CN109052581B - 一种基于石墨烯的小流域电催化降解系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于石墨烯的小流域电催化降解系统，设置在治理流域河道水面上的浮台单元、设置于治理流域河岸上的伏安电化学测试仪、设置于河岸上的可调式脉冲变频电源，以及安装于所述浮台单元中的电催化装置和电位检查容器；电催化装置通过密封电源线连接可调式脉冲变频电源，对水体中的大分子有机物和非活波金属进行催化降解；所述电位检查容器，通过密封信号线与伏安电化学测试仪连接，配合伏安电化学测试仪完成水体的电位检测。本发明通过间隔孔柱将相邻的电催化单元隔开，提高了电催化装置的透水性能和催化效率，并设置了电位检查容器配合伏安电化学测试仪对水体进行电位检查，方便于对电催化降解过程进行实时监控。
Description
技术领域
本发明涉及电化学催化降解，特别是涉及一种基于石墨烯的小流域电催化降解系统。
背景技术
现有水系统流域的生态功能和调节功能随着工业发展、人类活动、水资源短缺、水污染遭到严重破坏，形成黑臭水体污染。同时河道、流域因流动性强、处理面积广、无法集中收集处理等特点，导致目前未能有经济、实惠、长期有效的办法恢复水系统的生态功能和调节功能。目前用于主要截流清淤、光化学降解技术、生态修复技术。其中截流清淤成本昂贵，同时破坏原有生态系统，影响原有生态系统；光化学降解技术受关照限制，材料成本高；生态修复技术修复周期长，效果不明显；因此，目前电催化在水体中的应用得到广泛的研究，电催化材料在电场作用下，将水体中的溶解氧和水转化为氧化性超强的羟基自由基、超氧氢离子、过氧化物、原子氧以及超强还原性的原子氢等，羟基自由基、超氧氢离子、过氧化物、原子氧可以氧化有机物，将大分子有机物分解为小分子，再进一步矿化为二氧化碳、水和无机可溶盐类等，原子氢将水体中的非活波金属还原为单质态金属。
如专利申请号为201710814840.5的专利“镍基石墨烯场效应水体矿化装置”就利用了电催化技术对污水进行处理，具有能耗低，效率高、作用范围大的优势，但是该装置存在着透水性能和催化效率不足的问题；并且，目前的催化降解系统中，一般情况下并未对水体进行实时电位检测，导致工作人员难以判断水体的处理情况，不利于对电催化降解过程进行实时监控和有效调节。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于石墨烯的小流域电催化降解系统，具有透水性能好、催化效率高以及便于实时监控的优势。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于石墨烯的小流域电催化降解系统，包括：设置在治理流域河道水面上的浮台单元、设置于治理流域河岸上的伏安电化学测试仪、设置于河岸上的可调式脉冲变频电源，以及安装于所述浮台单元中的电催化装置和电位检查容器；
所述电催化装置，通过密封电源线连接河岸上的可调式脉冲变频电源，并在可调式脉冲变频电源的作用下，对治理流域水体的大分子有机物和非活波金属进行催化降解；所述电位检查容器，通过密封信号线与伏安电化学测试仪连接，配合伏安电化学测试仪完成水体的电位检测。
进一步地，所述浮台单元由浮台外龙骨和浮台内龙骨焊接形成，所述浮台外龙骨和浮台内龙骨之间填充有泡沫浮筒，且浮台内龙骨底部设置有浮台连接卡扣；浮台内龙骨内设置有分隔框架，所述分隔框架将浮台内龙骨所围成的内部空间划分为若干个安装区域，所述电催化装置和电位检查容器设置于不同的安装区域内。
进一步地，所述电催化装置包括通过固定组件安装在浮台单元中，所述固定组件包括安装框架和绝缘格栅框架；
所述绝缘格栅框架由底面和侧面的五块绝缘格栅面板相互焊接形成，其整体呈长方体，且内部带有开口向上的容置空间，所述电催化装置设置于该容置空间内；
