CN113060799B - 基于三明治结构电极的自吸水自发电式水处理装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于三明治结构电极的自吸水自发电式水处理装置和方法，包括：三明治结构电极、进水箱和产水箱；三明治结构电极为顺序叠放的空气正极、分隔材料、薄膜负极、分隔材料和空气正极组成的双正极‑单负极结构；分隔材料分别与两侧的空气正极和薄膜负极接触，分隔材料的两端裸露于接触面外，一端裸露的两层分隔材料用于置于进水箱的水中，另一端裸露的两层分隔材料与产水箱连通；分隔材料为厚度小于或等于1mm的具有吸水性且不导电的多孔薄膜材料；薄膜负极和一个空气正极分别通过导线与用电设备相连，用于对用电设备供电。本装置具有低内阻、高产电以及无需外加电能的完全自供电技术。

Description

基于三明治结构电极的自吸水自发电式水处理装置和方法

技术领域

本发明涉及金属空气电池和水处理技术领域，尤其涉及一种基于三明治结构电极的自吸水自发电式水处理装置和方法。

背景技术

近年来，基于自供电的可持续净水技术成为水污染控制领域的研究热点。如何能够实现废水处理的同时产生电能并且回收有价值物质是研究者们共同努力的目标。现有技术中，废水处理时，废水进出水等均需要蠕动泵等供电装置来驱动，使完全自供电水处理装置的优势更加显著。专利CN201911135030.2研究了基于金属空气电池的水处理回收装置及其方法，构建了基于金属空气电池的水处理方法，虽然可以实现同步废水处理与发电，但是并不能达到完全自供电的目的；专利CN201911287298.8开发了基于铁-空气电池的水处理装置和方法，但多数也均需要外加动力来源实现废水的高效循环与补给；并且基于现有专利中提出的基于金属-空气电池的水处理装置中正负极的电极间距一般至少在cm级别甚至更高，通常金属-空气电池的产电效率又受到电池内阻的制约，因此较大的电极间距势必会增加电池的内阻，降低产电功率和效率。同时，电池产电效率也会受到单位质量负极产电功率的制约，如何提升单位负极质量下的产电功率也成为现有技术中的瓶颈。对于cm级厚度的负极材料，虽然能够提供较多理论产电能力，但是随着其使用过程中的钝化问题，负极内部的材料并无法进一步利用。为此，低内阻、高产电、完全自供电形式的净水技术对于绿色水处理技术发展具有重要现实意义。

发明内容

本发明提供了一种基于三明治结构电极的自吸水自发电式水处理装置和方法，以解决现有技术问题中存在的缺陷。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

一种基于三明治结构电极的自吸水自发电式水处理装置，包括：三明治结构电极、进水箱和产水箱；

所述的三明治结构电极为顺序叠放的空气正极、分隔材料、薄膜负极、分隔材料和空气正极组成的双正极-单负极结构；

所述分隔材料分别与两侧的空气正极和薄膜负极接触用于将空气正极和薄膜负极分隔开，分隔材料的两端裸露于接触面外，一端裸露的两层分隔材料用于置于进水箱的水中，另一端裸露的两层分隔材料与产水箱连通，用于通过分隔材料从进水箱中吸取废水，通过三明治结构电极处理后流至产水箱；

