CN111620415A - 一种基于新能源的电化学除藻方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于新能源的电化学除藻方法，具体包括如下过程：首先采用风光互补发电系统进行发电，然后将风光互补发电系统发好的电能供给电化学除藻系统，通过电化学除藻系统对水中的藻类进行灭杀。该除藻系统安装在藻类滋生区域，可通过充气式浮子调节装置在水中的垂直位置，以达到最佳除藻效果。本发明解决了富营养化水体的藻类去除困难、电化学除藻技术能耗高的问题。

Description

一种基于新能源的电化学除藻方法
技术领域
本发明属于电化学除藻技术领域，涉及一种基于新能源的电化学除藻方法。
背景技术
藻类广泛地分布自然界中，它们在生态系统中的元素循环、保证生态物种多样性等方面有着不可替代的重要作用。但环境中藻类的大量爆发也会造成许多问题，比如在水生态环境领域藻类大量爆发引起的水体富营养化：藻类爆发会消耗水中大量的溶解氧，改变原有的水生态环境，使得水中的大量动植物死亡恶化水质，大量爆发的藻细胞在繁殖的过程中也会产生如藻毒素等有害物质，危害人类和动物的饮水安全；当藻类在作为饮用水源的水体中大量爆发时，会严重影响给水处理工艺各单元的处理效果，不仅增加水处理成本，也难以保证出水水质，倘若藻类在给水处理工艺中未被完全去除而进入供水管网中，会滋生细菌等微生物使供水水质变差，不仅影响到供水管网的使用寿命，也会威胁人类的饮水安全。
目前的常规除藻技术主要有物理法、化学法和生物法，物理法主要有气浮、絮凝、直接过滤、机械打捞、遮光技术等，这些方法清除藻类不会产生污染物但费用昂贵，仅适用于应急处理，局限性较大；化学法有混凝沉淀、氧化法等，化学法处理高效且成本较低，但投加的药剂有可能对水生物有毒害作用，易于引发二次污染；生物法包括生物处理技术和生态修复技术，生物法应用比较广泛，但处理效果的稳定性差，成本较高。
电化学法是近年来新兴的高级氧化技术之一，有研究表明电化学法在控制藻类爆发方面有潜在优势，其原理主要是通过电化学氧化产生的各种活性自由基和电场作用下的微电流，破坏藻类的细胞结构将其灭活，进而灭杀藻类。电化学法清洁高效、操作简单、反应条件温和，然而，电化学法除藻需要持续性通电，对于偏远的天然水域处理，电能供给不灵活，如何降低能耗并持续供电成为了困扰性的难题。
当前我国绿色新能源的开发利用正在蓬勃发展，风光互补发电系统便是其中的研究热点，它利用了风能和太阳能资源的互补性，是一种具有较高性价比的新型能源发电系统，即可并网使用，也可单独使用，有着很好的应用前景。据此将风光互补发电系统与电化学除藻方法结合，设计一种风光互补发电驱动电化学除藻方法，将其应用于除藻技术领域，既可高效除藻，改善水生态环境，也可借助新能源系统在一定程度上解决了电化学除藻方法的电能输入与成本问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于新能源的电化学除藻方法，该方法解决了富营养化水体的藻类去除困难、电化学除藻技术能耗高的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种基于新能源的电化学除藻方法，具体包括如下过程：首先采用风光互补发电系统进行发电，然后将风光互补发电系统发好的电能供给电化学除藻系统，通过电化学除藻系统对水中的藻类进行灭杀。
本发明的特点还在于，
电化学除藻系统包括上下平行设置的两条电缆，每条电缆的两端分别同轴套接有绝缘套，绝缘套的一端套接在电缆上，绝缘套的另一端设有固定环；两条电缆连接直流电源，直流电源通过风光互补发电系统供电；两条电缆之间还依次分布有若干个电化学反应电极组，各电化学反应电极组之间通过绝缘支撑杆连接。