所述安装框架包括呈长方体的框架龙骨和焊接于框架龙骨顶部的四根角钢，所述四根角钢开口向外焊接后形成框架连接卡扣；所述安装框架的底部设置有至少一根支撑杆，所述安装框架的四个侧面上均设置有加强筋；
所述绝缘格栅框架的长宽尺寸小于安装框架的长宽尺寸，绝缘格栅框架的高度小于或等于安装框架的高度；绝缘格栅框架从安装框架顶部放入安装框架中，所述安装框架设置于浮台内龙骨内的一个安装区域中。
进一步地，所述电催化装置包括从左至右排列的多个电催化单元和依次贯穿各个电催化单元的连接杆，所述连接杆上套装有位于相邻电催化单元之间的间隔孔柱，以实现电催化单元之间的隔离；每一个电催化单元均包括从左至右依次排列的第一绝缘格栅板、第一电极板、第二绝缘格栅板、第二电极板和第三绝缘格栅板；所述的第一电极板和第二电极板均为石墨烯电极板；
整个石墨烯电催化装置中，最左侧的石墨烯电极板连接有阴极接线口，用于连接脉冲电源的输出阴极；最右侧的石墨烯电极板连接有阳极接线口，用于连接脉冲电源的阳极；从左至右的第4n和第4n+1块石墨烯电极板之间通过第n块顶部连接板电连接，n=1,2,3，…,N；其中N表示顶部连接板的数目；从左至右的第4m-2和第4m-1块石墨烯电极板通过第m块底部连接板电连接，m=1,2,3，…,M；其中M表示底部连接板的数目。
进一步地，所述电位检查容器包括密封检测箱、工作电极、参比电极和测试电极，所述密封检测箱的顶部通过收缩连杆连接在所述分隔框架上；所述密封检测箱的底部开设有溶液取样孔；所述工作电极、参比电极和测试电极的第一端均位于密封检测箱的顶部，所述工作电极、参比电极和测试电极的第二端均贯穿密封检测箱顶部并延伸至密封检测箱内，所述工作电极、参比电极和测试电极的第一端还分别通过密封信号线连接到伏安电化学测试仪。
本发明的有益效果是：本发明在电催化装置中，通过间隔孔柱将相邻的电催化单元隔开，有效提高了装置的透水性能和催化效率；并且本发明设置了电位检查容器配合伏安电化学测试仪对水体进行电位检查，由伏安电化学测试仪将检测结果展示给工作人员，方便于电催化降解过程进行实时监控。
附图说明
图1为本发明的系统原理框图；
图2为浮台单元的俯视图；
图3为第一分隔组件的布设示意图；
图4为第二分隔组件的布设示意图；
图5为绝缘格栅框架的结构示意图；
图6为安装框架的结构示意图；
图7为电催化装置的结构示意图；
图8为电催化单元的结构示意图；
图9为电位检查容器的结构及安装示意图；
图中，1-浮台外龙骨，2-浮台内龙骨，3-泡沫浮筒，4-浮台连接卡扣，5-顶部分隔杆，6-上表面栅格区域，7-底部分隔杆，8-下表面栅格区域，9-绝缘格栅面板，10-框架龙骨，11-框架连接卡扣，12-支撑杆，13-加强筋，14-电催化单元，1401-第一绝缘格栅板，1402-第一电极板，1403-第二绝缘格栅板，1404-第二电极板，1405-第三绝缘格栅板，15-连接杆，16-间隔孔柱，17-阴极接线口，18-阳极接线口，19-顶部连接板，20-底部连接板，21-密封检测箱，22-工作电极，23-参比电极，24-测试电极，25-溶液取样孔，26-收缩连杆。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
如图1所示，一种基于石墨烯的小流域电催化降解系统，包括：设置在治理流域河道水面上的浮台单元、设置于治理流域河岸上的伏安电化学测试仪、设置于河岸上的可调式脉冲变频电源，以及安装于所述浮台单元中的电催化装置和电位检查容器；
所述电催化装置，通过密封电源线连接河岸上的可调式脉冲变频电源，并在可调式脉冲变频电源的作用下，对治理流域水体的大分子有机物和非活波金属进行催化降解；所述电位检查容器，通过密封信号线与伏安电化学测试仪连接，配合伏安电化学测试仪完成水体的电位检测。在本申请的实施例中，所述伏安电化学测试仪采用普林斯顿p-4000电化学工作站，并采用该电化学工作站中的循环伏安测试功能完成测试。