分隔材料为厚度小于或等于1mm的具有吸水性且不导电的多孔薄膜材料；

所述薄膜负极和一个空气正极分别通过导线与用电设备相连，用于对用电设备供电。

优选地，进水箱高于产水箱，且与产水箱之间的高度差为5cm-5m。

优选地，薄膜负极为镁、铁、铝、锌，或镁、铁、铝、锌中任意两种或三种的合金。

优选地，薄膜负极的厚度为0.001mm-0.5mm。

优选地，分隔材料为纯棉材质、全涤纶材质的无纺布或者纸张。

优选地，分隔材料的厚度为0.1mm-1mm。

优选地，空气正极包括空气扩散层、集流体、导电活性层和正极催化层，所述空气扩散层位于空气端，正极催化层位于分隔材料端；所述空气正极厚度为0.5mm-1mm。

优选地，空气扩散层为聚四氟乙烯涂层；所述集流体为钛网、镍网、泡沫镍、碳布或碳毡的导电多孔基体，所述导电活性层为活性炭、炭黑、石墨烯、石墨粉，或活性炭、炭黑、石墨烯、石墨粉的复合物；所述的正极催化层为Ir氧化物、Ru氧化物、Co氧化物、Mn氧化物、Fe氧化物、Pt、炭黑，或Ir氧化物、Ru氧化物、Co氧化物、Mn氧化物、Fe氧化物、Pt、炭黑的复合物。

优选地，三明治结构电极为平板结构或多层卷式结构。

本发明实施例还提供一种应用上述基于三明治结构电极的自吸水自发电式水处理装置的方法，包括：

将三明治结构电极一端裸露的两层分隔材料置于进水箱的废水中，另一端裸露的两层分隔材料与产水箱连通，通过自吸水效应从进水箱将废水从分隔材料首端经过三明治结构电极，最终经过分隔材料的末端滴入产水箱；在处理过程中，废水中大颗粒物质与胶体产生浊度的物质通过分隔材料的过滤作用被去除；

薄膜负极在废水和空气正极的作用下，发生自腐蚀反应，产生的金属离子与废水中的磷酸根反应产生金属磷酸盐沉淀，同时金属离子还会产生金属氢氧化物胶体对废水中的溶解性污染物进行絮凝并去除；

薄膜负极通过自腐蚀作用产生的电子经过用电器在迁移到空气正极上，进一步与空气中氧气发生还原反应，最后产生电流对用电设备供电；

金属氢氧化物胶体通过粘附附着在分隔材料上，待薄膜负极消耗完之后，对所述分隔材料回收。

由上述本发明的基于三明治结构电极的自吸水自发电式水处理装置和方法提供的技术方案可以看出，本发明具有以下优点：

1)本装置通过采用具有强吸水性的分隔材料，通过自吸水效应和虹吸效应，在自重力作用下废水逐渐流入三明治结构电极内部，实现电解液(废水)的自供给，无需外加动力；

2)本装置使用金属薄膜为基材的三明治结构电极，不仅使负极的面体比显著提升，而且通过增加正极面积实现了与空气充分接触，为加速正极反应提供了前提；通过三明治结构电极实现了正负极之间的电极间距最小化，通过采用mm级别以内的分隔材料，将电极间距精准控制在一定范围内，极大地降低了体系内阻，提升产电功率；并且本装置的三明治结构电极还可以加强电极之间的毛细作用，充分利用水表面张力，实现最小(废水)电解质投加下正负极之间的浸润最大化；

3)本装置通过分隔材料的多孔吸附和过滤特性，使废水在自流动过程中过滤大分子悬浮颗粒物和胶体，为进一步去除废水中溶解态污染物、得到更优质的水质提供条件；

4)本装置在产电过程中产生的金属氢氧化物一部分会作为混凝剂用于溶解态污染物的去除，另一部分也会吸附负载到分隔材料上，由于不同金属氢氧化物具有不同理化特性，待废水处理结束后，最终的分隔材料也不会浪费，而是转化为负载特定金属氢氧化物的多孔材料，用于阻燃等作用，可以实现金属负极的高质资源回收再利用；

5)本装置具有低内阻、高产电以及无需外加电能的完全自供电技术特点，可以实现废水自净化过程中，金属产物的高质资源利用，对绿色水处理技术发展具有重要的现实意义。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为实施例一提供的基于三明治结构电极的自吸水自发电式水处理装置多层卷式结构示意图；

图2为三明治结构电极多层卷式结构A-A剖面图；

图3为三明治结构电极平板结构示意图；

附图标记说明：

1三明治结构电极2进水箱3产水箱4空气正极5分隔材料6薄膜负极7分隔材料8空气正极9用电设备。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

