太阳能电池驱动的电化学水处理技术与设备研究

摘要

随着工业与人口的快速发展，大量含有难降解有机污染物的工业废水、医药废水与农用化学品被排入到自然水体中，给水体造成了严重的污染。这些污染物，特别是药品和个人护理用品(PPCPs)，虽然在环境水体中的浓度较低，但可通过一系列的迁移与转化作用富集在水产品中，人类通过食用这些水产品从而对健康造成不利的影响，因此亟需寻找处理此类污染物的有效可行的方法。本文尝试用电化学技术对含氯霉素废水进行降解，并把太阳能光伏电池引入到水处理领域中，用太阳能光伏电池驱动电化学水处理设备，从而实现治理污染、节约能源的目标。本文的主要研究内容和结论如下：
　　 (1)首先对电化学技术处理模拟氯霉素废水的工艺条件进行了优化，优化结果是：处理时间180min、溶液的pH=8.0(用缓冲溶液配制)、电解质浓度为0.05 mol/L、电流密度为1mA/cm2。在此条件下，电化学技术对初始浓度为10mg/L的氯霉素模拟废水的去除率达95%左右。在其处理能力之内，氯霉素的去除率与初始浓度无关。电化学技术降解氯霉素的过程符合一级反应动力学。
　　 (2)在最优条件下，用阴阳极同槽式反应器处理初始浓度为10m/L的实际氯霉素废水，去除率达80%。用阴阳极隔离式反应器处理氯霉素废水发现，阴极还原作用比阳极氧化作用对降解氯霉素的效果要好，阴极室氯霉素的去除率为60%，阳极室只有20%。
　　 (3)根据实验需要，选定了一款输出性能合适的太阳能电池板，并对其输出电压、输出电流以及输出功率进行了测试。光照正常时其输出电压范围为16.9V至18.0V，电流范围为0.074A至0.08A，功率范围为1.25W至1.44W，输出性能的稳定性较好。再用此太阳能电池为电化学反应器供电，考察其对氯霉素废水的降解效果。用阴阳极同槽式反应器处理180min后可降解掉95%的初始浓度为10 mg/L的氯霉素废水。对于条件相同的阴阳极室来说，处理180min后阴极对氯霉素的降解率达到87%，比阳极室氯霉素的去除率提高了60%左右。
　　 (4)根据实验需要以及和太阳能电池相匹配，选定了以规格为12V12AH的蓄电池，并对其充放电性能进行了测试。其最高输出电压为13.4V，输出电流为5A时可放电152min，此时电压为10.5V。在实验用电流最大不超过0.3A，此时可放电40个小时。在正常光照条件，用太阳能电池给此蓄电池充电5小时，其电压由10.5V升至12.7V。
　　 (5)根据以上研究内容，进行了电化学反应器的初步设计以及一体化设备的初步研究。