如图2所示，所述浮台单元由浮台外龙骨1和浮台内龙骨2焊接形成，所述浮台外龙骨1和浮台内龙骨2之间填充有泡沫浮筒3，且浮台内龙骨2底部设置有浮台连接卡扣4；浮台内龙骨2内设置有分隔框架，所述分隔框架将浮台内龙骨2所围成的内部空间划分为若干个安装区域，所述电催化装置和电位检查容器设置于不同的安装区域内。
在本申请的实施例中，所述浮台内龙骨2所围成的内部空间呈长方体结构，该空间的上下表面相互对齐；所述分隔框架包括设置于浮台内龙骨2顶部的第一分隔组件和位于浮台内龙骨2底部的第二分隔组件；如图3所示，所述第一分隔组件包括多根顶部分隔杆5，所述顶部分隔杆5纵横交错，使浮台内龙骨2所围成内部空间的上表面形成多个上表面栅格区域6；如图4所示，该实施例中，所述第二分隔组件包括多根底部分隔杆7，所述底部分隔杆7与顶部分隔杆5一一对应且上下对齐；所述底部分隔杆7在浮台内龙骨2所围成内部空间的下表面形成多个下表面栅格区域8；所述上表面栅格区域7与下表面栅格区域8一一对应且上下对齐8；每一组上表面栅格区域7与下表面栅格区域8之间的空间即所述的安装空间；在一些实施例中，上表面格栅区域7的顶点和对应下表面格栅区域的顶点通过竖直连杆7相连，以提高分隔框架的强度。
在本申请的实施例中，所述电催化装置包括通过固定组件安装在浮台单元中，所述固定组件包括安装框架和绝缘格栅框架；如图5所示，所述绝缘格栅框架由底面和侧面的五块绝缘格栅面板9相互焊接形成，其整体呈长方体，且内部带有开口向上的容置空间，所述电催化装置设置于该容置空间内；如图6所示，所述安装框架包括呈长方体的框架龙骨10和焊接于框架龙骨10顶部的四根角钢，所述四根角钢开口向外焊接后形成框架连接卡扣11；所述安装框架的底部设置有至少一根支撑杆12，所述安装框架的四个侧面上均设置有加强筋13；在上述实施例中，所述绝缘格栅框架的长宽尺寸小于安装框架的长宽尺寸，绝缘格栅框架的高度小于或等于安装框架的高度；绝缘格栅框架从安装框架顶部放入安装框架中，所述安装框架设置于浮台内龙骨2内的一个安装区域中。
如图7~8所示，在本申请的实施例中，所述电催化装置包括从左至右排列的多个电催化单元14和依次贯穿各个电催化单元14的连接杆15，所述连接杆15上套装有位于相邻电催化单元14之间的间隔孔柱16，以实现电催化单元之间的隔离；每一个电催化单元14均包括从左至右依次排列的第一绝缘格栅板1401、第一电极板1402、第二绝缘格栅板1403、第二电极板1404和第三绝缘格栅板1405；所述的第一电极板1402和第二电极板1404均为石墨烯电极板；
整个石墨烯电催化装置中，最左侧的石墨烯电极板连接有阴极接线口17，用于连接脉冲电源的输出阴极；最右侧的石墨烯电极板连接有阳极接线口18，用于连接脉冲电源的阳极；从左至右的第4n和第4n+1块石墨烯电极板之间通过第n块顶部连接板19电连接，n=1,2,3，…,N；其中N表示顶部连接板19的数目；从左至右的第4m-2和第4m-1块石墨烯电极板通过第m块底部连接板20电连接，m=1,2,3，…,M；其中M表示底部连接板20的数目。该实施例中，所述连接杆15为圆柱形连接杆，且所述连接杆15的外圆周上设置有螺纹。所述连接杆15两端的外圆周上还设置有螺母，所述螺母与连接杆15外圆周上的螺纹相配合，将各个电催化单元14进行锁紧。所述间隔孔柱16为中空圆柱形孔柱。所述间隔孔柱16的内径大于连接杆15的外径。