实施例一

图1为本实施例提供的基于三明治结构电极的自吸水自发电式水处理装置多层卷式结构示意图，参照图1，该装置包括：三明治结构电极1、进水箱2和产水箱3。

图2为三明治结构电极多层卷式结构A-A剖面图，参照图2，三明治结构电极为顺序叠放的空气正极4、分隔材料5、薄膜负极6、分隔材料7和空气正极8组成的双正极-单负极结构，三明治结构电极为多层卷式结构，具体的本实施例中为空心圆筒状结构，从内至外依次为空气正极4、分隔材料5、薄膜负极6、分隔材料7和空气正极8，其中，分隔材料分别与两侧的空气正极和薄膜负极接触用于将空气正极和薄膜负极分隔开，如图所示，分隔材料5两侧分别与空气正极4和薄膜负极6接触，分隔材料7两侧分别与空气正极8和薄膜负极6接触，分隔材料(5和7)的两端裸露于接触面外，一端裸露的两层分隔材料(5和7)用于置于进水箱2的水中，另一端裸露的两层分隔材料(5和7)与产水箱3连通，用于通过分隔材料(5和7)从进水箱2中吸取废水，通过三明治结构电极1处理后流至产水箱3。

分隔材料(5和7)为厚度小于或等于1mm的具有吸水性且不导电的多孔薄膜材料。

薄膜负极6和一个空气正极(4或8)分别通过导线与用电设备9相连，用于对用电设备9供电。

进水箱2高于产水箱3，且与产水箱3之间的高度差为5cm-5m，具体地，本实施例中进水箱2与产水箱3的高度差为10cm。

薄膜负极6为铝箔，厚度为0.001mm。

分隔材料(5和7)为全涤纶材质的无纺布，厚度为0.1mm。既可以提供较多的电极面体，提升电极面体比，也为高效的负极材料利用提供了可能。

空气正极(4和8)包括空气扩散层、集流体、导电活性层和正极催化层，空气扩散层位于空气端，正极催化层位于分隔材料端；空气正极厚度为1mm。

空气正极由聚四氟乙烯涂层、钛网集流体、炭黑活性层、以及负载在活性层表面的Pt金属。

本实施例还提供了一种应用上述基于三明治结构电极的自吸水自发电式水处理装置的方法，主要包括，净水、产电和资源回收三个阶段。

净水：将三明治结构电极1的一端裸露的两层分隔材料(5和7)置于进水箱2的废水中，另一端裸露的两层分隔材料(5和7)与产水箱3连通，通过自吸水效应从进水箱2将废水从分隔材料(5和7)首端经过三明治结构电极1(铝-空气电池)，最终经过分隔材料(5和7)的末端滴入产水箱3；在处理过程中，废水中大颗粒物质与胶体产生浊度的物质通过分隔材料(5和7)的过滤作用被去除；

薄膜负极6在废水和空气正极(4和8)的作用下，发生自腐蚀反应，铝离子快速与废水中磷酸根反应产生磷酸铝沉淀，同时金属离子还会产生氢氧化铝胶体对废水中的溶解性污染物进行絮凝并去除，通过对产水箱中沉淀进行过滤或者焙烧可以得到磷酸铝或者氧化铝。

产电：薄膜负极6通过自腐蚀作用产生的电子经过用电器在迁移到空气正极上，进一步与空气中氧气发生还原反应，最后产生电流对用电设备9供电；基于三明治结构电极1，废水在充分浸润分隔材料(5和7)的同时也在凭借毛细作用在分隔材料-铝薄膜负极以及分隔材料-空气正极之间形成一层致密水膜，最大程度地促进了铝薄膜负极-电解液(废水)-空气正极之间有效接触，增加了有效产电面积。

氢氧化铝胶体通过粘附附着在分隔材料(5和7)上，待铝薄膜负极消耗完之后，对分隔材料(5和7)回收。通过对分隔材料(5和7)进行简单清洗和干燥等处理，可以获得负载金属氢氧化物的分隔材料，该分隔材料可以根据金属氢氧化物特点，在阻燃、电磁屏蔽以及其他领域进一步应用，提高了分隔材料(5和7)的回收利用率。具体地，本实施例可以获得负载氢氧化铝的无纺布，具有阻燃效果。

