基于金属空气电池的水处理回收装置及其方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种基于金属空气电池的水处理回收装置及其方法，包括：产电系统、储能系统和水处理回收系统；产电系统包括腐蚀性金属负极、空气扩散正极和腔体，腐蚀性金属负极和空气扩散正极对向放置，与腔体共同构成密闭容器，空气扩散正极的外侧与空气接触；产电系统分别通过腐蚀性金属负极和空气扩散正极与储能系统电路连接，产电系统和储能系统之间设置有开关，用于切换产电系统的正负极，调整充放电状态；产电系统通过管路与水处理回收系统连接，水处理回收系统包括循环泵、罐体和结晶过滤器。本装置可以实现电能自给和无需外援化学物质添加的水处理与资源回收。

Water treatment and recovery device and method based on metal air battery

【技术实现步骤摘要】
基于金属空气电池的水处理回收装置及其方法
本专利技术涉及水处理
，尤其涉及一种基于金属空气电池的水处理回收装置及其方法。
技术介绍
近年来，开发可持续的水处理新技术是水污染控制领域的研究热点。其中关键点在于如何实现废水中潜在营养元素如氨氮、磷酸盐等高效回收的同时对废水中难降解有机物的有效去除。由于氨氮和磷酸盐是水污染控制的关键性指标，是引起水体富营养化的主要原因，同时氨氮和磷酸盐又是农业以及化工行业重要的化肥或原料。因此，如果将废水中的高浓度氮磷高效回收，则可以实现废水处理的可持续发展。针对废水中氮磷回收，学界以及工业界已经开展了广泛研究，并取得了诸多创新和进展。其中研究最为广泛的方法是：磷酸铵镁共沉淀法。该方法通过向含氮磷废水中投加镁盐，通过工艺调控，实现水中的氮磷的同步去除。同时磷酸铵镁俗称“鸟粪石”是一种优良的缓释化肥，肥效优异，是氮磷资源回收的重要目标产物，具有较高的经济价值。此外，对于仅高含磷酸盐的废水，通过投加铁离子产生磷酸铁类结晶产物，最后以蓝铁矿形式回收，由于其特殊的矿物染料，在磷酸盐回收上也具有广泛的前景。但是该方法需要大量的外援金属盐物质，投加的药剂量大，同时还需要持续的人工投入，并进行定期的养护，因此，为了提高金属盐的投加效率，有专利(申请号为201610259921.9)提出用电化学的方式进行金属离子投加。腐蚀性金属在电流作用下，可以向溶液中释放金属阳离子，但是该装置的整个体系仍然需要额外的电能才能满足反应的持续进行；XiChen等人(Self-sustainingadvancedwastewaterpurificationandsimultaneousinsitunutrientrecoveryinanovelbioelectrochemicalsystem,ChemEngJ,2017，692-697)提出了采用微生物燃料电池技术在去除有机物的同时，通过设置在电池中的阴阳离子膜将废水中氨氮和磷酸盐以液态的形式回收，在不投加电能和化学药剂的情况下，高效回收废水中氮磷同时有效去除有机污染物，同时还能产生电能。但其缺点是，微生物燃料电池受微生物固有条件的限制，对环境温度和水质条件都比较敏感，尤其是其以废水中有机物为主要燃料，如果废水中的有机物生物不可降解或者生物毒性强，电池系统的产电性能就会受到很大影响。同时，如果废水中含有的有机物较少，或者没有有机物，微生物燃料电池就无法实现氮磷的去除；此外，专利(申请号201510372998.2)通过使用海水电池来实现对养殖废水中氮磷的回收同时产生电能，并获得较高的回收效果。但是该海水电池仅针对废水中的氮磷，其并无法有效去除废水中潜在的其他有机物。因此，基于以往研究中存在的不足，针对废水中氮磷和有机物等复杂水质，亟需开发一种可以在处理过程中实现电能自给和无需外援化学物质添加的水处理与资源回收装置。
技术实现思路
本专利技术提供了一种基于金属空气电池的水处理回收装置及其方法，以解决现有技术问题中的缺陷。为了实现上述目的，本专利技术采取了如下技术方案。本专利技术提供了一种基于金属空气电池的水处理回收装置，包括：产电系统、储能系统和水处理回收系统；所述的产电系统包括腐蚀性金属负极、空气扩散正极和腔体，所述腐蚀性金属负极和空气扩散正极对向放置，与腔体共同构成密闭容器，所述空气扩散正极的外侧与空气接触；所述的产电系统分别通过腐蚀性金属负极和空气扩散正极与所述的储能系统电路连接，用于将产电系统中产生的电能储存到储能系统中，所述的产电系统和储能系统之间设置有倒极开关，用于切换产电系统的正负极，调整充电或放电状态；所述的产电系统通过管路与所述的水处理回收系统连接，所述的水处理回收系统包括循环泵、罐体和结晶过滤器，所述的循环泵用于将所述罐体中的水泵入所述的产电系统中，所述的结晶过滤器用于对处理过的水进行过滤截留。优选地，腐蚀性金属负极为镁、铁、铝板，或其中任意两种或三种的合金板；所述的空气扩散正极包括炭制扩散电极基体和在基体上负载的正极催化层。优选地，炭制扩散电极基体为由碳素活性物质，集流体和空气扩散层组成的三明治结构；所述的正极催化层为Ir氧化物、Ru氧化物、Co氧化物、Mn氧化物、Fe氧化物、Pt、炭黑中的一种，或者其中任意多种组份的复合物。优选地，正极催化层的形状为纳米球、纳米线、纳米棒、纳米管或纳米花的阵列排布，所述腔体上与空气扩散正极平行的一侧设置有圆孔，用于与空气接触。优选地，储能系统为可充放电电池。