CN105130076A - 空间站源分离尿液的回收处理方法 - Google Patents

Abstract

一种空间站源分离尿液的回收处理方法，其采用上转换长余辉光催化装置、低温冷冻装置、真空抽湿装置和紫外消毒装置，利用空间站中丰富的太阳光和昼夜温度大等环境特点，将源分离收集的尿液进行光催化处理、消毒和除臭后，直接进行冷冻、太阳光加热和真空抽湿，经抽取冷凝后蒸发的水汽，冷凝收集成为纯净的回收水，最后经消毒处理后，作为中水回用，而冷冻后蒸发结晶生成的富含氮磷结晶体，可作为进入到土壤用作种植的复合肥料。本发明实现了尿液中水、氮磷物质的回收，有效实现了空间站内水、氮磷元素等的自循环，达到了节能高效和环保的效果。

Description

空间站源分离尿液的回收处理方法

技术领域

本发明涉及一种空间站源分离尿液的回收处理方法，属于环保技术领域。

背景技术

在长期载人飞行的空间站中，航天员需要的消耗性物质和产生的废物，如果完全依靠地面和空间站之间往返飞行支持，则需要投入大量的资金以维持飞行运输，因此需要再生式的环控生保系统的支持，而水的闭路循环则是其中最为关键的环节。在正常情况下，一名航天员每天的用水量包括1.8kg食物中所含水分0.5kg、复水0.7kg以及0.83kg氧气的电解用水0.93kg，这些水经航天员利用后，作为废物又以各种形式排出。尿液废水是空间站废水中最复杂的废水，其主要污染物有尿素、氯化钠及各种酸，如何实现其资源回收利用是一重要课题。同时，我们也看到生活污水中约80％的氮与60％的磷来自尿液，而尿液的体积仅占污水总体积的1％左右,在源分离尿液中，其氮、磷含量偏高，尿液中的氮和磷分别占到城市污水中N、P复合的80％和50％左右，源分离尿液的直接处理实现其回收利用是一个重要的方法。

太阳光是太阳发生热核聚变反应所产生的强辐射光，太空中还存在有大量的宇宙射线，宇宙射线是指在宇宙空间运动着的带电高能粒子流。这些高速运动的粒子到达地球后，首先撞击地球外层大气，这些宇宙射线称作原辐射，它们同空气分子相碰撞，并把分子击碎，从而产生各种各样能量同原辐射差不多的高能粒子，空气分子被撞爆炸而形成的新粒子就构成了“次级辐射”。宇宙射线含有巨大的能量，理论上是可以激发半导体材料进行光催化作用的。日本研究人员发现，用X射线照射TiO₂，当照射的X射线光子数为每秒3000亿个时，TiO₂内生成的电子数高达每秒5万亿个；他们还发现，TiO2经X射线照射后，只需1分钟，其表面就可具有良好的亲水性。这些结果都表明，TiO2可在X射线照射下工作。由此可见，太空中的太阳光和宇宙射线是可以用来激发TiO2等半导体光催化材料进行降解尿液等污染物的，而且它们的能量高、照射时间长。神十绕地球飞行一圈的时间为90min，这期间的50min左右是在阳光照射下的光照期。因此，在太空中，运用光催化技术处理尿液具有得天独厚的优势。

太空又是一个强辐射的环境，其便利的应用就是可以将长余辉材料与光催化材料相结合。长余辉发光是一种光致发光现象，是指在激发光停止照射后材料仍能够持续发光的现象。长余辉发光材料简称长余辉材料，又称夜光材料。它是一类吸收太阳或人工光源所产生的光发出可见光，而且在激发停止后仍可继续发光的物质。长余辉材料不消耗电能，但能把吸收的自然光储存起来，在较暗的环境中呈现出明亮可辨的可见光，具有照明功能，可以起到指示照明的作用，是一种“绿色”光源材料。比如稀土激活的碱土铝酸盐长余辉材料的余辉时间可达12h以上，具有白昼蓄光、夜间发射的长期循环蓄光、发光的特点。在太空中，将长余辉材料与光催化材料结合，由于长余辉材料能吸收太阳光和宇宙射线，并将其能量存储起来，以发光的形式慢慢释放，而光催化材料可以在背着太阳的黑暗环境中，吸收长余辉材料释放的光进行光催化降解。因此可利用太阳光光降解去除掉尿液里面的有机物，并实现除臭和杀菌作用，而利用冷冻干燥将冷冻浓缩能高效地去除尿液中各种杂质，经单级处理，即可去除原尿液大部分的污染物。随后利用太阳光进行加热蒸发结晶，从而将尿液中的水分进行回收，经紫外消毒后进行回收利用，将尿液中绝大部分水分进行有效的分离转化，最终实现水分的回收和尿液中营养元素的直接回收利用。

