CN211393965U - 一种铁-空气电池处理含磷废水并回收磷资源的装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开一种铁‑空气电池处理含磷废水并回收磷资源的装置，正、负极分别采用成本较低的铁电极和空气电极，阳极室中加入含有磷酸盐的废水，阴极室中加入氯化钠溶液作为电解液；阴、阳两室由质子交换膜隔开，通过外接导线连接。电势差使得铁阳极失去电子，生成的亚铁离子与阳极液中的磷酸盐反应生成蓝铁矿；电子经由外接导线到达空气电极，空气中的氧气与阴极接收的电子反应生成水；电池内部质子通过质子交换膜移动形成回路，在外电路中可产生1.2V的开路电压。本实用新型以铁电极原位生成的亚铁离子为除磷剂，在不引入其它杂质离子的前提下，实现了废水除磷，同时还可回收废水中的磷资源和电能。
Description
技术领域
本实用新型涉及水处理技术领域，具体涉及一种铁-空气电池处理含磷废水并回收磷资源的装置。
背景技术
磷是导致水体富营养化的主要致因之一，废水除磷是防治水体富营养化的有效途径。废水除磷技术主要分为化学法和生物法两大类。生物法因其经济有效、环境友好等优点而得到广泛应用，但同时也面临着反应时间长、设备占地面积大、污泥处理困难等问题；化学除磷法因其经济高效、操作简便、效果可靠，且不易受废水水质影响等优点而被推广应用。亚铁盐常被用为废水化学除磷絮凝剂，具有高效、安全等优点。对亚铁盐除磷条件进行合理控制，可生成一种含磷、铁的高价值矿物质——蓝铁矿。结晶度高的蓝铁矿可用于制作水晶等装饰品，粉末状蓝铁矿可用作农田肥料或是绘画染料。
磷资源在地球上分布极不均匀、储量十分有限，随着人口增长以及人类生活水平不断提高，社会对磷的需求越来越高。因此，如何将废水中的“磷去除”转变为“磷回用”成为污水除磷的发展趋势，新型绿色环保磷资源回收技术亟需探寻。
实用新型内容
为解决现有技术中存在的问题，本实用新型针对含磷废水，提出一种铁-空气电池处理含磷废水并回收磷资源的装置，本实用新型能够同时回收磷资源及电能，变废为宝。
为了实现上述目的，本实用新型采用的具体方案如下：
一种铁空气电池处理含磷废水并回收磷资源的装置，包括阴极室和阳极室，阴极室的一侧与阳极室的一侧之间设有质子交换膜并密封连接，阴极室的另一侧设有空气电极，阴极室上连接有阴极室电解液循环系统，空气电极上连接有导线，该导线延伸至阴极室外部；
阳极室设有阳极室进水口、铁电极和除磷产物排出口，除磷产物排出口位于阳极室的底部，铁电极设置于阳极室中，铁电极上连接有导线，该导线延伸至阳极室的外部。
阴极室电解液循环系统包括电解液进口、进水管、电解液储液箱、连接管、循环泵、出水管和电解液出口，电解液进口设置于阴极室一侧的下部，电解液出口设置于阴极室另一侧的上部；电解液进口过进水管与电解液储液箱连接，循环泵的进水口通过连接管与电解液储液箱连接，循环泵的出水口通过出水管与电解液出口连接。
阴极室电解液循环系统中电解液进口到底部的距离为阴极室总高的1/3，电解液出口到底部的距离为阴极室总高的2/3，电解液进口与电解液出口内径之比为1:1。
阳极室的上部内嵌有外置刀片卡槽，铁电极穿过外置刀片卡槽悬挂在阳极室中部，铁电极的上端连接有导线；外置刀片卡槽中设有两片刀片，两片刀片之间呈V形布置，铁电极从两片刀片之间穿过。
阳极室的底部设有除磷产物收集斗，除磷产物收集斗的出口作为除磷产物排出口。
阴极室与阳极室的容积比为1:1。
空气电极上连接的导线以及铁电极上连接的导线直接相连、与用电器连接、与电能收集器连接或与电信号采集系统连接。
