CN111204847A - 一种光电化学废水资源化装置及废水处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种光电化学废水资源化装置，包括光源和3个以上串联的PFC单元；所述PFC单元包括光阳极、多孔隔膜、阴极和反应池，所述光阳极由2片以上的阳极材料叠合固定而成，所述光阳极和阴极分别叠合固定在所述多孔隔膜的两侧面上，所述多孔隔膜将反应池分割为阳极室和阴极室，所述阳极室设置有进水口，所述阴极室设置有出水口，所述串联的PFC单元中上一个PFC单元的出水口与下一个PFC单元的进水口管路连通；所述光电化学废水资源化装置处理的废水中溶解有无机盐和有机化合物。本发明的光电化学废水资源化装置在光源照射光阳极的情况下，通过不断流通过反应池中的溶解有无机盐和有机化合物的废水，可以实现连续的高效废水净化和对外发电。

Description

一种光电化学废水资源化装置及废水处理方法
技术领域
本发明涉及有机废水处理设备领域，具体涉及一种光电化学废水资源化装置及废水处理方法。
背景技术
能源和水资源的短缺是全球面临的两大重要挑战，对人类社会可持续发展构成了严重威胁。废水中蕴含了巨大的能量，废水中1kg化学需氧量(COD)完全矿化理论上可以产生3.86kW h的能量。根据国家统计局的数据显示，我国在2015年的排放废水中化学需氧量排放量为2223.50t，如果完全矿化之后产生的能量为8582710kW h，产生的电能占我国一个中型废水处理厂电耗的80％。近年来随着燃料电池的出现和发展，不仅解决了有机废水的污染问题，而且实现了从废水中回收能源。
随着半导体技术的快速发展，光催化越来越受到人们的重视。光催化燃料电池(Photocatalytic fuel cells,PFCs)是光阳极材料在光的辐射下产生光生电子-空穴对，空穴可以进一步转化成羟基自由基氧化水中难降解有机物或者直接氧化有机物，电子通过外电路产生电能。既可以去除水中有机污染物，同时有机物的化学能转化为电能，具有很高的效率，是一种清洁的技术。
PFCs在环境领域中的应用越来越广泛，一系列的研究工作主要集中在利用不同的光电阳极构建PFCs。Chen.(Environ.Sci.Technol.,2012,46,11451-11458)等人报道了一种WO3/W光阳极构建的PFCs，在模拟太阳光照射下降解苯酚时的短路电流为0.205mA cm-2，开路电压为0.33V；Liu.等人(Int.J.Hydrogen Energy,2019,44,21703-21705)利用Fe/GTiP作为光阳极，Znln2S4作为光阴极材料负载在石墨毡基底上构建了光催化燃料电池用于降解水中抗生素同时对外发电，实验结果显示该电池的开路电压为0.79V，短路电流为2mAcm-2，经过2h的运行对盐酸黄连素(10mg/L)的去除率为65％。尽管所报道的这些PFCs的资源化水平越来越高，但是这些PFCs在实际工程应用中仍然存在以下问题，首先是废水的扰动和不可渗透的光阳极大大限制了阳极表面的传质，低效的传质限制了连续水能协同的应用；其次一些研究者利用离子交换膜把PFCs的阳极和阴极分为两个舱室，极大的提高了基建成本；还有就是传统的PFCs采用贵金属Pt作为阴极，进一步限制了它的广泛应用；还有就是常用的PFCs是一种续批式反应器，严重影响了它的处理效率。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足之处而提供一种光电化学废水资源化装置及废水处理方法。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种光电化学废水资源化装置，所述光电化学废水资源化装置包括光源和3个以上串联的PFC单元；