如图9所示，在本申请的实施例中，所述电位检查容器包括密封检测箱21、工作电极22、参比电极23和测试电极24，所述密封检测箱21的顶部通过收缩连杆26连接在所述分隔框架上；所述密封检测箱21的底部开设有溶液取样孔25；所述工作电极22、参比电极23和测试电极24的第一端均位于密封检测箱21的顶部，所述工作电极22、参比电极23和测试电极24的第二端均贯穿密封检测箱21顶部并延伸至密封检测箱21内，所述工作电极22、参比电极23和测试电极24的第一端还分别通过密封信号线连接到伏安电化学测试仪。该实施例中，所述工作电极22和测试电极24关于参比电极23对称；所述工作电极22、参比电极23和测试电极24等间距设置；所述工作电极22、参比电极23和测试电极24的第二端延伸至密封检测箱21内后，距离密封检测箱21顶部的距离为密封检测箱21高度的2/3；所述浮台单元中还设置有与所述收缩连杆26连通的气动装置，用于控制收缩连杆26的缩放。
在本申请的实施例中，所述可调式脉冲变频电源输出电压5V-18V、占空比68.5-87.5%。所述测试电极24与电催化装置中的石墨烯电极板同材质；均采用化学氧化法制备的石墨烯；石墨烯电催化装置的绝缘格栅板和绝缘格栅框架中的绝缘格栅面板均采用5-10mm孔径的圆孔，空间距为5-8mm，确保格栅的强度、韧度以及透水率；
在本申请的实施例中，对系统运行15天前后的水质进行比较，发现运行前水质参数Cod（Cr）：104；氨氮：9.33；总磷：0.325；总氮：14.8，运行15天后水质参数：Cod（Cr）：13；氨氮：0.298；总磷：0.206；总氮：0.79，可见，本发明能够有效实现水体大分子有机物和非活波金属的催化降解。
本发明的工作原理如下，首先，将电催化装置设置于绝缘格栅框架中，绝缘格栅框架设置于安装框架中，安装框架位于浮台单元的一个安装空间内，在重力的作用下，安装框架会沿安装浮台单元的安装空间下滑；安装框架顶部的框架连接卡扣11卡接在浮台内龙骨底部的浮台连接卡扣4或所述分隔框架的底部，当浮台单元悬浮在治理流域河道水面上时，安装框架以及内部的电催化装置和绝缘格栅框架位于河水中；在一些实施例中，可以通过上述方式同时安装多个电催化装置在浮台单元中，以提高催化降解效率；而电位检查容器中的密封检测箱21在收缩连杆26作用下，下半部分进入水体中。开始工作后，将电催化装置的阴极接线口17通过密封电源线连接可调式脉冲变频电源的输出阴极，将阳极接线口18通过密封电源线连接可调式脉冲变频电源的输出阳极；电催化装置中，每一个电催化单元14的两个电极板（第一电极板1402和第二电极板1404）通过三块绝缘格栅板（第一绝缘格栅板1401、第二绝缘格栅板1403和第三绝缘格栅板1405）进行隔开，形成电极对；各个电极对将水体中的溶解氧和水转化为氧化性超强的羟基自由基、超氧氢离子、过氧化物、原子氧以及超强还原性的原子氢等，羟基自由基、超氧氢离子、过氧化物、原子氧可以氧化有机物，将大分子有机物分解为小分子，再进一步矿化为二氧化碳、水和无机可溶盐类等，原子氢将水体中的非活波金属还原为单质态金属，进而有效实现了污染水域的电催化降解；由于本发明通过间隔孔柱将相邻的电催化单元隔开，使得不同电催化单元之间存在着一定间隙，有效提高了装置的透水性能和催化效率。同时，电位检查容器的工作电极22、参比电极23和测试电极24对采样得到的水体（从溶液取样孔25进入密封检测箱21的水体）接触，配合伏安电化学测试仪进行电位检测，在本申请的实施例中，电话学测试仪测试得到的电位，即水体相对对于石墨烯电极板的电位，工作人员通过伏安电化学测试仪对检测结果进行查看，方便了电催化降解过程进行实时监控；在一些实施例中，工作人员还可以根据伏安电化学测试仪的显示信息，对可调式脉冲变频电源的输出电压、占空比、输出频率进行调节，以提高催化降解效率。综上，本发明在电催化装置中，通过间隔孔柱将相邻的电催化单元隔开，有效提高了装置的透水性能和催化效率，并且设置了电位检查容器配合伏安电化学测试仪对水体进行电位检查，由伏安电化学测试仪将检测结果展示给工作人员，方便于工作人员电催化降解过程进行实时监控。