每个电化学反应组包括一个阳极电极和一个阴极电极，相邻电化学反应组之间中的阳极电极和阴极电极交错设置。
支撑杆上间隔设有若干个套环，电化学反应组中的阴极电极和阳极电极分别同轴套接在套环中。
阴极电极和阳极电极通过电极座与电缆连接。
阴极电极和阳极电极之间的支撑杆上设有可充气式浮子，调节除藻装置在水中的垂直位置。
风光互补发电系统包括风力发电机和太阳能电池板，风力发电机和太阳能电池板均连接风光互补控制器，风光互补控制器分别连接蓄电池组、直流电源及逆变器；
所述风光互补发电系统的工作过程为：
风力发电机利用风力机将风能转化为机械能，再通过发电机将机械能转化为电能，太阳能电池板通过光伏效应将太阳能转化为电能，风光互补控制器根据风能大小、日照强度及电化学反应装置工作负载的变化不同，存在如下两种工作状态：
a)：风力发电机和太阳能电池板转化后的电能充足时，将产生的直流电经过风光互补控制器分两路输出，第一路传输给直流电源驱动电化学除藻系统运行，第二路经过逆变器转换为交流电送往交流负载；当第一路向直流电源供电后还有剩余电量时，将剩余电量储存在蓄电池组中；
b)：当风力发电机和太阳能电池板的发电量不能满足电化学除藻系统工作时，风光互补控制器将蓄电池组中储存的电能输送至电化学除藻系统的直流电源中。
电化学除藻系统的工作过程为：直流电源接通电源开始运行，电能来自风光互补发电系统，直流电源启动，电化学除藻系统通电工作，电缆连接间隔排布的多个电化学反应电极组形成一个平面反应区，对该平面反应区内的水藻进行电化学处理：阳极电极催化产生大量活性自由基，若水中有氯离子，阳极电极还可将水中的氯离子变为高氯酸根、次氯酸根，高氯酸根、次氯酸根透过藻类细胞膜表面作用于藻类细胞膜内部的细胞器和酶，通过降解糖类和蛋白质这些高分子物质将藻类细胞灭活；
同时电化学反应区内存在电场作用，电场作用下的微电流与电压直接击穿藻类细胞的细胞膜表面形成小孔，增加细胞通透性，使细胞质流出，电化学氧化和电场作用两者协同杀死了藻类细胞，实现了对水中藻类的灭杀。
本发明的有益效果是，本发明将风光互补发电系统与电化学除藻法结合起来，将风能和光能转化的电能用于富营养化水体中藻类的控制，在一定程度上解决了电化学除藻法的能耗问题，电化学处理后有效的控制了富营养化水体中藻类的爆发，实现了高效的除藻净水功能，具体的处理效率依据水质特征、电极材料及数量而有所不同。
附图说明
图1为本发明一种基于新能源的电化学除藻方法中电化学除藻系统的结构示意图；
图2是本发明一种基于新能源的电化学除藻方法中风光互补发电系统的结构示意图；
图3是本发明一种基于新能源的电化学除藻方法中实施例1的处理效果图；
图4是本发明一种基于新能源的电化学除藻方法中实施例2的处理效果图。
图中，1.风光互补发电系统，2.直流电源，3.保险装置，4.电极座， 5.电缆，6.浮子，7.支撑杆，8.阴极电极，9.绝缘套，10.固定环，11. 阳极电极，12.风力发电机，13.太阳能电池板，14.风光互补控制器， 15.蓄电池组，16.逆变器，17.套环。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种基于新能源的电化学除藻方法，具体包括如下过程：首先采用风光互补发电系统进行发电，然后将风光互补发电系统发好的电能供给电化学除藻系统，通过电化学除藻系统对水中的藻类进行灭杀。
如图1所示，电化学除藻系统包括上下平行设置的两条电缆5，每条电缆5的两端分别同轴套接有绝缘套9，绝缘套9的一端套接在电缆5上，绝缘套9的另一端设有固定环10；两条电缆5之间连接直流电源2，直流电源2通过风光互补发电系统1供电；其中一条电缆5上设有保险装置3。
