基于三明治结构电极的自吸水自发电式水处理装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种基于三明治结构电极的自吸水自发电式水处理装置和方法，包括：三明治结构电极、进水箱和产水箱；三明治结构电极为顺序叠放的空气正极、分隔材料、薄膜负极、分隔材料和空气正极组成的双正极‑单负极结构；分隔材料分别与两侧的空气正极和薄膜负极接触，分隔材料的两端裸露于接触面外，一端裸露的两层分隔材料用于置于进水箱的水中，另一端裸露的两层分隔材料与产水箱连通；分隔材料为厚度小于或等于1mm的具有吸水性且不导电的多孔薄膜材料；薄膜负极和一个空气正极分别通过导线与用电设备相连，用于对用电设备供电。本装置具有低内阻、高产电以及无需外加电能的完全自供电技术。

【技术实现步骤摘要】
基于三明治结构电极的自吸水自发电式水处理装置和方法
本专利技术涉及金属空气电池和水处理
，尤其涉及一种基于三明治结构电极的自吸水自发电式水处理装置和方法。
技术介绍
近年来，基于自供电的可持续净水技术成为水污染控制领域的研究热点。如何能够实现废水处理的同时产生电能并且回收有价值物质是研究者们共同努力的目标。现有技术中，废水处理时，废水进出水等均需要蠕动泵等供电装置来驱动，使完全自供电水处理装置的优势更加显著。专利CN201911135030.2研究了基于金属空气电池的水处理回收装置及其方法，构建了基于金属空气电池的水处理方法，虽然可以实现同步废水处理与发电，但是并不能达到完全自供电的目的；专利CN201911287298.8开发了基于铁-空气电池的水处理装置和方法，但多数也均需要外加动力来源实现废水的高效循环与补给；并且基于现有专利中提出的基于金属-空气电池的水处理装置中正负极的电极间距一般至少在cm级别甚至更高，通常金属-空气电池的产电效率又受到电池内阻的制约，因此较大的电极间距势必会增加电池的内阻，降低产电功率和效率。同时，电池产电效率也会受到单位质量负极产电功率的制约，如何提升单位负极质量下的产电功率也成为现有技术中的瓶颈。对于cm级厚度的负极材料，虽然能够提供较多理论产电能力，但是随着其使用过程中的钝化问题，负极内部的材料并无法进一步利用。为此，低内阻、高产电、完全自供电形式的净水技术对于绿色水处理技术发展具有重要现实意义。
技术实现思路
本专利技术提供了一种基于三明治结构电极的自吸水自发电式水处理装置和方法，以解决现有技术问题中存在的缺陷。为了实现上述目的，本专利技术采取了如下技术方案。一种基于三明治结构电极的自吸水自发电式水处理装置，包括：三明治结构电极、进水箱和产水箱；所述的三明治结构电极为顺序叠放的空气正极、分隔材料、薄膜负极、分隔材料和空气正极组成的双正极-单负极结构；所述分隔材料分别与两侧的空气正极和薄膜负极接触用于将空气正极和薄膜负极分隔开，分隔材料的两端裸露于接触面外，一端裸露的两层分隔材料用于置于进水箱的水中，另一端裸露的两层分隔材料与产水箱连通，用于通过分隔材料从进水箱中吸取废水，通过三明治结构电极处理后流至产水箱；分隔材料为厚度小于或等于1mm的具有吸水性且不导电的多孔薄膜材料；所述薄膜负极和一个空气正极分别通过导线与用电设备相连，用于对用电设备供电。优选地，进水箱高于产水箱，且与产水箱之间的高度差为5cm-5m。优选地，薄膜负极为镁、铁、铝、锌，或镁、铁、铝、锌中任意两种或三种的合金。优选地，薄膜负极的厚度为0.001mm-0.5mm。优选地，分隔材料为纯棉材质、全涤纶材质的无纺布或者纸张。优选地，分隔材料的厚度为0.1mm-1mm。优选地，空气正极包括空气扩散层、集流体、导电活性层和正极催化层，所述空气扩散层位于空气端，正极催化层位于分隔材料端；所述空气正极厚度为0.5mm-1mm。优选地，空气扩散层为聚四氟乙烯涂层；所述集流体为钛网、镍网、泡沫镍、碳布或碳毡的导电多孔基体，所述导电活性层为活性炭、炭黑、石墨烯、石墨粉，或活性炭、炭黑、石墨烯、石墨粉的复合物；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，或Ir氧化物、Ru氧化物、Co氧化物、Mn氧化物、Fe氧化物、Pt、炭黑的复合物。优选地，三明治结构电极为平板结构或多层卷式结构。本专利技术实施例还提供一种应用上述基于三明治结构电极的自吸水自发电式水处理装置的方法，包括：将三明治结构电极一端裸露的两层分隔材料置于进水箱的废水中，另一端裸露的两层分隔材料与产水箱连通，通过自吸水效应从进水箱将废水从分隔材料首端经过三明治结构电极，最终经过分隔材料的末端滴入产水箱；在处理过程中，废水中大颗粒物质与胶体产生浊度的物质通过分隔材料的过滤作用被去除；薄膜负极在废水和空气正极的作用下，发生自腐蚀反应，产生的金属离子与废水中的磷酸根反应产生金属磷酸盐沉淀，同时金属离子还会产生金属氢氧化物胶体对废水中的溶解性污染物进行絮凝并去除；薄膜负极通过自腐蚀作用产生的电子经过用电器在迁移到空气正极上，进一步与空气中氧气发生还原反应，最后产生电流对用电设备供电；金属氢氧化物胶体通过粘附附着在分隔材料上，待薄膜负极消耗完之后，对所述分隔材料回收。