发明内容

本发明的目的在于，针对现有技术源分离尿液处理的不足，克服成本较高、装置复杂等问题，提供一种充分利用太空环境特性的空间站源分离尿液的回收处理方法，采用空间站中强烈的太阳光和辐射射线，进行尿液的除臭、消毒和污染物降解，同时利用空间站昼夜温差大、太阳光强烈的优势，进行冷冻-蒸发结晶处理，实现纯净水的消毒和回收利用，最后将尿液结晶后形成的富含氮、磷物质作为复合肥，进行回收利用，以提高经济效益。

本发明实现其目的的技术方案如下：

一种空间站源分离尿液的回收处理方法，其特征在于：源分离收集的尿液经上转换长余辉光降解装置处理后，经冷冻过程，再通过太阳能结晶蒸发收集回收水，回收水经紫外光进一步消毒处理后成为纯净水，作为中水回用。

进一步地，所述的源分离收集的尿液放入尿液储存室进行短期存放。

进一步地，所述的上转换长余辉光降解装置进行有机物的降解、除臭和消毒，其所用的光催化材料为上转换长余辉TiO₂纳米管整列，即NaYF₄:Er³⁺，Tm³⁺/Yb³⁺—Sr₂Al₆O₁₁:Eu²⁺/Er³⁺SiO₂—Fe₂O₃/TiO₂纳米管，其中，长余辉材料为Sr₂Al₆O₁₁:Eu²⁺和Er³⁺SiO₂，上转换材料为NaYF₄:Er³⁺、Tm³⁺和Yb³⁺，磁转换材料为Fe₂O₃，光催化材料为TiO₂。

进一步地，所述的冷冻过程充分利用空间站昼夜温差大的特点，在温度能够达到-30℃以下的空间站背阴太阳光时间内，进行尿液的快速冷冻。

进一步地，所述的太阳能结晶蒸发过程充分利用空间站正对太阳光时段的高温，对尿液中的有机物进行蒸发结晶，在蒸发过程中，辅助以利用真空抽湿装置，抽取尿液冷凝后蒸发的水汽，并经蒸发过程太阳光中紫外线的杀毒作用，收集成为可中水回用的纯净水。

进一步地，所述的太阳能结晶蒸发过程中产生的结晶物质，富含氮肥和磷肥，可用作为复合肥料。

本发明的有益效果是，对空间站中宇航员的尿液进行了水回收利用，解决了空间站中营养元素流失、生活用水缺乏等问题，实现了资源的回收利用。与公开号为CN101580316A的中国专利《宇航员尿液回收处理方法》相比，本发明充分利用了空间站的太阳光、长余辉辐射以及昼夜温差大等优势，成本较低，采用了较为关键的光催化装置，并能够有效实现空间站内水、氮磷元素等的自循环，从而更显节能高效。

本发明的优点主要有：

(1)充分利用了空间站环境中的太阳光和长余辉射线等优势，以上转换长余辉光催化材料为媒介，将尿液中的有机物进行了有效处理。

(2)充分利用了空间站中的昼夜温差大、冷热转换频次快等特点，将冷冻干燥-蒸发-结晶过程有效地结合，形成水与污染物的有效分离。

(3)所述方法将尿液中的水和有机污染物进行了有效分离，从而实现了水和氮/磷元素等的充分回收利用。

附图说明

图1为本发明的工艺流程图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作详细的说明。下述实施例以本发明的技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例，对于本领域一般技术人员而言，在不背离本发明技术方案前提下所做的任何显而易见的改动，都属于本发明权利要求的保护范围。