每3.5-4cm3的阳极室对应配置1-1.5cm2的铁电极；每1.1-1.5cm3的阴极室对应配置1-1.2cm2的空气电极。
每1.1-1.5cm3的阴极室对应配置1-1.2cm2的质子交换膜。
阴极室上设有供空气电极上连接的导线穿过的外接导线口Ⅰ，阳极室上设有供铁电极(10)上连接的导线穿过的外接导线口Ⅱ。
本实用新型的有益效果是：
本实用新型的铁-空气电池处理含磷废水并回收磷资源的装置利用廉价易得的零价铁作为阳极，使得废水除磷成本降低；将含磷废水作为阳极液，铁电极失去电子，生成的亚铁离子与阳极液中的磷酸盐反应生成蓝铁矿，实现含磷废水中磷资源的回收利用，变废为宝；同时，铁电极上连接有导线，空气电极上连接有导线，在使用时，将两处导线连接于耗电负载或电能回收装置上，还能够实现发电的目的；阴极室电解液循环系统使得阴极室中的阴极液浓度相对均匀，保证反应效率和稳定的产电能力。
进一步的，由于铁阳极经过一段时间反应后，合成的蓝铁矿会覆盖其表面，使其发生钝化，铁阳极失电子能力下降，所以设置刀片卡槽方便清除表面，保证了稳定的产电性能。
附图说明
图1是本实用新型铁-空气电池处理含磷废水并回收磷资源装置整体图；
图2是本实用新型铁-空气电池处理含磷废水并回收磷资源装置的剖面图；
图3是本实用新型铁-空气电池处理含磷废水并回收磷资源装置阴极室整体图；
图4是本实用新型铁-空气电池处理含磷废水并回收磷资源装置阴极室剖面图；
图5是本实用新型铁-空气电池处理含磷废水并回收磷资源装置阳极室剖面图。
图中：阴极室A、阳极室B；第一封盖1、密封垫片2、空气电极3、外接导线口Ⅰ4、阴极室电解液循环系统5、电解液进口5-1、进水管5-2、电解液储液箱5-3、连接管5-4、循环泵5-5、出水管5-6、电解液出口5-7；质子交换膜6；阳极室进水口7、外接导线口Ⅱ8、外置刀片卡槽9、刀片9-1、铁电极10、第二封盖11、除磷产物排出口12、除磷产物收集斗13；电池支架14、壳体固定螺丝15、外接导线16、电信号采集系统17。
具体实施方式
下面结合具体附图和具体实施方式对本实用新型做进一步说明。若没有特殊说明或冲突，各优选实施方式可以任意组合。
如图1和图2所示，本实用新型的铁-空气电池处理含磷废水并回收磷资源的装置，包括阴极室A和阳极室B，阴极室A的一侧与阳极室B的一侧之间设有质子交换膜6并密封连接，阴极室A的另一侧设有空气电极3，阴极室A上连接有阴极室电解液循环系统5，空气电极3上连接有导线，该导线延伸至阴极室A外部；阳极室B设有阳极室进水口7、铁电极10和除磷产物排出口12，除磷产物排出口12位于阳极室B的底部，铁电极10设置于阳极室B中，铁电极10上连接有导线，该导线延伸至阳极室B的外部。
作为本实用新型优选的实施方案，如图1～图4所示，阴极室电解液循环系统5包括电解液进口5-1、进水管5-2、电解液储液箱5-3、连接管5-4、循环泵5-5、出水管5-6和电解液出口5-7，电解液进口5-1设置于阴极室A一侧的下部，电解液出口5-7设置于阴极室A另一侧的上部；电解液进口5-1过进水管5-2与电解液储液箱5-3连接，循环泵5-5的进水口通过连接管5-4与电解液储液箱5-3连接，循环泵5-5的出水口通过出水管5-6与电解液出口5-7连接。
作为本实用新型优选的实施方案，如图2和图5所示，阳极室B的上部内嵌有外置刀片卡槽9，铁电极10穿过外置刀片卡槽9悬挂在阳极室B中部，铁电极10的上端连接有导线；外置刀片卡槽9中设有两片刀片，两片刀片之间呈V形布置，铁电极10从两片刀片之间穿过。