由上述本专利技术的基于三明治结构电极的自吸水自发电式水处理装置和方法提供的技术方案可以看出，本专利技术具有以下优点：1)本装置通过采用具有强吸水性的分隔材料，通过自吸水效应和虹吸效应，在自重力作用下废水逐渐流入三明治结构电极内部，实现电解液(废水)的自供给，无需外加动力；2)本装置使用金属薄膜为基材的三明治结构电极，不仅使负极的面体比显著提升，而且通过增加正极面积实现了与空气充分接触，为加速正极反应提供了前提；通过三明治结构电极实现了正负极之间的电极间距最小化，通过采用mm级别以内的分隔材料，将电极间距精准控制在一定范围内，极大地降低了体系内阻，提升产电功率；并且本装置的三明治结构电极还可以加强电极之间的毛细作用，充分利用水表面张力，实现最小(废水)电解质投加下正负极之间的浸润最大化；3)本装置通过分隔材料的多孔吸附和过滤特性，使废水在自流动过程中过滤大分子悬浮颗粒物和胶体，为进一步去除废水中溶解态污染物、得到更优质的水质提供条件；4)本装置在产电过程中产生的金属氢氧化物一部分会作为混凝剂用于溶解态污染物的去除，另一部分也会吸附负载到分隔材料上，由于不同金属氢氧化物具有不同理化特性，待废水处理结束后，最终的分隔材料也不会浪费，而是转化为负载特定金属氢氧化物的多孔材料，用于阻燃等作用，可以实现金属负极的高质资源回收再利用；5)本装置具有低内阻、高产电以及无需外加电能的完全自供电技术特点，可以实现废水自净化过程中，金属产物的高质资源利用，对绿色水处理技术发展具有重要的现实意义。本专利技术附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本专利技术的实践了解到。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为实施例一提供的基于三明治结构电极的自吸水自发电式水处理装置多层卷式结构示意图；图2为三明治结构电极多层卷式结构A-A剖面图；图3为三明治结构电极平板结构示意图；附图标记说明：1三明治结构电极2进水箱3产水箱4空气正极5分隔材料6薄膜负极7分隔材料8空气正极9用电设备。具体实施方式下面详细描述本专利技术的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于三明治结构电极的自吸水自发电式水处理装置，其特征在于，包括：三明治结构电极、进水箱和产水箱；/n所述的三明治结构电极为顺序叠放的空气正极、分隔材料、薄膜负极、分隔材料和空气正极组成的双正极-单负极结构；/n所述分隔材料分别与两侧的空气正极和薄膜负极接触用于将空气正极和薄膜负极分隔开，分隔材料的两端裸露于接触面外，一端裸露的两层分隔材料用于置于进水箱的水中，另一端裸露的两层分隔材料与产水箱连通，用于通过分隔材料从进水箱中吸取废水，通过三明治结构电极处理后流至产水箱；/n分隔材料为厚度小于或等于1mm的具有吸水性且不导电的多孔薄膜材料；/n所述薄膜负极和一个空气正极分别通过导线与用电设备相连，用于对用电设备供电。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于三明治结构电极的自吸水自发电式水处理装置，其特征在于，包括：三明治结构电极、进水箱和产水箱；
所述的三明治结构电极为顺序叠放的空气正极、分隔材料、薄膜负极、分隔材料和空气正极组成的双正极-单负极结构；
所述分隔材料分别与两侧的空气正极和薄膜负极接触用于将空气正极和薄膜负极分隔开，分隔材料的两端裸露于接触面外，一端裸露的两层分隔材料用于置于进水箱的水中，另一端裸露的两层分隔材料与产水箱连通，用于通过分隔材料从进水箱中吸取废水，通过三明治结构电极处理后流至产水箱；
分隔材料为厚度小于或等于1mm的具有吸水性且不导电的多孔薄膜材料；
所述薄膜负极和一个空气正极分别通过导线与用电设备相连，用于对用电设备供电。


2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述进水箱高于产水箱，且与产水箱之间的高度差为5cm-5m。


3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述薄膜负极为镁、铁、铝、锌，或镁、铁、铝、锌中任意两种或三种的合金。


4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述薄膜负极的厚度为0.001mm-0.5mm。


5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述分隔材料为纯棉材质、全涤纶材质的无纺布或者纸张。


6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述分隔材料的厚度为0.1mm-1mm。


7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述空气正极包括空气扩散层、集流体、导电活性层和正极催化层，所述空气扩散层位于空气端，正极催...

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