实施例二

本实施例提供了一种基于三明治结构电极的自吸水自发电式水处理装置该装置包括：三明治结构电极、进水箱和产水箱。

图3为三明治结构电极平板结构示意图，参照图3，三明治结构电极为顺序叠放的空气正极4、分隔材料5、薄膜负极6、分隔材料7和空气正极8组成的双正极-单负极结构，三明治结构电极为平板结构，具体的本实施例中为长方体结构，从上至下依次为空气正极4、分隔材料5、薄膜负极6、分隔材料7和空气正极8，其中，分隔材料分别与两侧的空气正极和薄膜负极接触用于将空气正极和薄膜负极分隔开，如图所示，分隔材料5两侧分别与空气正极4和薄膜负极6接触，分隔材料7两侧分别与空气正极8和薄膜负极6接触，分隔材料(5和7)的两端裸露于接触面外，一端裸露的两层分隔材料(5和7)用于置于进水箱的水中，另一端裸露的两层分隔材料(5和7)与产水箱连通，用于通过分隔材料(5和7)从进水箱中吸取废水，通过三明治结构电极处理后流至产水箱。

薄膜负极6和一个空气正极(4或8)分别通过导线与用电设备相连，用于对用电设备供电。

进水箱高于产水箱，具体地，本实施例中进水箱2与产水箱3的高度差为1m。

薄膜负极6为锌箔，厚度为0.01mm。

分隔材料(5和7)为纯棉材质的无纺布，厚度为0.1mm。

空气正极(4和8)包括空气扩散层、集流体、导电活性层和正极催化层，空气扩散层位于空气端，正极催化层位于分隔材料端；空气正极厚度为1.5mm。

空气正极由聚四氟乙烯涂层、镍网集流体、石墨烯活性层、以及负载在活性层表面的RuO₂。

本实施例还提供了一种应用上述基于三明治结构电极的自吸水自发电式水处理装置的方法，主要包括，净水、产电和资源回收三个阶段。

净水：将三明治结构电极的一端裸露的两层分隔材料(5和7)置于进水箱2的废水中，另一端裸露的两层分隔材料(5和7)与产水箱3连通，通过自吸水效应从进水箱2将废水从分隔材料(5和7)首端经过三明治结构电极(锌-空气电池)，最终经过分隔材料(5和7)的末端滴入产水箱；在处理过程中，废水中大颗粒物质与胶体产生浊度的物质通过分隔材料(5和7)的过滤作用被去除；

薄膜负极6在废水和空气正极(4和8)的作用下，发生自腐蚀反应，产生的锌离子快速与废水中磷酸根反应产生磷酸锌沉淀，同时锌离子还会产生氢氧化锌胶体对废水中的溶解性污染物进行絮凝并去除，通过对产水箱中沉淀进行过滤或者焙烧可以得到金属磷酸盐或者金属氧化物。具体可以得到磷酸锌或者氧化锌

产电：基于三明治结构电极，废水在充分浸润分隔材料(5和7)的同时也在凭借毛细作用在分隔材料-锌薄膜负极以及分隔材料-空气正极之间形成一层致密水膜，最大程度地促进了铝薄膜负极-电解液(废水)-空气正极之间有效接触，增加了有效产电面积。锌薄膜负极通过自腐蚀作用产生的电子经过用电器在迁移到空气正极上，进一步与空气中氧气发生还原反应，最后产生电流用于给用电设备连续运行。

氢氧化锌胶体通过粘附附着在分隔材料(5和7)上，待锌薄膜负极消耗完之后，对分隔材料(5和7)回收。通过对分隔材料(5和7)进行简单清洗和干燥等处理，可以获得负载金属氢氧化物的分隔材料，该分隔材料可以根据金属氢氧化物特点，在阻燃、电磁屏蔽以及其他领域进一步应用，提高了分隔材料(5和7)的回收利用率。具体地，本实施例可以获得负载氢氧化铝的无纺布，具有阻燃效果。

