CN114195296A - 一种基于金属臭氧电池的自供电装置及其使用方法 - Google Patents

一种基于金属臭氧电池的自供电装置及其使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于金属臭氧电池的自供电装置及其使用方法。该装置包括臭氧气室腔体和电池腔体，电池腔体设置在所述臭氧气室腔体的内部，臭氧气室腔体的底部设置有进气口，顶部设置有出气口，电池腔体由多孔圆柱体组成，电池腔体的下部设置进水口，上部设置出水口，多孔圆柱体的侧壁设置有气体扩散正极，内部设置有金属负极，气体扩散正极和金属负极通过导线与用电器连接；电解液经进水口自下而上流入所述电池腔体，从出水口流出，汇入出水箱。本发明具有高产电，自供电，同步废气治理的协同处置特点，实现了高水平的以废治废目的，这对可持续绿色水处理技术发展具有重要现实意义。还实现同步臭氧淬灭、电能回收、水处理净化的目的。

Description

一种基于金属臭氧电池的自供电装置及其使用方法
技术领域
本发明涉及金属空气电池和水处理技术领域，尤其涉及一种基于金属臭氧电池的自供电装置及其使用方法。
背景技术
近年来，臭氧催化氧化技术在水处理、消毒领域获得广泛应用。现有技术中的臭氧水处理工艺主要通过臭氧发生器将纯氧气体在高压电场环境下转化为臭氧，因此臭氧催化工艺需要纯氧和电能才能产生高浓度的臭氧气源，多数纯氧也要通过制氧机等设备制取，臭氧制备需要大量能耗，使得制备出臭氧氧化剂弥足珍贵。然而实际工程中，臭氧利用率并不高，大量的臭氧尾气还需要通过臭氧淬灭器进行分解，最终产生的纯氧尾气排放到大气造成浪费。这样造成臭氧和纯氧气体中大量的化学能被直接淬灭并且浪费掉，造成巨大的浪费。随着我国能源领域快速变革以及我国碳中和战略实施，开发低耗清洁的能源技术成为关键。
近年来，金属空气电池作为重要的产电装置，基于其产电功率高，稳定性好等优点，备受关注。其中传统金属空气电池多用空气作为电子受体，因为空气中氧气含量仅为20％，氧化能力有限。如果将其他具有强氧化性的气体，或者废气能够作为电子受体不仅可以解决大气污染，同时可以利用废气中潜在的化学能进行发电，一举两得。
另外，臭氧作为重要的水处理氧化剂，通常需要加入H2O2或其他金属离子如Fe2+,Al3+等作为催化剂，强化臭氧转化为羟基自由基，更高效地去除水中的污染物。然而，上述药剂添加不仅增加了成本也不利于绿色水处理技术发展。虽然有研究者发现电化学作用可以利用电化学还原作用将O2转化为H2O2，或者电化学腐蚀作用从腐蚀性阳极释放相应的金属阳离子，但是仍需要大量额外电能支持。
因此，如何解决臭氧尾气问题，同时又充分利用臭氧的水处理氧化能力以及其中的纯氧资源，实现废气+废水同步以废治废，是一个亟待解决的问题。
发明内容
本发明的实施例提供了一种基于金属臭氧电池的自供电装置及其使用方法，以实现利用臭氧的水处理氧化能力和纯氧资源，实现废气+废水同步以废治废。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。
根据本发明的一个方面，提供了一种基于金属臭氧电池的自供电装置，包括：臭氧气室腔体和电池腔体，所述电池腔体设置在所述臭氧气室腔体的内部，所述臭氧气室腔体的底部设置有进气口，顶部设置有出气口，所述电池腔体由多孔圆柱体组成，电池腔体的下部设置进水口，上部设置出水口，多孔圆柱体的侧壁设置有气体扩散正极，内部设置有金属负极，所述气体扩散正极和所述金属负极通过导线与用电器连接；
电解液经进水口自下而上流入所述电池腔体，从出水口流出，汇入出水箱。
优选地，所述进气口和出气口空间上呈平行布置，高度差为腔体高度，进气沿腔体下部切线方向进入腔体，在腔体内部形成螺旋状气流，在沿腔体上部切向从出气口排出。