作为本实用新型优选的实施方案，如图1、图2和图5所示，阳极室B的底部设有除磷产物收集斗13，除磷产物收集斗13的出口作为除磷产物排出口12。
作为本实用新型优选的实施方案，如图1和图2所示，空气电极3上连接的导线以及铁电极10上连接的导线可直接相连、或连接用电器、或连接电能收集器、或连接电信号采集系统17。
本实用新型的铁-空气电池处理含磷废水并回收磷资源的装置中，正、负极分别采用制作成本较低的铁电极和空气电极，阳极室中加入含有磷酸盐的废水，阴极室中加入1mol/L氯化钠溶液作为电解液；阴、阳两室由质子交换膜隔开，阴、阳两级通过外接导线连接，构成原电池系统。铁阳极与空气阴极存在电势差使得铁阳极失去电子，生成的亚铁离子与阳极液中的磷酸盐反应生成蓝铁矿(Fe3(PO4)2·8H2O)；电子经由外接导线到达空气阴极，空气中的氧气经集气层的收集到达催化层，在Pt/C催化剂的作用下，氧气与阴极接收的电子反应生成水；电池内部质子通过质子交换膜移动形成回路，在外电路中可产生1.2V的开路电压。该装置以铁电极原位生成的亚铁离子为除磷剂，在不引入其它杂质离子的前提下，实现了废水除磷，同时还可回收废水中的磷资源和电能。
实施例
如图1～图5所所示，本实施例铁-空气电池处理含磷废水并回收磷资源的装置，包括阴极室A、阳极室B和外部连接设备，阴极室A和阳极室B为中空的腔体；阴极室A上连接有空心塑料封盖、密封垫片2、空气电极3、外接导线口Ⅰ4和阴极室电解液循环系统5，阴极室电解液循环系统5包括电解液进口5-1、进水管5-2、电解液储液箱5-3、连接管5-4、循环泵5-5、出水管5-6、电解液出口5-7；阴极室A经由质子交换膜6与阳极室B传质，阴极室A与阳极室B之间通过密封垫2密封连接；阳极室B上设有阳极室进水口7、外接导线口Ⅱ8、外置刀片卡槽9、铁电极10、实心塑料封盖、除磷产物排出口12、除磷产物收集斗13；外部连接设备包括电池支架14、壳体固定螺丝15、外接导线16、电信号采集系统17。
如图1和图2所示，空气电极3设置在阴极室A内腔的左侧，阴极室A的右侧面通过空心塑料封盖和密封垫片2密封，外接导线口Ⅰ4设置于阴极室A的右侧上部，阴极室电解液循环系统5设置于阴极室A的底部；空气电极3上端与外接导线16相连；外接导线16经由外接导线口Ⅰ4伸入阴极室内与空气电极3相连；阴极室电解液循环系统5中电解液进口5-1置于阴极室A一侧下方，电解液出口5-6置于阴极室另一侧上方；电解液储液箱5-3、循环泵5-4置于装置最底部；通过进水管5-2、连接管5-4、出水管5-5串通完成电解液循环。
如图1和图2所示，阳极室进水口7、外接导线口Ⅱ8和外置刀片卡槽9和设置于阳极室B的顶部，阳极室B的左侧面通过密封垫片2和实心塑料封盖密封，除磷产物收集斗13设置于阳极室B的下部，除磷产物收集斗13的出口作为除磷产物排出口12；外置刀片卡槽9内嵌在阳极室B上部；铁电极10穿过外置刀片卡槽9并悬挂在阳极室中部，铁电极10上端与外接导线16相连；外接导线16经由外接导线口Ⅱ8伸入阳极室内与铁电极10相连；除磷产物收集斗13上端(即大端)连接阳极室反应区。
空气电极3与铁电极10通过外接导线16相连接，外接导线16上设有电信号采集系统17；交换物质的质子交换膜6置于阴极室和阳极室之间；阴极室A、阳极室B、密封垫片2、空心塑料封盖和实心塑料封盖通过四根固定螺丝15拧紧，连接为一个整体结构，这个整体结构的底部与电池支架14相，以连保持稳定。