本发明涉及的空间站源分离尿液的回收处理方法能够有效解决空间站资源回收利用问题，其主要配套设备是上转换长余辉光催化装置、低温冷冻装置、真空抽湿装置和紫外消毒装置。请参阅图1，当空间站专用容器收集到一定量的源分离收集的尿液并进行短期存放后，即可进入到上转换长余辉光催化装置，反应1-3h，达到降解有机物、除臭以及消毒的目的，其中，光催化过程可生成光生电子和空穴，对有机物具有良好的降解功能，而长余辉射线则对尿液内的微生物和病菌具有很好的杀菌功效，经系列反应后，去除臭味并形成络合物。所述上转换长余辉光催化装置所用的光催化材料为上转换长余辉TiO₂纳米管整列，即NaYF₄:Er³⁺/Tm³⁺/Yb³⁺—Sr₂Al₆O₁₁:Eu²⁺/Er³⁺SiO₂—Fe₂O₃/TiO₂纳米管，其中，Sr₂Al₆O₁₁:Eu²⁺和Er³⁺SiO₂为长余辉材料，NaYF₄:Er³⁺、Tm³⁺和Yb³⁺为上转换材料，Fe₂O₃为磁转换材料，TiO₂为光催化材料。经上转换长余辉光催化装置处理后，尿液进入低温冷冻装置，充分利用空间站昼夜温差大的特点，在背阴太阳光时间内的极冷温度(<-30℃)下，经15min-1h即可完成尿液的快速冷冻。之后尿液进入真空抽湿装置中，在白天时段太阳光高温加热的作用下，对尿液中的有机物进行蒸发结晶，并在蒸发过程中启动真空抽湿装置，抽取尿液冷凝后蒸发的水汽，收集后的回收水在紫外消毒装置中经过同时段的紫外线的高温消毒后，所得纯净水作为中水回用，从而达到尿液的水回收、循环利用的目的，同时结晶蒸发过程中产生的结晶物质，富含氮肥和磷肥，可用作为复合肥料。

Claims (6)

1.一种空间站源分离尿液的回收处理方法，其特征在于：源分离收集的尿液经上转换长余辉光降解装置处理后，经冷冻过程，再通过太阳能结晶蒸发收集回收水，回收水经紫外光进一步消毒处理后成为纯净水，作为中水回用。

2.根据权利1所述的空间站源分离尿液的回收处理方法，其特征在于：所述的源分离收集的尿液放入尿液储存室进行短期存放。

3.根据权利1所述的空间站源分离尿液的回收处理方法，其特征在于：所述的上转换长余辉光降解装置进行有机物的降解、除臭和消毒，其所用的光催化材料为上转换长余辉TiO₂纳米管整列，即NaYF₄:Er³⁺/Tm³⁺/Yb³⁺—Sr₂Al₆O₁₁:Eu²⁺/Er³⁺SiO₂—Fe₂O₃/TiO₂纳米管，其中，长余辉材料为Sr₂Al₆O₁₁:Eu²⁺和Er³⁺SiO₂，上转换材料为NaYF₄:Er³⁺、Tm³⁺和Yb³⁺，磁转换材料为Fe₂O₃，光催化材料为TiO₂。

4.根据权利1所述的空间站源分离尿液的回收处理方法，其特征在于：所述的冷冻过程充分利用空间站昼夜温差大的特点，在温度能够达到-30℃以下的空间站背阴太阳光时间内，进行尿液的快速冷冻。

5.根据权利1所述的空间站源分离尿液的回收处理方法，其特征在于：所述的太阳能结晶蒸发过程充分利用空间站正对太阳光时段的高温，对尿液中的有机物进行蒸发结晶，在蒸发过程中，辅助以利用真空抽湿装置，抽取尿液冷凝后蒸发的水汽，并经蒸发过程太阳光中紫外线的杀毒作用，收集成为可中水回用的纯净水。

6.根据权利1所述的空间站源分离尿液的回收处理方法，其特征在于：所述的太阳能结晶蒸发过程中产生的结晶物质，富含氮肥和磷肥，可用作为复合肥料。