所述PFC单元包括光阳极、多孔隔膜、阴极和反应池，所述光阳极由2片以上的阳极材料叠合固定而成，所述光阳极和阴极分别叠合固定在所述多孔隔膜的两侧面上，所述多孔隔膜将反应池分割为阳极室和阴极室，所述阳极室设置有进水口，所述阴极室设置有出水口，所述串联的PFC单元中上一个PFC单元的出水口与下一个PFC单元的进水口管路连通；
所述光电化学废水资源化装置用于处理废水，所述处理的废水中溶解有无机盐和有机化合物。
上述的光电化学废水资源化装置在光源照射光阳极的情况下，溶解有无机盐和有机化合物的废水在反应池中，光阳极吸收光子产生电子-空穴对，光生空穴或者空穴进一步被氧化成羟基自由基，废水中的有机分子被羟基自由基氧化，电子则在外电路的连通下转移到阴极用来氧还原，实现了废水的净化和对外发电，如果将废水连续不断的流过上述的光电化学废水资源化装置能够实现连续的高效废水净化和对外发电，发明人通过研究还发现PFC单元间通过串联会产生相互协同作用，强化体系电荷迁移性能，并且发现3个以上串联的PFC单元的电荷迁移性能远远高于单个的PFC单元的电荷迁移性能，使得上述的光电化学废水资源化装置包括3个以上串联的PFC单元后废水处理效率和发电效率更好，发明人经研究发现，光阳极由2片以上的阳极材料叠合固定后极大的提高了电流密度，提高了上述光电化学废水资源化装置的废水处理效率和发电效率。
优选地，所述光阳极的阳极材料为金属网基底的光阳极，所述阴极材料为碳基底阴极材料。
优选地，所述光阳极的阳极材料为钛网基二氧化钛纳米线阵列、钛网基二氧化钛纳米管阵列或钛网基二氧化钛纳米薄膜，所述钛网基二氧化钛纳米线阵列的制备方法包括以下步骤：
(1)将片状钛网浸没在强碱溶液中在密闭容器中于200～250℃反应12～36h，得到片状钛材料；
(2)步骤(1)得到的片状钛材料冷却后用无机酸溶液浸泡清洗；
(3)除去片状钛材料上附着的无机酸后干燥，将干燥后的片状钛材料在450～600℃下热处理1.5～2.5h，得到所述钛网基二氧化钛纳米线阵列。
发明人经过研究发现，上述方法制备的光阳极具有更大的比表面积和更强的光吸收能力，在光催化处理废水过程中，废水可以穿过光阳极，具有优良的传质效率，相比其它薄膜光阳极，增加了单位面积的反应面，具有更多的反应活性位点，能够在光照条件下产生强氧化性的羟基自由基和活性氧，使得上述的光电化学废水资源化装置在应用该方法制备的钛网基二氧化钛纳米线阵列作为光阳极时具有很好的废水处理效率和发电效率，而且上述的光阳极材料由2片以上叠合固定制备为光阳极后极大的提高了电流密度。
优选地，所述钛网基二氧化钛纳米线阵列的制备方法中，所述密闭容器为聚四氟乙烯内衬的高压反应釜，所述无机酸为1mol/L的盐酸。
优选地，所述阴极材料为碳毡基阴极，所述碳毡基阴极的制备方法包括以下步骤：将碳毡用有机溶剂和水清洗干燥后在氮气氛围下于600～1200℃热处理4～7h得到碳毡基阴极。
上述方法制备得到的碳毡基阴极具有很大的比表面积，可以有效地提高电荷转移性能并且增多了反应活性位点，材料无毒无害、低成本、具有良好的柔韧性、可渗透性同时具有良好的导电性和机械稳定性，可以有效地抑制光生载流子的复合、促进光生电子-空穴的分离，实现光生载流子的有效利用，而且能够很好的吸附水中的分子态氧，促进超氧负离子的生成，具有良好的机械稳定性和较长的使用寿命，使得上述的光电化学废水资源化装置在应用该方法制备的碳毡基阴极作为阴极材料时，具有很好的废水处理效率和发电效率，而且发明人发现上述方法制备得到的碳毡基阴极与上述方法制备得到的钛网基二氧化钛纳米线阵列配合也提高了上述的光电化学废水资源化装置的废水处理效率和发电效率。