优选地，所述气体扩散正极和金属负极之间的间距为0.5cm-1cm。
优选地，所述金属负极为镁、铁、铝和锌中的任意一种或多种的复合物。
优选地，所述气体扩散正极从表层到基体依次包括空气扩散层、催化层、导电层和集流体，所述空气扩散层面向臭氧，为聚四氟乙烯涂层；所述集流体为导电多孔基体；所述导电层为活性炭、炭黑、石墨烯和石墨粉中的一种或多种的复合物。
优选地，所述正极催化层面向电解液，为Ir氧化物、Ru氧化物、Co氧化物、Mn氧化物、Fe氧化物、Pt、炭黑中的一种或者其中任意多种组份的复合物。7、根据权利要求1或者2或者3所述的装置，其特征在于，所述电解液为0.1M-6M浓度的NaOH或KOH、NaCl、Na2SO4溶液，或具有高电导率的废水。
根据本发明的另一个方面，提供了一种所述的基于金属臭氧电池的自供电装置的使用方法，包括：
臭氧尾气经进气口进入臭氧气室腔体，呈螺旋状与电池腔体中的气体扩散正极接触，与电池腔体中的金属负极产生原电池效应，促进金属负极的腐蚀，产生电流，气体扩散正极在电化学还原作用下促进臭氧的电子分解为氧气；
电解液从电池腔体的下部进水口进入，上部出水口流出，浸没在电解液中的金属负极在电流作用下腐蚀产生羟基化金属，与废水中磷酸根反应产生金属磷酸盐沉淀，同时作为絮凝剂去除废水中大分子有机物，其中部分金属离子与通过空气正极穿透到电解液中臭氧发生催化反应，促进臭氧转化产生活性氧物质。
优选地，在自供电产生的电场条件下，臭氧尾气中的氧气在气体扩散正极的表面还原成为H2O2，在电解液中进一步催化臭氧转化为羟基自由基，实现电絮凝+电-过臭氧(O3/H2O2)的协同，实现对有机污染物的去除。
由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例提出金属臭氧电池新概念，可以实现同步臭氧淬灭、电能回收、水处理净化的目的。本发明可以利用废弃腐蚀性金属如铁、铝、镁或上述金属的合金材料作为负极，还可以起到固体废物高效利用的目的，进一步降低运行成本，实现固废处理+废气处理+废水处理的同步解决。
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为本发明实施例提供的一种基于金属臭氧电池的自供电装置的结构图；
图2为本发明实施例提供的一种基于金属臭氧电池的自供电装置的俯视图；
图3为本发明实施例提供的一种基于金属臭氧电池的自供电装置的同步净水/淬灭臭氧的方法的实现原理示意图。
附图标记说明：①臭氧气室腔体、②电池腔体、③气体扩散正极、④金属负极、⑤进气口、⑥出气口、⑦进水口、⑧出水口。
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。
本发明实施例提供了一种基于金属臭氧电池的自供电装置包括臭氧气室腔体、电池腔体、气体扩散正极和金属负极。电池腔体设置在臭氧气室腔体的内部。其中臭氧气室腔体的底部设置有进气口，顶部设置有出气口，进气口、出气口呈切向布置在圆柱型臭氧气室腔体上，保证臭氧呈螺旋状经过气室腔体。进气口和出气口空间上呈平行布置，高度差为腔体高度，进气沿腔体下部切线方向进入腔体，在腔体内部形成螺旋状气流，最终在沿腔体上部切向从出气口排出。所述的电池腔体由多孔圆柱体组成，电池腔体的下部设置进水口，上部设置出水口。多孔圆柱体的侧壁设置有气体扩散正极，内部设置有金属负极，气体扩散正极和金属负极之间的间距为0.5cm-1cm。气体扩散正极和金属负极通过导线与用电器连接。电解液自进水箱经进水口自下而上流入电池腔体，从出水口流出，汇入出水箱。
