發(fā)布時間：2019-09-17 16:41

【摘要】：水污染及水資源短缺問題是制約國民經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的重要因素之一。傳統(tǒng)的廢水處理高能耗、高成本,致使污水處理廠難以為繼、減排效益得不到正常發(fā)揮。能源需求增加也加劇了當(dāng)前的能源危機,節(jié)能降耗的污水處理技術(shù)勢在必行。然而,受水處理工藝的節(jié)制,技術(shù)提升空間有限。廢水中蘊藏能量已有共識,提取能量已引起科學(xué)工作者的廣泛關(guān)注。從廢水中直接提取電能而無需給能的處理技術(shù)必將成為一個熱點課題。 本論文通過設(shè)計由還原性污染物與氧化性污染物組成的液相污染物電對燃料電池,模擬污染物,典型的選取Ethanol-Cr(Ⅳ)、Phenol-Cr(Ⅳ)、Urea-Cr(Ⅳ)、 NaBH4-Cu(Ⅱ)及NaBH4-Ni(Ⅱ)電對,將蘊含在燃料和氧化劑中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的同時直接去除或轉(zhuǎn)化污染物,為實現(xiàn)污染物脫毒與產(chǎn)電共生進行了基礎(chǔ)研究。 設(shè)計了Ethanol-Cr(Ⅵ)電對燃料電池,以中空Pt/C負(fù)載催化陽極與堿性乙醇溶液構(gòu)成陽極體系、以碳纖維布為電極與酸性Cr(Ⅵ)溶液構(gòu)成陰極體系,組裝成Ethanol-Cr(Ⅵ)電對燃料電池。當(dāng)Cr (Ⅵ)為3.94mM時可產(chǎn)生開路電壓1.46V,負(fù)載985Ω外電阻后得到0.7V的輸出電壓,運行54h后Cr(VI)去除率達(dá)96%,起始Cr(VI)濃度為8.65mM時最大功率密度為1900mWm-2。 當(dāng)用帶苯環(huán)的碳?xì)湮廴疚锉椒訛槿剂�、以Ni/C負(fù)載催化陽極代替Pt/C催化陽極時,940mg L-1的苯酚實現(xiàn)98%的去除率,同時300mg L-1Cr(Ⅵ)達(dá)到99%的去除。苯酚在陽極發(fā)生電氧化轉(zhuǎn)化為無毒的低分子量有機酸,Cr(VI)在陰極電還原為低毒性Cr(Ⅲ)。此時,開路電壓為1.2V、功率密度184mWm-2。 選擇尿素或尿液作為燃料注入電對燃料電池,負(fù)載NiCo/C催化劑為陽極,組裝的urea/urine-Cr(Ⅵ)電對燃料電池,0.033M燃料、150mg L-1Cr (Ⅵ)的開路電壓為1.08V、最大功率密度為220mWm-2，負(fù)載985Ω外電阻運行25h后Cr(Ⅵ)去除率99.4%。改用尿液為燃料,其開路電壓為0.84V,最大功率密度為90mWm-2,對應(yīng)Cr(VI)去除率達(dá)98.4%。 在此基礎(chǔ)上,探索了低電位金屬離子在電對燃料電池陰極的還原與去除。以尿素、乙醇、葡萄糖、淀粉和硼氫化鈉為燃料,銅離子為氧化劑的電對燃料電池產(chǎn)生的開路電壓分別為0.58V、0.65V、0.78V、0.65V和1.5V。當(dāng)燃料為0.2MNaBH4和2M KOH,銅離子濃度為400mg L-1時,可產(chǎn)生1.5V的開路電壓,最大功率密度為1000mWm-2。外加985Ω負(fù)載后輸出電壓為0.65V,運行23h后銅離子去除率達(dá)99.9%。若將400mg L-1Ni2+注入電對電池的陰極液,開路電壓為1.05V、最大功率密度為260mWm-2。電池運行45.7h后,鎳離子去除率達(dá)54.8%。 由此可見,Cr(Ⅵ)、Cu(Ⅱ)、Ni(Ⅱ)與苯酚或尿素組成的電對燃料電池中可實現(xiàn)直接產(chǎn)電,同時污染物得以去除。這一方法可望成為污染物處理的一種新技術(shù)。
【圖文】：

它不受卡諾循環(huán)（r|+is=l-Q k,s/Q ss/T 限制，能量轉(zhuǎn)換效率可達(dá)40-70%，高于傳統(tǒng)的內(nèi)燃機（效率約30%)，如圖1.1所示[22]。燃料電池與傳統(tǒng)能源相比，具有低污染、高效率、無噪音、燃料來源廣等優(yōu)點[13]。1.2.1燃料電池發(fā)展筒史歷史上，第一個燃料電池是Willian Grove在1839年發(fā)明的[23]。他把封有銷電極的坡璃管浸在稀硫酸中，先由電解產(chǎn)生氫和氧，，接著連接外部負(fù)載，這樣氫和氧就發(fā)生電池反應(yīng)，產(chǎn)生了電流。由此可見，燃料電池已經(jīng)有了 170余年的發(fā)展歷史。然而，真正引起科學(xué)家廣泛關(guān)注是20世紀(jì)50年代的Bacon型燃料電池[24]。而燃料電池的首次實際應(yīng)用是在1960年美國的“太空計劃’’，用于6

燃料電池是一種將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，它按照電化學(xué)原理在等溫條件下將存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。圖1.2是燃料電池的基本組成和工作原理。燃料電池主要由陽極、陰極、電解質(zhì)和外部電路等組成。兩個電極和電解質(zhì)接觸，能量產(chǎn)生的過程發(fā)生在電極/電解質(zhì)界面上，電子和離子傳輸分開進行。它的產(chǎn)電原理與化學(xué)電源一樣，電極提供電子轉(zhuǎn)移的場所，陽極催化燃料如氫的氧化過程，陰極催化氧化劑如氧等的還原過程；導(dǎo)電離子在將陰陽極分8
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：X703;TM911.4

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前3條

1 周志強;;中國能源現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢及對策[J];能源與環(huán)境;2008年06期

2 楊凌波;曾思育;鞠宇平;何苗;陳吉寧;;我國城市污水處理廠能耗規(guī)律的統(tǒng)計分析與定量識別[J];給水排水;2008年10期

3 龐博文;李金鋒;孫成才;;中國未來五十年能源發(fā)展趨勢[J];科技致富向?qū)?2011年17期

本文編號：2536985