上述各部件的尺寸及比例可视实际情况进行设定。在本实施例中，阴极室与阳极室两室规格相同，容积相同，容积比为1:1。所述的阳极室B可加入5-1000mg-p/L的含磷废水，阴极室A采用1mol/L的氯化钠溶液作为电解液；两阳极室B和阴极室A中液体体积相同，液体体积占各室容积的90％。所述的外置刀片卡槽9内嵌在阳极室B上部，两边的刀片组成V形结构，每个刀片的倾角均为45°；两刀片规格相同，其长宽之比为2:1，两边刀片底部水平间距与铁电极厚度一致。所述的阴极室电解液循环系统中电解液进口到底部的距离为阴极室总高的1/3，电解液出口到底部的距离为阴极室总高的2/3，电解液进口与电解液出口内径之比为1:1。所述的铁电极为正方形铁片，完全浸没在含磷废水中，其表面积与阳极室容积之比为1cm2:3.5cm3；空气电极为圆形小片，由碳基层、扩散层和催化层组合压制而成，其完全浸没在氯化钠电解质溶液中，其表面积与阴极室容积之比为1cm2:1.1cm3。所述的阳极室底部设有除磷产物收集斗和除磷产物排出口；除磷产物收集斗倾角均为60°，除磷产物排出口与阳极室进水口内径比为1:1；除磷产物排出口表面积与除磷产物收集斗体积之比为1:3.5，除磷产物收集斗的高度为阳极室总高的1/3。所述的阴极室与阳极室之间通过质子交换膜进行阴、阳两室间物质的交换，质子交换膜表面积与阴极室的容积之比为1cm2:1.1cm3。所述的阳极液pH为4～9、氧化还原电位为-300～-600mv、Fe/P大于1.5，在除磷产物收集斗和铁电极表面可观察到蓝铁矿的生成。经过试验，上述尺寸比例及参数能够较好的完成本实用新型的试验目的。
利用本实用新型上述铁-空气电池处理含磷废水并回收磷资源的装置可采用塑料制作，工作过程如下：含磷酸盐废水由阳极室进水口7进入阳极室，作为阳极液；阳极室中的铁电极10失去电子生成可溶性二价铁，该二价铁离子进入阳极液，并与阳极液中的磷酸根离子反应生成蓝铁矿沉淀；蓝铁矿经除磷产物收集斗13收集，由除磷产物排出口12排出。阳极室的铁电极10失去的电子经由外接导线16传送至阴极室的空气电极3，在外电路形成电流，由电信号收集系统17进行数据采集。氯化钠溶液经由电解液循环系统5中电解液进口5-1进入阴极室，作为阴极液，氧气作为活性物质进入阴极室充当耗电物质，在空气电极3上接受电子，生成水。质子交换膜6将阴、阳两室分隔，一方面通过质子交换维持阳极室和阴极室的电荷平衡，另一方面将阴极室的氧气隔绝，保证阳极室的厌氧环境。
该方法能够利用零价铁对含磷酸盐废水进行处理，得到蓝铁矿，零价铁廉价易得，因此成本低，得到的产物蓝铁矿实现了废水中磷资源的回用，变废为宝，同时还能够在处理废水过程中获得电能，因此本实用新型的方法既环境友好，由能废物利用，且成本低廉，是一种新型绿色环保磷资源回收技术，适合产业化推广。
本实用新型具有如下特点：
1)零价铁价廉易得，使得废水除磷成本降低；2)反应周期短，不仅能高效处理含磷废水，还可将磷资源以蓝铁矿形式回收；3)电解液循环系统和刀片卡槽的设置保证了其稳定的产电性能，开路电压可达1.2V。
Claims (10)
1.一种铁-空气电池处理含磷废水并回收磷资源的装置，其特征在于，包括阴极室(A)和阳极室(B)，阴极室(A)的一侧与阳极室(B)的一侧之间设有质子交换膜(6)并密封连接，阴极室(A)的另一侧设有空气电极(3)，阴极室(A)上连接有阴极室电解液循环系统(5)，空气电极(3)上连接有导线，该导线延伸至阴极室(A)外部；
阳极室(B)设有阳极室进水口(7)、铁电极(10)和除磷产物排出口(12)，除磷产物排出口(12)位于阳极室(B)的底部，铁电极(10)设置于阳极室(B)中，铁电极(10)上连接有导线，该导线延伸至阳极室(B)的外部。