需要说明的是，以上所述是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应该看作是对其他实施例的排除，而可用于其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。
Claims (1)
1.一种基于石墨烯的小流域电催化降解系统，其特征在于：包括：设置在治理流域河道水面上的浮台单元、设置于治理流域河岸上的伏安电化学测试仪、设置于河岸上的可调式脉冲变频电源，以及安装于所述浮台单元中的电催化装置和电位检查容器；
所述电催化装置，通过密封电源线连接河岸上的可调式脉冲变频电源，并在可调式脉冲变频电源的作用下，对治理流域水体的大分子有机物和非活波金属进行催化降解；所述电位检查容器，通过密封信号线与伏安电化学测试仪连接，配合伏安电化学测试仪完成水体的电位检测；
所述浮台单元由浮台外龙骨（1）和浮台内龙骨（2）焊接形成，所述浮台外龙骨（1）和浮台内龙骨（2）之间填充有泡沫浮筒（3），且浮台内龙骨（2）底部设置有浮台连接卡扣（4）；浮台内龙骨（2）内设置有分隔框架，所述分隔框架将浮台内龙骨（2）所围成的内部空间划分为若干个安装区域，所述电催化装置和电位检查容器设置于不同的安装区域内；
所述电位检查容器包括密封检测箱（21）、工作电极（22）、参比电极（23）和测试电极（24），所述密封检测箱（21）的顶部通过收缩连杆（26）连接在所述分隔框架上；所述密封检测箱（21）的底部开设有溶液取样孔（25）；所述工作电极（22）、参比电极（23）和测试电极（24）的第一端均位于密封检测箱（21）的顶部，所述工作电极（22）、参比电极（23）和测试电极（24）的第二端均贯穿密封检测箱（21）顶部并延伸至密封检测箱（21）内，所述工作电极（22）、参比电极（23）和测试电极（24）的第一端还分别通过密封信号线连接到伏安电化学测试仪；
所述电催化装置包括通过固定组件安装在浮台单元中，所述固定组件包括安装框架和绝缘格栅框架；
所述绝缘格栅框架由底面和侧面的五块绝缘格栅面板（9）相互焊接形成，其整体呈长方体，且内部带有开口向上的容置空间，所述电催化装置设置于该容置空间内；
所述安装框架包括呈长方体的框架龙骨（10）和焊接于框架龙骨（10）顶部的四根角钢，所述四根角钢开口向外焊接后形成框架连接卡扣（11）；所述安装框架的底部设置有至少一根支撑杆（12），所述安装框架的四个侧面上均设置有加强筋（13）；
所述绝缘格栅框架的长宽尺寸小于安装框架的长宽尺寸，绝缘格栅框架的高度小于或等于安装框架的高度；绝缘格栅框架从安装框架顶部放入安装框架中，所述安装框架设置于浮台内龙骨（2）内的一个安装区域中；
所述电催化装置包括从左至右排列的多个电催化单元（14）和依次贯穿各个电催化单元（14）的连接杆（15），所述连接杆（15）上套装有位于相邻电催化单元（14）之间的间隔孔柱（16），以实现电催化单元之间的隔离；每一个电催化单元（14）均包括从左至右依次排列的第一绝缘格栅板（1401）、第一电极板（1402）、第二绝缘格栅板（1403）、第二电极板（1404）和第三绝缘格栅板（1405）；所述的第一电极板（1402）和第二电极板（1404）均为石墨烯电极板；
整个石墨烯电催化装置中，最左侧的石墨烯电极板连接有阴极接线口（17），用于连接脉冲电源的输出阴极；最右侧的石墨烯电极板连接有阳极接线口（18），用于连接脉冲电源的阳极；从左至右的第4n和第4n+1块石墨烯电极板之间通过第n块顶部连接板（19）电连接，n=1,2,3，…,N；其中N表示顶部连接板（19）的数目；从左至右的第4m-2和第4m-1块石墨烯电极板通过第m块底部连接板（20）电连接，m=1,2,3，…,M；其中M表示底部连接板（20）的数目。
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