优选地，循环泵为蠕动泵，所述的腔体为有机玻璃腔体，所述的罐体为有机玻璃容器或塑料容器；所述的结晶过滤器的金属过滤头为不锈钢或钛材料，所述结晶过滤器的过滤孔径1μm～5μm。优选地，腐蚀性金属负极和空气扩散正极之间的电极间距为0.5-2cm。优选地，集流体为具有导电性的网状结构；所述碳素活性物质包括活性炭、炭黑、石墨烯和石墨粉中的一种或多种；所述的空气扩散层为聚四氟乙烯涂层。优选地，集流体为具有导电性的网状结构；所述碳素活性物质为炭布或炭纸。本专利技术的另一方面提供了一种应用于上述的装置的水处理回收方法，其特征在于，包括：第一阶段：将待处理废水放置于水处理回收系统的罐体中，开启循环泵，将所述待处理废水泵入至产电系统的密闭容器中，腐蚀性金属负极自发利用所述待处理废水作为电解液发生原电池反应并将金属阳离子释放到废水中，空气扩散正极利用空气中的氧气发生氧还原反应，产生电流，作为电能储存到储能系统中；释放的金属阳离子进入水处理回收系统的罐体中，与剩余待处理废水中的氨氮和磷酸盐产生磷酸盐形式的结晶物，并通过结晶过滤器进行分离；第二阶段：通过倒极开关改变原有产电系统中电极的正负极性，利用收集的电能作为直流电源进行电解废水，利用空气扩散正极上负载的催化剂将废水中的氯离子氧化为活性氯，并作为氧化剂降解废水中的有机物；同时产生的活性氯还与第一阶段中废水中残余的氨氮反应，将氨氮进一步氧化为氮气。由上述本专利技术的基于金属空气电池的水处理回收装置及其方法提供的技术方案可以看出，本专利技术的装置以金属空气电池为核心，不依赖微生物作为催化剂，体系对环境和水质的适应性强，适合各种水质；本装置充分利用金属空气电池可以原位释放阳离子以及高产电的特性，根据待处理废水特性，如处理含氮磷废水，可以采用镁电极为负极，如仅处理含磷废水，可以采用铁、铝电极为负极，来最终实现不同的金属阳离子投加，同时产生电能回收，进入到电解液(待处理废水)的金属阳离子可以跟水中氮磷发生结晶沉淀反应，实现营养元素的高效回收；本专利技术的金属空气电池与可以同时作为产电装置和电解装置，正极(阴极)具备高效氧气还原以及高效电解析氯的双催化活性，在产电阶段，正极加速氧还原提高产电功率，在电解阶段，该电极作为阳极电解废水中的氯离子产生活性氯物质，用于降解污染物、去除氨氮同时具有杀菌作用；通过将产电阶段的电能进行高效储能，并在电解阶段有节制的利用，实现净电产能，整个体系仅通过金属电池自腐蚀的产电就推动废水中氮磷高效回收以及有机物有效本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于金属空气电池的水处理回收装置，其特征在于，包括：产电系统、储能系统和水处理回收系统；/n所述的产电系统包括腐蚀性金属负极、空气扩散正极和腔体，所述腐蚀性金属负极和空气扩散正极对向放置，与腔体共同构成密闭容器，所述空气扩散正极的外侧与空气接触；/n所述的产电系统分别通过腐蚀性金属负极和空气扩散正极与所述的储能系统电路连接，用于将产电系统中产生的电能储存到储能系统中，所述的产电系统和储能系统之间设置有倒极开关，用于切换产电系统的正负极，调整充电或放电状态；/n所述的产电系统通过管路与所述的水处理回收系统连接，所述的水处理回收系统包括循环泵、罐体和结晶过滤器，所述的循环泵用于将所述罐体中的水泵入所述的产电系统中，所述的结晶过滤器用于对处理过的水进行过滤截留。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于金属空气电池的水处理回收装置，其特征在于，包括：产电系统、储能系统和水处理回收系统；
所述的产电系统包括腐蚀性金属负极、空气扩散正极和腔体，所述腐蚀性金属负极和空气扩散正极对向放置，与腔体共同构成密闭容器，所述空气扩散正极的外侧与空气接触；
所述的产电系统分别通过腐蚀性金属负极和空气扩散正极与所述的储能系统电路连接，用于将产电系统中产生的电能储存到储能系统中，所述的产电系统和储能系统之间设置有倒极开关，用于切换产电系统的正负极，调整充电或放电状态；
所述的产电系统通过管路与所述的水处理回收系统连接，所述的水处理回收系统包括循环泵、罐体和结晶过滤器，所述的循环泵用于将所述罐体中的水泵入所述的产电系统中，所述的结晶过滤器用于对处理过的水进行过滤截留。


2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的腐蚀性金属负极为镁、铁、铝板，或其中任意两种或三种的合金板；所述的空气扩散正极包括炭制扩散电极基体和在基体上负载的正极催化层。


3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的炭制扩散电极基体为由碳素活性物质，集流体和空气扩散层组成的三明治结构；所述的正极催化层为Ir氧化物、Ru氧化物、Co氧化物、Mn氧化物、Fe氧化物、Pt、炭黑中的一种，或者其中任意多种组份的复合物。


4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述的正极催化层的形状为纳米球、纳米线、纳米棒、纳米管或纳米花的阵列排布，所述腔体上与所述空气扩散正极平行的一侧设置有圆孔，用于与空气接触。


5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的储能系统为可充放电电池。

【专利技术属性】
技术研发人员：姚宏，李新洋，张家赫，张济民，
申请(专利权)人：北京交通大学，
类型：发明
国别省市：北京;11