优选地，所述光阳极由3～4片的阳极材料叠合固定而成。
发明人经过研究发现，光阳极由3～4片的阳极材料叠合固定而成时，既具有很好的电流密度而且使用的材料较少。
优选地，所述光电化学废水资源化装置包括4～9个串联的PFC单元。
发明人经过研究发现，上述方法制备得到的碳毡基阴极与上述方法制备得到的钛网基二氧化钛纳米线阵列配合得到的PFC单元，将4～9个串联的PFC单元与包括3个串联的PFC单元相比，极大程度的提高了开路电压和电流密度，提高了上述的光电化学废水资源化装置的废水处理效率和发电效率。
优选地，所述强碱溶液为氢氧化钠溶液，所述氢氧化钠溶液的浓度为0.8～1.2mol/L。
优选地，所述废水中溶解的无机盐为硫酸钠、硫酸钾或者磷酸盐，所述无机盐的浓度为0.05～0.5mol/L，所述废水中的COD浓度为1mg/L～500mg/L。
优选地，所述光电化学废水资源化装置还包括水泵，所述水泵用于提供废水在串联的PFC单元的反应室中流动的动力。
优选地，所述光源的光强为30～150mW cm-2。
优选地，所述光源为自然光源、模拟太阳光源或者LED光源。
优选地，所述多孔隔膜为尼龙网或多孔陶瓷片。
上述的光电化学废水资源化装置使用尼龙网或多孔陶瓷片作为多孔隔膜时，多孔隔膜具有优越的稳定性和选择透过性，能够提升光电化学废水资源化装置的传质效率，且价格低廉。
本发明还提供一种光电化学废水处理方法，所述光电化学废水处理方法应用上述任一所述的光电化学废水资源化装置，所述光电化学废水处理方法包括以下步骤：
在光源照射光电化学废水资源化装置的光阳极和接通所述串联的PFC单元外电路的条件下，将含有无机盐和有机物的废水流动通过所述串联的PFC单元的反应池。
上述光电化学废水处理方法应用上述任一所述的光电化学废水资源化装置，可以实现有机废水的降解处理，而且同时能够将废水中的COD能源转化为电能。
优选地，所述无机盐为硫酸钠、硫酸钾或者磷酸盐，所述有机物为甲基橙、酸性橙、盐酸四环素、环丙沙星、苯妥英、亚甲基蓝、罗丹明B、双酚A、阿特拉津、2-氯苯酚中的至少一种。
本发明的有益效果在于：本发明提供了一种光电化学废水资源化装置和废水处理方法，本发明的光电化学废水资源化装置在光源照射光阳极的情况下，通过不断流通过反应池中的溶解有无机盐和有机化合物的废水，可以实现连续的高效废水净化和对外发电；本发明的光电化学废水资源化装置能够适应各种废水环境，对进水有机污染物浓度、pH、盐度的要求比较低，可以很好地处理电镀废水、造纸废水、化工废水和污染海水；本发明的光电化学废水资源化装置能够实现对多种废水的资源化利用，整个过程不会产生二次污染，且可以在长时间运行下都可以保持良好的效果。
附图说明
图1为本发明实施例的光电化学废水资源化装置的结构示意图和实物图，其中，a为示意图，b为实物图。
图2为本发明实施例的光电化学废水资源化装置的钛网基二氧化钛纳米线阵列光阳极材料的扫描电镜图；其中，图2-1是低倍扫描电镜图；图2-2是高倍扫描横截面图。
图3为本发明实施例的光电化学废水资源化装置的碳毡基阴极扫描电镜图。
图4为本发明实施例的光电化学废水资源化装置PFC单元的光阳极的材料叠合片数的LSV曲线效果对比图，(a)光阳极由1片阳极材料组成，(b)光阳极由2片阳极材料组成，(c)光阳极由3片阳极材料组成，(d)光阳极由4片阳极材料组成。
图5为本发明实施例的光电化学废水资源化装置的PFC单元的串联个数对光电化学废水资源化装置的电池性能的影响对比图，(a)实施例1的光电化学废水资源化装置，(b)实施例2的光电化学废水资源化装置。
图6为本发明实施例光电化学废水资源化装置处理甲基橙溶液的去除率曲线图。