所述金属负极为镁、铁、铝和锌中的任意一种或多种的复合物。所述气体扩散正极从表层到基体依次包括空气扩散层、催化层、导电层和集流体。其中空气扩散层面向臭氧，正极催化层面向电解液；所述的空气扩散层为聚四氟乙烯涂层；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、炭黑中的一种或者其中任意多种组份的复合物。所述导电层包括活性炭、炭黑、石墨烯和石墨粉中的一种或多种的复合物；所述的集流体为钛网、镍网、泡沫镍、碳布、碳毡等具有导电多孔基体。
所述电解液为0.1M-6M浓度的NaOH或KOH、NaCl、Na2SO4溶液，或具有高电导率的废水。
本发明实施例还提供了一种应用金属臭氧电池的自供电装置的同步净水/淬灭臭氧的方法，包括如下的处理过程：
臭氧淬灭与电能回收：臭氧尾气由于具有高氧化性特点，臭氧尾气经进气口呈螺旋状与气体扩散正极接触，并通过与金属负极产生原电池效应，促进金属负极的腐蚀，产生电流。然后，气体扩散正极在电化学还原作用下，进一步促进臭氧的电子分解为氧气，实现了同步臭氧淬灭和产电，将臭氧尾气转化为电能，以及废气高效治理和资源化的目的。
自供电净水：废水或者其他电解液从电池腔体的下部进水口进入，上部出水口流出。浸没在电解液中的金属负极在电流作用下腐蚀产生羟基化金属，会与废水中磷酸根反应产生金属磷酸盐沉淀，同时作为絮凝剂加速去除废水中大分子有机物。同时其中部分金属离子如Fe2+,Al3+等都会与通过空气正极穿透到废水中臭氧发生催化反应，促进臭氧转化产生羟基自由基等活性氧物质。此外，在自供电产生的电场条件下，臭氧尾气中的大量氧气还会进一步在气体扩散正极表面还原成为H2O2，并且在废水中进一步催化臭氧转化为羟基自由基。因此，实现电絮凝+电-过臭氧(O3/H2O2)的高效协同，实现对有机污染物的高效去除。
实施例一
该实施例提供的一种基于金属臭氧电池的自供电装置结构图如图1所述，俯视图如图2所述，图中包括；①臭氧气室腔体、②电池腔体、③气体扩散正极、④金属负极、⑤进气口、⑥出气口、⑦进水口、⑧出水口。
其中臭氧气室腔体底部设置有进气口⑤，顶部设置有出气口⑥，进气口、出气口呈切向布置在圆柱型臭氧气室腔体，保证臭氧呈螺旋状经过气室腔体。所述的电池腔体由多孔圆柱体组成，腔体下部设置进水口⑦，上部设置出水口⑧。多孔圆柱体侧壁设置气体扩散正极，内部设置金属负极，正负极间距为1cm。气体扩散正极和金属负极通过导线与用电器连接。电解液进水箱经进水口自下而上流入电池腔体，从出水口流出，汇入出水箱。
所述的金属负极为铝箔，厚度为0.01mm；气体扩散正极从表层到基体依次包括空气扩散层、催化层、导电层和集流体，厚度为1mm；其中空气扩散层面向臭氧，正极催化层面向电解液；气体扩散正极由聚四氟乙烯涂层(为扩散层)、钛网集流体、石墨导电层以及负载在导电层表面的Pt金属组成。
该实施例提供了一种应用金属臭氧电池的自供电装置的同步净水/淬灭臭氧的方法的实现原理示意图如图3所述，主要包括臭氧淬灭、电能回收和净水。
臭氧淬灭：55.0mg/L浓度的臭氧从进气口通入圆柱型臭氧气室腔体，呈螺旋状与气体扩散正极接触，并通过与金属负极产生原电池效应，促进金属负极的腐蚀，气体扩散正极在电化学还原作用下，进一步促进臭氧的电子分解为氧气。最终臭氧和氧气的混合气体通过出气口被收集，经过30min反应，臭氧浓度为4.4mg/L，臭氧淬灭率高达92％。
电能回收：基于金属臭氧电池的一体式结构，当臭氧呈螺旋状与气体扩散正极接触时，与金属负极自发构成原电池实现产电，同时产生羟基铝实现絮凝作用，产生的电流可以给其他用电器稳定供电,如LED灯等。