2.根据权利要求1所述的一种铁-空气电池处理含磷废水并回收磷资源的装置，其特征在于，阴极室电解液循环系统(5)包括电解液进口(5-1)、进水管(5-2)、电解液储液箱(5-3)、连接管(5-4)、循环泵(5-5)、出水管(5-6)和电解液出口(5-7)，电解液进口(5-1)设置于阴极室(A)一侧的下部，电解液出口(5-7)设置于阴极室(A)另一侧的上部；电解液进口(5-1)过进水管(5-2)与电解液储液箱(5-3)连接，循环泵(5-5)的进水口通过连接管(5-4)与电解液储液箱(5-3)连接，循环泵(5-5)的出水口通过出水管(5-6)与电解液出口(5-7)连接。
3.根据权利要求2所述的一种铁-空气电池处理含磷废水并回收磷资源的装置，其特征在于，阴极室电解液循环系统(5)中电解液进口(5-1)到底部的距离为阴极室总高的1/3，电解液出口(5-7)到底部的距离为阴极室总高的2/3，电解液进口(5-1)与电解液出口(5-7)内径之比为1:1。
4.根据权利要求1所述的一种铁-空气电池处理含磷废水并回收磷资源的装置，其特征在于，阳极室(B)的上部内嵌有外置刀片卡槽(9)，铁电极(10)穿过外置刀片卡槽(9)悬挂在阳极室(B)中部，铁电极(10)的上端连接有导线；外置刀片卡槽(9)中设有两片刀片，两片刀片之间呈V形布置，铁电极(10)从两片刀片之间穿过。
5.根据权利要求1所述的一种铁-空气电池处理含磷废水并回收磷资源的装置，其特征在于，阳极室(B)的底部设有除磷产物收集斗(13)，除磷产物收集斗(13)的出口作为除磷产物排出口(12)。
6.根据权利要求1所述的一种铁-空气电池处理含磷废水并回收磷资源的装置，其特征在于，阴极室(A)与阳极室(B)的容积比为1:1。
7.根据权利要求1所述的一种铁-空气电池处理含磷废水并回收磷资源的装置，其特征在于，空气电极(3)上连接的导线以及铁电极(10)上连接的导线直接相连、与用电器连接、与电能收集器连接或与电信号采集系统(17)连接。
8.根据权利要求1所述的一种铁-空气电池处理含磷废水并回收磷资源的装置，其特征在于，每3.5-4cm3的阳极室(B)对应配置1-1.5cm2的铁电极(10)；每1.1-1.5cm3的阴极室(A)对应配置1-1.2cm2的空气电极(3)。
9.根据权利要求1所述的一种铁-空气电池处理含磷废水并回收磷资源的装置，其特征在于，每1.1-1.5cm3的阴极室(A)对应配置1-1.2cm2的质子交换膜(6)。
10.根据权利要求1所述的一种铁-空气电池处理含磷废水并回收磷资源的装置，其特征在于，阴极室(A)上设有供空气电极(3)上连接的导线穿过的外接导线口Ⅰ(4)，阳极室(B)上设有供铁电极(10)上连接的导线穿过的外接导线口Ⅱ(8)。
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|---|---|---|---|---|
| CN110902781A (zh) * | 2019-12-14 | 2020-03-24 | 西安建筑科技大学 | 一种铁-空气电池处理含磷废水并回收磷资源的装置及方法 |
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- 2019-12-14 CN CN201922247295.3U patent/CN211393965U/zh active Active
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