图7为本发明中实施例光电化学废水资源化装置在模拟太阳光AM1.5照射条件下于0.1mol/L硫酸钠电解质和20mg/L甲基橙溶液中的电池性能曲线图，其中，其中曲线1是电流-电压曲线；曲线2是功率-电压曲线。
图8为本发明实施例的光电化学废水资源化装置处理甲基橙溶液的去除稳定性测试曲线图。
图9为本发明实施例的光电化学废水资源化装置在模拟太阳光AM1.5照射条件下于0.1mol/L硫酸钠电解质和20mg/L甲基橙溶液中对外发电曲线图，其中曲线1是电压-时间曲线；曲线2是电流-时间曲线。
图10为本发明实施例的光电化学废水资源化装置在太阳光下运行的结果图，其中，其中，曲线1为光强随时间的变化曲线；曲线2为甲基橙的去除率；曲线3为运行时的光电流。
图11为本发明实施例的光电化学废水资源化装置在光强为62mW cm-2下运行时的电池性能曲线图。
具体实施方式
为更好的说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
作为本发明实施例的一种光电化学废水资源化装置，所述光电化学废水资源化装置包括光源和3个串联的PFC单元；
所述光源为AM1.5光源；
所述PFC单元包括光阳极、多孔隔膜、阴极和反应池，所述光阳极由3片直径3cm的圆片阳极材料叠合而成，圆片阳极材料边缘2mm的区域通过导电银胶粘结有导线A，所述阴极为3cm的圆片碳毡基阴极材料，圆片阴极材料边缘2mm的区域通过导电银胶粘结有导线B，将光阳极和阴极分别叠合固定在所述多孔隔膜的两侧面上，对光阳极和阴极叠合在多孔隔膜的两侧面后将硅酮橡胶涂覆在圆片的光阳极和阴极的圆周边缘以及多孔隔膜的四周边缘，固定有光阳极和阴极的多孔隔膜安装在所述反应池中将反应池分割为阳极室和阴极室，所述阳极室设置有进水口，所述阴极室设置有出水口，所述串联的PFC单元中上一个PFC单元的出水口与下一个PFC单元的进水口管路连通；
所述光电化学废水资源化装置处理的废水中溶解有无机盐和有机化合物；
所述多孔隔膜为尼龙网；
所述阳极材料为钛网基二氧化钛纳米线阵列，钛网基二氧化钛纳米线阵列阳极材料的制备方法包括以下步骤：
(1)片状100目大小的钛网用含有HF:HNO3:H2O＝1:4:5(体积比)的溶液化学抛光3s以上，用去离子水冲洗5次后在60℃干燥备用；
(2)将步骤(1)处理后的钛网置于盛有70ml 1mol/L氢氧化钠溶液的聚四氟乙烯内衬的高压反应釜中，将密封的高压反应釜转置于鼓风干燥箱中220℃反应24h，得到片状钛材料；
(3)自然冷却后用1mol/L的盐酸浸泡步骤(2)得到的片状钛材料30min以上后用乙醇和水冲洗多次，将片状钛材料80℃干燥24h后以2℃min-1的升温速率升温至500℃热处理2h，得到所述钛网基二氧化钛纳米线阵列阳极材料；
所述碳毡基阴极材料的制备方法包括以下步骤：
(Ⅰ)将碳毡依次分别用乙酸乙酯、乙醇、去离子水超声清洗30min后干燥；
(Ⅱ)将步骤(1)处理后的碳毡在氮气气氛下以5℃/min的升温速率升温至1000℃后热处理5h，得到所述碳毡基阴极材料。
实施例2
作为本发明实施例的一种光电化学废水资源化装置，本实施例与实施例1的唯一区别为：光电化学废水资源化装置包括4个串联的PFC单元。
实施例3
作为本发明实施例的一种光电化学废水资源化装置，本实施例与实施例1的唯一区别为：光电化学废水资源化装置包括9个串联的PFC单元。
如图1所示为本实施例的光电化学废水资源化装置的示意图和实物图。
实施例4
作为本发明实施例的一种光电化学废水资源化装置，本实施例与实施例3的唯一区别为：所述光源为自然光源。
实施例5
作为本发明实施例的一种光电化学废水资源化装置，本实施例与实施例1的唯一区别为：所述光阳极由2片直径3cm的圆片阳极材料叠合而成。
