两种预处理方法处理源分离尿液的实验研究

摘要

随着我国载人航天事业的不断推进，实现多人长期任务、建立空间站已成为发展的主要目标，而通过废水的闭路循环，实现水的回收利用是实现该目标的重要一环。在航天飞行器密闭环境中，尿液的处理难度最大也最为关键，而目前我国对这方面的研究仅处在起步阶段，仍存在许多亟需攻克的难题。本文针对目前尿液预处理阶段存在的实际问题，研发了新型预处理稳定剂和电催化氧化预处理方法，通过实验研究，建立了两种方法的使工艺参数和条件，为该方法的应用提供了重要依据。
　　采用新型预处理稳定剂（过氧化物）进行了尿液预处理的研究。根据尿液预处理阶段应满足的抑菌、防沉淀、防止氨的产生、保持pH在5-8（降低氨的挥发）以及便于存储的要求，进行了新型预处理稳定剂的可行性研究，确定了其作为尿液预处理稳定剂的可行性，并确定了辅助其降低尿液pH的柠檬酸。通过实验确定了新型预处理稳定剂和柠檬酸的最优使用参数：在尿液存储期为7天时，预处理稳定剂的加入量为0.8g/L，柠檬酸的加入量为1.0g/L，预处理稳定剂和柠檬酸的加入方式为按1.5L的尿液量一次性加入。
　　利用电催化氧化技术进行了尿液预处理的研究。通过对尿液中含量较多的氨氮和尿素氧化机理的研究，确定了其在电催化氧化阶段的氧化产物。采用模拟尿液对电催化氧化技术的参数进行了单因素优化，确定了最优使用参数：阳极为钛钌铱电极，阴极为钛板电极，电流密度为50mA/cm2，极板间距为1cm，初始pH为实际尿液的初始pH(约7左右)，反应过程不需要搅拌和外加氯化钠。在最优参数下进行了实际尿液的电催化氧化处理，在3h内，实际尿液中氨氮的去除率可达到99.97％，总氮的去除率可达到94.31%，而且TOC的去除率也可达到82.72%。根据应用需要进行了密闭反应器中尿液的电催化氧化预处理，并考察了预处理后的尿液的存储性能，其处理结果与开放系统中基本相似，氨氮、总氮、TOC以及色度的去除率可以分别达到99.97%、94.79%、84.17%和100%，且预处理后的尿液在存储期内具有较强的稳定性，满足预处理阶段的要求。
　　根据在航天应用中的特殊性，进行了新型预处理稳定剂加药系统的设计、电催化氧化预处理系统的设计以及电催化氧化后尿液VCD蒸发系统的改进设计。通过发射成本的核算以及热量传递模型的建立，进行了新型预处理稳定剂和电催化氧化预处理相对于原有预处理剂的经济分析：相对于原有预处理剂，新型预处理稳定剂每处理1L尿液即可节约发射成本70.4美元，且由于不引入硫酸根离子，避免了硫酸钙垢的形成，能有效降低热量损失，提高能源的利用率以及延长VCD的使用寿命。电催化氧化预处理每处理1L尿液可节约发射成本110美元，但也需要消耗电能0.0648kw·h，此外，电催化氧化预处理除能像新型预处理剂一样有效降低热量损失外，还能提高沸腾传热系数，进一步提高能源利用率。

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第1章 绪 论

1.1 课题来源、背景及研究目的和意义

1.2 空间站源分离尿液预处理技术的研究进展

1.3电催化氧化技术及其在源分离尿液处理中的研究进展

1.4 主要研究内容与技术路线

第2章 实验材料与实验方法

2.1 实验材料与仪器

2.2 尿液来源及实验装置

2.3分析方法

第3章 新型尿液预处理稳定剂及应用条件研究

3.1 预处理稳定剂的可行性分析

3.2 预处理稳定剂对尿液稳定的影响因素及最优参数的确定

3.3 本章小结

第4章 电催化氧化预处理尿液的实验研究

4.1 氨氮和尿素的电催化氧化机理

4.2 尿液电催化氧化预处理的最优参数的确定

4.3 电催化氧化处理实际尿液的实验研究

4.4 本章小结

第5章 两种预处理方法的系统设计与经济分析

5.1 两种不同预处理方法的系统设计

5.2 两种预处理方法的经济分析

5.3 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士期间发表的论文及其它成果

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