净水：1M NaCl、天然有机物20mg/L NOM与20mg/L磷酸盐的模拟废水从电池腔体下部进水口进入，上部出水口流出。浸没在电解液中的铝负极在电流作用下腐蚀产生羟基铝，会与废水中磷酸根反应产生磷酸铝沉淀，同时作为絮凝剂加速去除废水中大分子有机物。同时其中部分金属离子如Al3+会与通过空气正极穿透到废水中臭氧发生催化反应，促进臭氧转化产生羟基自由基等活性氧物质。此外，在自供电产生的电场条件下，臭氧尾气中的大量氧气还会进一步在气体扩散正极表面还原成为H2O2，并且在废水中进一步催化臭氧转化为羟基自由基，实现电絮凝+电-过臭氧(O3/H2O2)的高效协同，对有机污染物的高效去除。
实施例二
该实施例提供的一种基于金属臭氧电池的自供电装置包括①臭氧气室腔体、②电池腔体、③气体扩散正极、④金属负极。其中臭氧气室腔体底部设置有进气口⑤，顶部设置有出气口⑥，进气口、出气口呈切向布置在圆柱型臭氧气室腔体，保证臭氧呈螺旋状经过气室腔体。所述的电池腔体由多孔圆柱体组成，腔体下部设置进水口⑦，上部设置出水口
⑧。多孔圆柱体侧壁设置气体扩散正极，内部设置金属负极，正负极间距为0.5cm。气体扩散正极和金属负极通过导线与用电器连接。电解液进水箱经进水口自下而上流入电池腔体，从出水口流出，汇入出水箱。
所述的金属负极为铁片，厚度为0.2mm；气体扩散正极从表层到基体依次包括空气扩散层、催化层、导电层和集流体，厚度为0.8mm；其中空气扩散层面向臭氧，正极催化层面向电解液；气体扩散正极由聚四氟乙烯涂层(为扩散层)、钛网集流体、石墨导电层以及负载在导电层表面的炭黑组成。
本发明的另一方面提供了一种应用于上述的装置的同步净水/淬灭臭氧方法，主要包括臭氧淬灭、电能回收、净水。
臭氧淬灭：79.0mg/L浓度的臭氧从进气口通入圆柱型臭氧气室腔体，呈螺旋状与气体扩散正极接触，并通过与金属负极产生原电池效应，促进金属负极的腐蚀，气体扩散正极在电化学还原作用下，进一步促进臭氧的电子分解为氧气。最终臭氧和氧气的混合气体通过出气口被收集，经过30min反应，臭氧浓度为3.2mg/L，臭氧淬灭率高达96％。
电能回收：基于金属臭氧电池的一体式结构，当臭氧呈螺旋状与气体扩散正极接触时，与金属负极自发构成原电池实现产电，同时产生羟基铁实现絮凝作用，产生的电流可以给其他用电器稳定供电，如LED灯等。
净水：1M NaOH、天然有机物30mg/L NOM与50mg/L磷酸盐的模拟废液从电池腔体下部进水口进入，上部出水口流出。浸没在电解液中的铝负极在电流作用下腐蚀产生羟基铁，会与废水中磷酸根反应产生磷酸铝沉淀，同时作为絮凝剂加速去除废水中大分子有机物。同时其中部分金属离子如Fe2+会与通过空气正极穿透到废水中臭氧发生催化反应，促进臭氧转化产生羟基自由基等活性氧物质。此外，在自供电产生的电场条件下，臭氧尾气中的大量氧气还会进一步在气体扩散正极表面还原成为H2O2，并且在废水中进一步催化臭氧转化为羟基自由基，实现电絮凝+电-过臭氧(O3/H2O2)的高效协同，对有机污染物的高效去除。
综上所述，本发明实施例提出金属臭氧电池新概念，该新型电池可以实现同步臭氧淬灭、电能回收、水处理净化的目的，可以实现自供电下的废气和废水同步去除，达到以废治废的目的。本发明可以利用废弃腐蚀性金属如铁、铝、镁或上述金属的合金材料作为负极，还可以起到固体废物高效利用的目的，进一步降低运行成本。实现一箭三雕的目的(固废处理+废气处理+废水处理的同步解决)。
本发明方法具有高产电，自供电，同步废气治理、废水净化、固废处理的协同处置特点，实现了高水平的以废治废目的，这对可持续绿色水处理技术发展具有重要现实意义。
臭氧尾气由于具有高氧化性特点，臭氧尾气经进气口呈螺旋状与气体扩散正极接触，并通过与金属负极产生原电池效应，促进金属负极的腐蚀，产生电流，气体扩散正极在电化学还原作用下，进一步促进臭氧的电子分解为氧气，实现了同步臭氧淬灭和产电，将臭氧尾气转化为电能，以及废气高效治理和资源化的目的。