实施例6
作为本发明实施例的一种光电化学废水资源化装置，本实施例与实施例1的唯一区别为：所述光阳极由4片直径3cm的圆片阳极材料叠合而成。
实施例7
作为本发明实施例的一种光电化学废水处理方法，所述光电化学废水处理方法应用如实施例3所述的光电化学废水资源化装置，所述光电化学废水处理方法包括以下步骤：
在开启光源和接通所述串联的PFC单元外电路的条件下，将含有电解质和有机物的废水流动通过所述串联的PFC单元的反应池。
对比例1
作为本发明实施例的一种光电化学废水资源化装置，本实施例与实施例1的唯一区别为：所述光阳极由1片直径3cm的圆片阳极材料叠合而成。
效果例1
光阳极材料和阴极材料的扫描电镜表征。
图2为实施例1中的钛网基二氧化钛纳米线阵列光阳极材料的扫描电镜图和横截面图。图2-1为低倍扫描电镜图，由图2-1可知二氧化钛纳米线均匀地覆盖在钛网基底上；图2-2是高倍扫描电镜下二氧化钛纳米线的横截面图，从图2-2中可以看出，二氧化钛纳米线是垂直生长在钛网表面，这种钛网基底的二氧化钛纳米线阵列的三维结构使得钛网基二氧化钛纳米线阵列光阳极材料具有很大的比表面积和较好的光吸附性能，且具有很好的传质效果，增加了反应活性面，钛网基二氧化钛纳米线阵列是一种性能很好的柔性、可穿透的光催化阳极材料。
图3为实施例1中的碳毡基阴极材料在不同倍数下的扫描电镜图。由图3-1可以看出，制备得到的碳毡基阴极材料是交错构成的网状结构，同时从图3-2、3-3可以看出，制备得到的碳毡基的表面粗糙，同时有很多的小坑洼，实施例1中的碳毡基阴极材料，由于其独特的网状结构，具有较大的比表面积，有利于废水的流动和传质，同时具有很好的导电性，具有优良的电荷传输能力。
效果例2
对实施例1、实施例4、实施例5和对比例1中的单个的PFC单元在AM1.5光源照射光阳极下进行LSV曲线测试，以0.1mol/L的硫酸钠的水溶液为电解质溶液。
结果如图4的结果表明，当光阳极由2片以上的阳极材料叠合固定而成时，极大程度的提高了PFC单元的电流密度，而且取得了协同效果，而且发现当光阳极由3～4片的阳极材料叠合固定而成时，PFC单元既具有很好的电流密度而且使用的材料较少。
效果例3
对实施例1-实施例2的电池性能进行检测，结果如图5所示，在模拟太阳光AM1.5照射条件下，于0.1mol/L硫酸钠电解质和20mg/L甲基橙溶液中的电池性能曲线。发现实施例2的包括4个串联的PFC单元的光电化学废水资源化装置与实施例1的包括3个串联的PFC单元的光电化学废水资源化装置相比，电池性能提升了1倍以上。实施例2与实施例1相比，只要多串联1个PFC单元，就能使得电池性能提升了1倍以上，实施例2与实施例1相比性价比更高。
效果例4
应用实施例3的光电化学废水资源化装置降解有机废水，方法如下：
用AM1.5光源照射光电化学废水资源化装置的光阳极，将20mg/L的甲基橙和0.1mol/L的硫酸钠混合溶液，以5mL min-1的流速将混合溶液依次流过光电化学废水资源化装置的PFC单元的反应池。示意图如图1所示。
对照实验1：
本对照实验与上述方法的区别为：PFC单元不包括阴极和多孔隔膜，只将3片直径3cm的圆片阳极材料叠合后固定在反应池中。
对照实验2：
本对照实验与上述方法的区别为：不使用光源照射光阳极。
实验结果如图6所示，其中，曲线1表示实施例3的光电化学废水资源化装置降解甲基橙的去除率曲线，经过40min的运行后，对甲基橙的去除率可以达到95％；曲线2表示对照实验2的甲基橙的去除率曲线，经过90min的运行，对甲基橙的去除率仅有20％。开路电压为0.5V，短路电流为0.06mA，最大功率为23μW；曲线3表示照实验1的甲基橙的去除率曲线，经过90min的运行，对甲基橙的去除率仅有10％。说明将钛网基二氧化钛纳米线阵列光阳极材料和碳毡基阴极材料构建成PFC单元后能够极大程度的提高有机废水中有机物的降解效率。
