备使用。（发明人李永峰;王鸿绵;陈家伟）