废水或者其他电解液从电池腔体下部进水口进入，上部出水口流出。浸没在电解液中的金属负极在电流作用下腐蚀产生羟基化金属，会与废水中磷酸根反应产生金属磷酸盐沉淀，同时作为絮凝剂加速去除废水中大分子有机物。同时其中部分金属离子如Fe2+,Al3 +等都会与通过空气正极穿透到废水中臭氧发生催化反应，促进臭氧转化产生羟基自由基等活性氧物质。此外，在自供电产生的电场条件下，臭氧尾气中的大量氧气还会进一步在气体扩散正极表面还原成为H2O2，并且在废水中进一步催化臭氧转化为羟基自由基。因此，实现电絮凝+电-过臭氧(O3/H2O2)的高效协同，实现对有机污染物的高效去除。
本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
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 (9)

1.一种基于金属臭氧电池的自供电装置，其特征在于，包括：臭氧气室腔体和电池腔体，所述电池腔体设置在所述臭氧气室腔体的内部，所述臭氧气室腔体的底部设置有进气口，顶部设置有出气口，所述电池腔体由多孔圆柱体组成，电池腔体的下部设置进水口，上部设置出水口，多孔圆柱体的侧壁设置有气体扩散正极，内部设置有金属负极，所述气体扩散正极和所述金属负极通过导线与用电器连接；
电解液经进水口自下而上流入所述电池腔体，从出水口流出，汇入出水箱。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述进气口和出气口空间上呈平行布置，高度差为腔体高度，进气沿腔体下部切线方向进入腔体，在腔体内部形成螺旋状气流，在沿腔体上部切向从出气口排出。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述气体扩散正极和金属负极之间的间距为0.5cm-1cm。
4.根据权利要求1或者2或者3所述的装置，其特征在于，所述金属负极为镁、铁、铝和锌中的任意一种或多种的复合物。
5.根据权利要求1或者2或者3所述的装置，其特征在于，所述气体扩散正极从表层到基体依次包括空气扩散层、催化层、导电层和集流体，所述空气扩散层面向臭氧，为聚四氟乙烯涂层；所述集流体为导电多孔基体；所述导电层为活性炭、炭黑、石墨烯和石墨粉中的一种或多种的复合物。
6.根据权利要求1或者2或者3所述的装置，其特征在于，所述正极催化层面向电解液，为Ir氧化物、Ru氧化物、Co氧化物、Mn氧化物、Fe氧化物、Pt、炭黑中的一种或者其中任意多种组份的复合物。
7.根据权利要求1或者2或者3所述的装置，其特征在于，所述电解液为0.1M-6M浓度的NaOH或KOH、NaCl、Na2SO4溶液，或具有高电导率的废水。
8.一种权利要求1至7任一项所述的基于金属臭氧电池的自供电装置的使用方法，其特征在于，包括：
臭氧尾气经进气口进入臭氧气室腔体，呈螺旋状与电池腔体中的气体扩散正极接触，与电池腔体中的金属负极产生原电池效应，促进金属负极的腐蚀，产生电流，气体扩散正极在电化学还原作用下促进臭氧的电子分解为氧气；
电解液从电池腔体的下部进水口进入，上部出水口流出，浸没在电解液中的金属负极在电流作用下腐蚀产生羟基化金属，与废水中磷酸根反应产生金属磷酸盐沉淀，同时作为絮凝剂去除废水中大分子有机物，其中部分金属离子与通过空气正极穿透到电解液中臭氧发生催化反应，促进臭氧转化产生活性氧物质。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在自供电产生的电场条件下，臭氧尾气中的氧气在气体扩散正极的表面还原成为H2O2，在电解液中进一步催化臭氧转化为羟基自由基，实现电絮凝+电-过臭氧(O3/H2O2)的协同，实现对有机污染物的去除。
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