如图7所示，实施例3的光电化学废水资源化装置在处理20mg/L的甲基橙和0.1mol/L的硫酸钠混合溶液时的电池性能曲线，其中曲线1是电流-电压曲线，曲线2是功率-电压曲线。从图7可以得知在此过程中的短路电流为15.2mA，开路电压为12.5V，最大功率密度为73.7mW，填充因子为38.8％。
如图8所示，实施例3的光电化学废水资源化装置在处理20mg/L的甲基橙和0.1mol/L的硫酸钠混合溶液连续运行48h对甲基橙的去除率，结果显示，经过长时间的运行，对甲基橙的去除率几乎没衰减。
如图9所示，实施例3的光电化学废水资源化装置在处理20mg/L的甲基橙和0.1mol/L的硫酸钠混合溶液时的电池性能曲线，其中曲线1是电压-时间曲线，曲线2是电流-时间曲线。实施例3的光电化学废水资源化装置经过48h运行之后，电能的产生几乎没有发生变化，仍然保持很高的效率。
上述结果说明了实施例3的光电化学废水资源化装置具有很高有机废水降解效率和电能转化效率，同时具有很好的稳定性。
效果例5
应用实施例3的光电化学废水资源化装置降解有机废水，方法如下：
用AM1.5光源照射光电化学废水资源化装置的光阳极，将20mg/L的2-氯苯酚和0.1mol/L的硫酸钠混合溶液，以5mL min-1的流速将混合溶液依次流过光电化学废水资源化装置的PFC单元的反应池。
实施例3的光电化学废水资源化装置处理20mg/L的2-氯苯酚和0.1mol/L的硫酸钠混合溶液时，经过40min的运行，2-氯苯酚的去除率为98.4％，体系的开路电压为13.8V，短路电流为21.5mA，最大功率密度为111.7mW。
效果例6
应用实施例3的光电化学废水资源化装置降解有机废水，方法如下：
用AM1.5光源照射光电化学废水资源化装置的光阳极，将20mg/L的阿特拉津和0.1mol/L的硫酸钠混合溶液，以5mL min-1的流速将混合溶液依次流过光电化学废水资源化装置的PFC单元的反应池。
实施例3的光电化学废水资源化装置处理20mg/L的阿特拉津和0.1mol/L的硫酸钠混合溶液时，经过40min的运行，阿特拉津的去除率为96.5％，体系的开路电压为14.5V，短路电流为20.4mA，最大功率密度为115.2mW。
效果例7
应用实施例3的光电化学废水资源化装置降解有机废水，方法如下：
用AM1.5光源照射光电化学废水资源化装置的光阳极，将20mg/L的盐酸四环素和0.1mol/L的硫酸钠混合溶液，以5mL min-1的流速将混合溶液依次流过光电化学废水资源化装置的PFC单元的反应池。
实施例3的光电化学废水资源化装置处理20mg/L的盐酸四环素和0.1mol/L的硫酸钠混合溶液时，经过40min的运行，盐酸四环素的去除率为96.5％，体系的开路电压为14.6V，短路电流为20.8mA，最大功率密度为124.6mW。
效果例8
应用实施例3的光电化学废水资源化装置降解有机废水，方法如下：
用AM1.5光源照射光电化学废水资源化装置的光阳极，将20mg/L的罗丹明B和0.1mol/L的硫酸钠混合溶液，以5mL min-1的流速将混合溶液依次流过光电化学废水资源化装置的PFC单元的反应池。
实施例3的光电化学废水资源化装置处理20mg/L的罗丹明B和0.1mol/L的硫酸钠混合溶液时，经过40min的运行，罗丹明B的去除率为98.4％，体系的开路电压为13.8V，短路电流为21.5mA，最大功率密度为111.7mW。
效果例9