两条电缆5之间还依次分布有若干个电化学反应电极组，各电化学反应电极组之间通过支撑杆7连接。
每个电化学反应组包括一个阳极电极11和一个阴极电极8，相邻电化学反应组之间中的阳极电极11和阴极电极8交错设置。
支撑杆7上间隔设有若干个套环17，电化学反应组中的阴极电极8和阳极电极11分别同轴套接在套环17中。
阴极电极8和阳极电极11通过电极座4与电缆5连接。
阴极电极8和阳极电极11之间的支撑杆7上设有浮子6。
阴极电极8和阳极电极11的两端均设有螺纹，电极座4上设有螺帽，电极座4分别与阴极电极8、阳极电极11通过螺纹连接。
直流电源2采用可倒极的直流电源(电源设有一个控制程序，可输出连续或脉冲式电力，并可设置倒极频率/时间，依据设定参数电源自动进行阴阳极转换)，根据水质实际情况调节电流密度在1～10 mA/cm2范围内，电压在安全范围内<38V；
如图2所示，风光互补发电系统1包括风力发电机12和太阳能电池板13，风力发电机12和太阳能电池板13均连接风光互补控制器14，风光互补控制器14分别连接蓄电池组15、直流电源2及逆变器16；
在风光互补发电系统中，风力发电机12利用风力机将风能转化为机械能，再通过发电机将机械能转化为电能，太阳能电池板13通过光伏效应将太阳能转化为电能。风光互补控制器14根据风能大小、日照强度及电化学反应装置工作负载的变化不同，有两种工作状态：
a)：风力发电机12和太阳能电池板13转化后的电能充足时，经风光互补控制器14变成的稳定直流电送往直流电源2驱动电化学除藻系统运行，其余部分经逆变器16转换为交流电后送往交流负载(控制系统、保险装置)，之后富余的电能储存在铅酸蓄电池组15中；
b)：用电器负载较高，风力发电机12和太阳能电池板13的发电量不能满足电化学反应装置工作需要，风光互补控制器14进行调整，把蓄电池组15中储存的电能送往用电负载，保证了整个系统工作的连续性和稳定性。
电化学除藻系统的工作过程为：
直流电源4接通电源开始运行，电能来自风光互补发电系统1。外接直流电源4开关打开，电化学除藻系统通电工作。电缆7连接间隔排布的多个网状阴阳电极形成一个平面反应区(可根据需要自行设置，此处以5个电极为例)，对该平面反应区内的水藻进行电化学处理：阳极电极11催化产生大量活性自由基(主要是HO·)，若水中有氯离子，阳极电极还可将水中的氯离子变为高氯酸根、次氯酸根等强氧化性物质，它们透过藻类细胞膜表面作用于内部的细胞器和酶，通过降解糖类和蛋白质等高分子物质将藻类细胞灭活。同时形成的电化学反应区内存在电场作用，电场作用下的微电流与电压直接击穿藻类细胞的细胞膜表面形成小孔，增加细胞通透性，使细胞质流出，以上电化学氧化和电场作用两者协同加速了藻类细胞的死亡，实现了对水中藻类的高效灭杀。
电化学反应区内的藻类细胞被灭杀后，此时根据需要控制附着在支撑杆7上的可充气式浮子6，使上述的平面反应区上下移动，可处理该区域其它纵向位置中的藻类。
控制直流电源2倒极的控制系统(该控制系统为现有结构)运行过程中，达到设定值后，电源自动反转电化学除藻系统中的阴极电极和阳极电极，互换两电极极性。保险装置3对直流电源2中的电流进行实时监测，当电流异常高于设定的安全值，切断直流电源2，电化学除藻系统停止工作。
实施例1
取某藻类滋生水体1L，在基于新能源的电化学除藻方法中，电化学系统中的阴极和阳极材料均采用网状Ti/Ti-RuO2，阴阳电极间隔布置，当外施电流密度为3mA/cm2，pH为7.15，电解时间为30min 时，藻类的去除率为93.1％。处理效果如图3所示。
