發(fā)布時(shí)間：2019-09-17 16:41

【摘要】：水污染及水資源短缺問(wèn)題是制約國(guó)民經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要因素之一。傳統(tǒng)的廢水處理高能耗、高成本,致使污水處理廠(chǎng)難以為繼、減排效益得不到正常發(fā)揮。能源需求增加也加劇了當(dāng)前的能源危機(jī),節(jié)能降耗的污水處理技術(shù)勢(shì)在必行。然而,受水處理工藝的節(jié)制,技術(shù)提升空間有限。廢水中蘊(yùn)藏能量已有共識(shí),提取能量已引起科學(xué)工作者的廣泛關(guān)注。從廢水中直接提取電能而無(wú)需給能的處理技術(shù)必將成為一個(gè)熱點(diǎn)課題。 本論文通過(guò)設(shè)計(jì)由還原性污染物與氧化性污染物組成的液相污染物電對(duì)燃料電池,模擬污染物,典型的選取Ethanol-Cr(Ⅳ)、Phenol-Cr(Ⅳ)、Urea-Cr(Ⅳ)、 NaBH4-Cu(Ⅱ)及NaBH4-Ni(Ⅱ)電對(duì),將蘊(yùn)含在燃料和氧化劑中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的同時(shí)直接去除或轉(zhuǎn)化污染物,為實(shí)現(xiàn)污染物脫毒與產(chǎn)電共生進(jìn)行了基礎(chǔ)研究。 設(shè)計(jì)了Ethanol-Cr(Ⅵ)電對(duì)燃料電池,以中空Pt/C負(fù)載催化陽(yáng)極與堿性乙醇溶液構(gòu)成陽(yáng)極體系、以碳纖維布為電極與酸性Cr(Ⅵ)溶液構(gòu)成陰極體系,組裝成Ethanol-Cr(Ⅵ)電對(duì)燃料電池。當(dāng)Cr (Ⅵ)為3.94mM時(shí)可產(chǎn)生開(kāi)路電壓1.46V,負(fù)載985Ω外電阻后得到0.7V的輸出電壓,運(yùn)行54h后Cr(VI)去除率達(dá)96%,起始Cr(VI)濃度為8.65mM時(shí)最大功率密度為1900mWm-2。 當(dāng)用帶苯環(huán)的碳?xì)湮廴疚锉椒訛槿剂�、以Ni/C負(fù)載催化陽(yáng)極代替Pt/C催化陽(yáng)極時(shí),940mg L-1的苯酚實(shí)現(xiàn)98%的去除率,同時(shí)300mg L-1Cr(Ⅵ)達(dá)到99%的去除。苯酚在陽(yáng)極發(fā)生電氧化轉(zhuǎn)化為無(wú)毒的低分子量有機(jī)酸,Cr(VI)在陰極電還原為低毒性Cr(Ⅲ)。此時(shí),開(kāi)路電壓為1.2V、功率密度184mWm-2。 選擇尿素或尿液作為燃料注入電對(duì)燃料電池,負(fù)載NiCo/C催化劑為陽(yáng)極,組裝的urea/urine-Cr(Ⅵ)電對(duì)燃料電池,0.033M燃料、150mg L-1Cr (Ⅵ)的開(kāi)路電壓為1.08V、最大功率密度為220mWm-2，負(fù)載985Ω外電阻運(yùn)行25h后Cr(Ⅵ)去除率99.4%。改用尿液為燃料,其開(kāi)路電壓為0.84V,最大功率密度為90mWm-2,對(duì)應(yīng)Cr(VI)去除率達(dá)98.4%。 在此基礎(chǔ)上,探索了低電位金屬離子在電對(duì)燃料電池陰極的還原與去除。以尿素、乙醇、葡萄糖、淀粉和硼氫化鈉為燃料,銅離子為氧化劑的電對(duì)燃料電池產(chǎn)生的開(kāi)路電壓分別為0.58V、0.65V、0.78V、0.65V和1.5V。當(dāng)燃料為0.2MNaBH4和2M KOH,銅離子濃度為400mg L-1時(shí),可產(chǎn)生1.5V的開(kāi)路電壓,最大功率密度為1000mWm-2。外加985Ω負(fù)載后輸出電壓為0.65V,運(yùn)行23h后銅離子去除率達(dá)99.9%。若將400mg L-1Ni2+注入電對(duì)電池的陰極液,開(kāi)路電壓為1.05V、最大功率密度為260mWm-2。電池運(yùn)行45.7h后,鎳離子去除率達(dá)54.8%。 由此可見(jiàn),Cr(Ⅵ)、Cu(Ⅱ)、Ni(Ⅱ)與苯酚或尿素組成的電對(duì)燃料電池中可實(shí)現(xiàn)直接產(chǎn)電,同時(shí)污染物得以去除。這一方法可望成為污染物處理的一種新技術(shù)。
【圖文】：

它不受卡諾循環(huán)（r|+is=l-Q k,s/Q ss/T 限制，能量轉(zhuǎn)換效率可達(dá)40-70%，高于傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)（效率約30%)，如圖1.1所示[22]。燃料電池與傳統(tǒng)能源相比，具有低污染、高效率、無(wú)噪音、燃料來(lái)源廣等優(yōu)點(diǎn)[13]。1.2.1燃料電池發(fā)展筒史歷史上，第一個(gè)燃料電池是Willian Grove在1839年發(fā)明的[23]。他把封有銷(xiāo)電極的坡璃管浸在稀硫酸中，先由電解產(chǎn)生氫和氧，，接著連接外部負(fù)載，這樣氫和氧就發(fā)生電池反應(yīng)，產(chǎn)生了電流。由此可見(jiàn)，燃料電池已經(jīng)有了 170余年的發(fā)展歷史。然而，真正引起科學(xué)家廣泛關(guān)注是20世紀(jì)50年代的Bacon型燃料電池[24]。而燃料電池的首次實(shí)際應(yīng)用是在1960年美國(guó)的“太空計(jì)劃’’，用于6

燃料電池是一種將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，它按照電化學(xué)原理在等溫條件下將存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。圖1.2是燃料電池的基本組成和工作原理。燃料電池主要由陽(yáng)極、陰極、電解質(zhì)和外部電路等組成。兩個(gè)電極和電解質(zhì)接觸，能量產(chǎn)生的過(guò)程發(fā)生在電極/電解質(zhì)界面上，電子和離子傳輸分開(kāi)進(jìn)行。它的產(chǎn)電原理與化學(xué)電源一樣，電極提供電子轉(zhuǎn)移的場(chǎng)所，陽(yáng)極催化燃料如氫的氧化過(guò)程，陰極催化氧化劑如氧等的還原過(guò)程；導(dǎo)電離子在將陰陽(yáng)極分8
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類(lèi)號(hào)】：X703;TM911.4

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前3條

1 周志強(qiáng);;中國(guó)能源現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢(shì)及對(duì)策[J];能源與環(huán)境;2008年06期

2 楊凌波;曾思育;鞠宇平;何苗;陳吉寧;;我國(guó)城市污水處理廠(chǎng)能耗規(guī)律的統(tǒng)計(jì)分析與定量識(shí)別[J];給水排水;2008年10期

3 龐博文;李金鋒;孫成才;;中國(guó)未來(lái)五十年能源發(fā)展趨勢(shì)[J];科技致富向?qū)?2011年17期

本文編號(hào)：2536985