应用实施例3的光电化学废水资源化装置降解有机废水，方法如下：
用AM1.5光源照射光电化学废水资源化装置的光阳极，将20mg/L的苯妥英和0.1mol/L的硫酸钠混合溶液，以5mL min-1的流速将混合溶液依次流过光电化学废水资源化装置的PFC单元的反应池。
实施例3的光电化学废水资源化装置处理20mg/L的苯妥英和0.1mol/L的硫酸钠混合溶液时，经过40min的运行，苯妥英的的去除率为96.2％，体系的开路电压为13.9V，短路电流为19.5mA，最大功率密度为109.4mW。
效果例10
应用实施例4的光电化学废水资源化装置降解有机废水，方法如下：
将实施例4的光电化学废水资源化装置放置在广东省广州市某建筑物顶层(当地时间：2019年4月23日，位置：北纬23°02′36.67″，东经113°21′40.25″)，在太阳光辐射下，将20mg/L的甲基橙和0.1mol/L的硫酸钠混合溶液，以5mL min-1的流速将混合溶液依次流过光电化学废水资源化装置的PFC单元的反应池，运行时间为12：30～13：12。
实施例4的光电化学废水资源化装置运行时，记录的光强度如图10曲线1所示，对甲基橙的去除率如图10曲线2所示，实施例4的光电化学废水资源化装置运行时的光电流如图10曲线3所示。由图10中可以看出，运行过程中，光强在36～72mW cm-2范围内变化，甲基橙的去除率为54％～72％，光电流为0.9～1.35mA，具体的在光强为64.6mW cm-2时，对甲基橙的去除率为68％，光电化学废水资源化装置的光电流为1.31mA。
如图11所示，为实施例4的光电化学废水资源化装置运行时，在光强度为62mW cm-2时的电池性能曲线，其中，曲线1表示电流-电压曲线；曲线2是功率-电压曲线。由图可以看出，在此光照条件下，体系的开路电压为3.11V，短路电流为1.26mA，最大功率为0.62mW。
以上结果说明实施例4的光电化学废水资源化装置可以实现在太阳光照射下降解有机废水，且具有良好的发电性能和降解效率。
效果例11
应用实施例4的光电化学废水资源化装置降解有机废水，方法如下：
将实施例4的光电化学废水资源化装置放置在广东省广州市某建筑物顶层(当地时间：2019年4月23日，位置：北纬23°02′36.67″，东经113°21′40.25″)，在太阳光辐射下，将预处理后的造纸废水，以5mL min-1的流速将造纸废水依次流过光电化学废水资源化装置的PFC单元的反应池，运行时间为12：30～13：12，造纸废水预处理的方法为：将造纸废水经过过滤、离心、酸析后稀释10倍，得到的预处理之后的造纸废水的COD为252.3mg/L，色度为186度。
实施例4的光电化学废水资源化装置处理造纸废水运行时，出水的COD为62mg/L，色度为35.1度，对COD和色度的去除率分别可以达到75.4％、81.1％。实施例4的光电化学废水资源化装置处理造纸废水运行时的开路电压为14.1V，短路电流为19.7mA，最大功率为102.5mW。说明实施例4的光电化学废水资源化装置处理造纸废水运行时，具有良好的发电性能和对造纸废水中有机物的降解效果。
效果例12
应用实施例4的光电化学废水资源化装置降解有机废水，方法如下：
将实施例4的光电化学废水资源化装置放置在广东省广州市某建筑物顶层(当地时间：2019年4月23日，位置：北纬23°02′36.67″，东经113°21′40.25″)，在太阳光辐射下，将海水养殖废水以2mL min-1的流速依次流过光电化学废水资源化装置的PFC单元的反应池，运行时间为12：30～13：12，海水养殖废水的氨氮浓度为50mg/L，pH为8，COD浓度为500mg/L。