本领域技术人员应能理解上述的应用类型仅为举例，其他现有的或今后可能出现的应用类型如可适用于本发明实施例，也应包含在本发明保护范围以内，并在此以引用方式包含于此。

在实际应用中，本发明实施例并不局限上述处理装置的具体放置位置，上述处理装置在说处理系统中的任何放置方式都在本发明实施例的保护范围中。

本领域技术人员应能理解，图1仅为简明起见而示出的各类元素的数量可能小于一个实际应用中的数量，但这种省略无疑是以不会影响对发明实施例进行清楚、充分的公开为前提的。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于三明治结构电极的自吸水自发电式水处理装置，其特征在于，包括：三明治结构电极、进水箱和产水箱；

所述的三明治结构电极为顺序叠放的空气正极、分隔材料、薄膜负极、分隔材料和空气正极组成的双正极-单负极结构；

所述分隔材料分别与两侧的空气正极和薄膜负极接触用于将空气正极和薄膜负极分隔开，分隔材料的两端裸露于接触面外，一端裸露的两层分隔材料用于置于进水箱的水中，另一端裸露的两层分隔材料与产水箱连通，用于通过分隔材料从进水箱中吸取废水，通过三明治结构电极处理后流至产水箱；

分隔材料为厚度小于或等于1mm的具有吸水性且不导电的多孔薄膜材料；

所述薄膜负极和一个空气正极分别通过导线与用电设备相连，用于对用电设备供电。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述进水箱高于产水箱，且与产水箱之间的高度差为5cm-5m。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述薄膜负极为镁、铁、铝、锌，或镁、铁、铝、锌中任意两种或三种的合金。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述薄膜负极的厚度为0.001mm-0.5mm。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述分隔材料为纯棉材质、全涤纶材质的无纺布或者纸张。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述分隔材料的厚度为0.1mm-1mm。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述空气正极包括空气扩散层、集流体、导电活性层和正极催化层，所述空气扩散层位于空气端，正极催化层位于分隔材料端；所述空气正极厚度为0.5mm-1mm。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述空气扩散层为聚四氟乙烯涂层；所述集流体为钛网、镍网、泡沫镍、碳布或碳毡的导电多孔基体，所述导电活性层为活性炭、炭黑、石墨烯、石墨粉，或活性炭、炭黑、石墨烯、石墨粉的复合物；所述的正极催化层为Ir氧化物、Ru氧化物、Co氧化物、Mn氧化物、Fe氧化物、Pt、炭黑，或Ir氧化物、Ru氧化物、Co氧化物、Mn氧化物、Fe氧化物、Pt、炭黑的复合物。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述三明治结构电极为平板结构或多层卷式结构。

10.一种应用1-9任一权利要求所述的基于三明治结构电极的自吸水自发电式水处理装置的方法，其特征在于，包括：

将三明治结构电极一端裸露的两层分隔材料置于进水箱的废水中，另一端裸露的两层分隔材料与产水箱连通，通过自吸水效应从进水箱将废水从分隔材料首端经过三明治结构电极，最终经过分隔材料的末端滴入产水箱；在处理过程中，废水中大颗粒物质与胶体产生浊度的物质通过分隔材料的过滤作用被去除；

薄膜负极在废水和空气正极的作用下，发生自腐蚀反应，产生的金属离子与废水中的磷酸根反应产生金属磷酸盐沉淀，同时金属离子还会产生金属氢氧化物胶体对废水中的溶解性污染物进行絮凝并去除；

薄膜负极通过自腐蚀作用产生的电子经过用电器在迁移到空气正极上，进一步与空气中氧气发生还原反应，最后产生电流对用电设备供电；

金属氢氧化物胶体通过粘附附着在分隔材料上，待薄膜负极消耗完之后，对所述分隔材料回收。

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