实施例2
取某藻类滋生水体1L，在基于新能源的电化学除藻方法中，电化学系统中的阴极和阳极材料均采用网状Ti/Ir-RuO2，阴阳电极间隔布置，当外施电流密度为2mA/cm2，pH为7.78，电解时间为60min 时，藻类的去除率为89.2％。处理效果如图4所示。

Claims (8)

1.一种基于新能源的电化学除藻方法，其特征在于：具体包括如下过程：首先采用风光互补发电系统进行发电，然后将风光互补发电系统发好的电能供给电化学除藻系统，通过电化学除藻系统对水中的藻类进行灭杀。
2.根据权利要求1所述的一种基于新能源的电化学除藻方法，其特征在于：所述电化学除藻系统包括上下平行设置的两条电缆，每条电缆的两端分别同轴套接有绝缘套，绝缘套的一端套接在电缆上，绝缘套的另一端设有固定环；两条电缆之间连接直流电源，直流电源通过风光互补发电系统供电；
两条电缆之间还依次分布有若干个电化学反应电极组，各电化学反应电极组之间通过支撑杆连接。
3.根据权利要求2所述的一种基于新能源的电化学除藻方法，其特征在于：每个所述电化学反应组包括一个阳极电极和一个阴极电极，相邻电化学反应组之间中的阳极电极和阴极电极交错设置。
4.根据权利要求3所述的一种基于新能源的电化学除藻方法，其特征在于：所述支撑杆上间隔设有若干个套环，电化学反应组中的阴极电极和阳极电极分别同轴套接在套环中。
5.根据权利要求4所述的一种基于新能源的电化学除藻方法，其特征在于：所述阴极电极和阳极电极通过电极座与电缆连接。
6.根据权利要求3所述的一种基于新能源的电化学除藻方法，其特征在于：所述阴极电极和阳极电极之间的支撑杆上设有充气式浮子，可调节装置在水中的垂直位置。
7.根据权利要求3所述的一种基于新能源的电化学除藻方法，其特征在于：所述风光互补发电系统包括风力发电机和太阳能电池板，风力发电机和太阳能电池板均连接风光互补控制器，风光互补控制器分别连接蓄电池组、直流电源及逆变器；
所述风光互补发电系统的工作过程为：
风力发电机利用风力机将风能转化为机械能，再通过发电机将机械能转化为电能，太阳能电池板通过光伏效应将太阳能转化为电能，风光互补控制器根据风能大小、日照强度及电化学反应装置工作负载的变化不同，存在如下两种工作状态：
a)：风力发电机和太阳能电池板转化后的电能充足时，将产生的直流电经过风光互补控制器分两路输出，第一路传输给直流电源驱动电化学除藻系统运行，第二路经过逆变器转换为交流电送往交流负载；当第一路向直流电源供电后还有剩余电量时，将剩余电量储存在蓄电池组中；
b)：当风力发电机和太阳能电池板的发电量不能满足电化学除藻系统工作时，风光互补控制器将蓄电池组中储存的电能输送至电化学除藻系统的直流电源中。
8.根据权利要求3所述的一种基于新能源的电化学除藻方法，其特征在于：所述电化学除藻系统的工作过程为：直流电源接通电源开始运行，电能来自风光互补发电系统，直流电源开关打开，电化学除藻系统通电工作，电缆连接间隔排布的多个电化学反应电极组形成一个平面反应区，对该平面反应区内的水藻进行电化学处理：阳极电极催化产生大量活性自由基，若水中有氯离子，阳极电极还可将水中的氯离子变为高氯酸根、次氯酸根，高氯酸根、次氯酸根透过藻类细胞膜表面作用于藻类细胞膜内部的细胞器和酶，通过降解糖类和蛋白质这些高分子物质将藻类细胞灭活；
同时电化学反应区内存在电场作用，电场作用下的微电流与电压直接击穿藻类细胞的细胞膜表面形成小孔，增加细胞通透性，使细胞质流出，电化学氧化和电场作用两者协同杀死了藻类细胞，实现了对水中藻类的灭杀。
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