实施例4的光电化学废水资源化装置处理海水养殖废水时，氨氮去除率为94％，COD去除率为75％，同时在该体系下的开路电压为15.1V，短路电流为21.9mA，最大功率为125.1mW，说明实施例4的光电化学废水资源化装置处理海水养殖废水运行时，具有良好的发电性能和对海水养殖废水中有机物、氨氮的降解效果。
最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (10)

1.一种光电化学废水资源化装置，其特征在于，所述光电化学废水资源化装置包括光源和3个以上串联的PFC单元；
所述PFC单元包括光阳极、多孔隔膜、阴极和反应池，所述光阳极由2片以上的阳极材料叠合固定而成，所述光阳极和阴极分别叠合固定在所述多孔隔膜的两侧面上，所述多孔隔膜将反应池分割为阳极室和阴极室，所述阳极室设置有进水口，所述阴极室设置有出水口，所述串联的PFC单元中上一个PFC单元的出水口与下一个PFC单元的进水口管路连通；
所述光电化学废水资源化装置用于处理废水，所述处理的废水中溶解有无机盐和有机化合物。
2.根据权利要求1所述的光电化学废水资源化装置，其特征在于，所述光阳极的阳极材料为金属网基底的光阳极，所述阴极材料为碳基底阴极材料。
3.根据权利要求1所述的光电化学废水资源化装置，其特征在于，所述光阳极的阳极材料为钛网基二氧化钛纳米线阵列、钛网基二氧化钛纳米管阵列或钛网基二氧化钛纳米薄膜，所述钛网基二氧化钛纳米线阵列的制备方法包括以下步骤：
(1)将片状钛网浸没在强碱溶液中在密闭容器中于200～250℃反应12～36h，得到片状钛材料；
(2)步骤(1)得到的片状钛材料冷却后用无机酸溶液浸泡清洗；
(3)除去片状钛材料上附着的无机酸后干燥，将干燥后的片状钛材料在450～600℃下热处理1.5～2.5h，得到所述钛网基二氧化钛纳米线阵列。
4.根据权利要3所述的光电化学废水资源化装置，其特征在于，所述阴极材料为碳毡基阴极，所述碳毡基阴极的制备方法包括以下步骤：
将碳毡用有机溶剂和水清洗干燥后在氮气氛围下于600～1200℃热处理4～7h得到碳毡基阴极。
5.根据权利要求4所述的光电化学废水资源化装置，其特征在于，所述光阳极由3～4片的阳极材料叠合固定而成。
6.根据权利要求4所述的光电化学废水资源化装置，其特征在于，所述光电化学废水资源化装置包括4～9个串联的PFC单元。
7.根据权利要4所述的光电化学废水资源化装置，其特征在于，所述强碱溶液为氢氧化钠溶液，所述氢氧化钠溶液的浓度为0.8～1.2mol/L。
8.根据权利要1所述的光电化学废水资源化装置，其特征在于，所述处理的废水中溶解的无机盐为硫酸钠、硫酸钾或者磷酸盐，所述无机盐的浓度为0.05～0.5mol/L，所述废水的COD浓度为1mg/L～500mg/L，所述光电化学废水资源化装置还包括水泵，所述水泵用于提供废水在串联的PFC单元的反应室中流动的动力，所述的光源的光强为30～150mW cm-2，所述多孔隔膜为尼龙网或多孔陶瓷片。
9.一种光电化学废水处理方法，其特征在于，所述光电化学废水处理方法应用如权利要求1-8任一所述的光电化学废水资源化装置，所述光电化学废水处理方法包括以下步骤：
在光源照射光电化学废水资源化装置的光阳极和接通所述串联的PFC单元外电路的条件下，将含有无机盐和有机物的废水流动通过所述串联的PFC单元的反应池。
10.根据权利要求9所述的光电化学废水处理方法，所述无机盐为硫酸钠、硫酸钾或者磷酸盐，所述有机物为甲基橙、酸性橙、盐酸四环素、环丙沙星、苯妥英、亚甲基蓝、罗丹明B、双酚A、阿特拉津、2-氯苯酚中的至少一种。
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