2008年第11期大眾科技No.11, 2008(總第111期)DA ZHONG KE JI(Cumulatively No.111)電解污水制氫的實(shí)驗(yàn)研究崔明賢，江菊元，田禾， 劉力健(天津理工大學(xué),天津300191 )[摘要]利用電解法處理污水時(shí)，對(duì)不同電解液污水處理以及產(chǎn)生氫氣耗電量進(jìn)行比較;同時(shí)分析了coD下降與氫氣產(chǎn)生的變化曲線(xiàn)，對(duì)陰極產(chǎn)生氫氣，進(jìn)行收集、提純可得到高純度氫氣,最后分析了影響因素。[關(guān)鍵詞]電解法;污水;氫氣[中圖分類(lèi)號(hào)] X506[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A[文章編號(hào)] 1008-11512008)11-0115-02電解污水制氫，即利用電解法處理污水的同時(shí)，充分利實(shí)驗(yàn)裝置圖如圖1所示。用陰極產(chǎn)生的氫氣，經(jīng)提純處理，可獲得較高純度的氫氣。具體來(lái)說(shuō)，利用金剛石膜電極在陽(yáng)極進(jìn)行電解污水處理，由于污水中含有大量的高分子有機(jī)物，電解之后，會(huì)產(chǎn)生大量的小分子及自由的離子，當(dāng)然包含有氫離子，透過(guò)離子膜，到達(dá)陰極，在陰極發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生氫氣。而羥基和氧氣則用于處理污水，當(dāng)然陰極還會(huì)出現(xiàn)二氧化碳、一氧化碳，等等。但由于離子膜的作用，不會(huì)與氫氣混雜。當(dāng)兩個(gè)電極(陰極和陽(yáng)極)分別通.上直流電，并且浸入污圖1實(shí)驗(yàn)裝置困水中時(shí)，在催化劑和直流電的作用下，水分子別分解為氫離在實(shí)驗(yàn)中，電解均采用金剛石膜電極，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的電極子和氫氧根離子，在陽(yáng)極氫氧根離子失去電子產(chǎn)生氧氣。在石墨、鉑、二氧化錫等材料，與金剛石膜相比，在性能上有陰極氫離子得到電子產(chǎn)生氫氣，這種電解裝置即為電解槽. ,很大的不足。金剛石膜具有優(yōu)良的電化學(xué)特性，電勢(shì)窗口比反應(yīng)式如下所示:較寬，如圖2所示:在酸性溶液中電解時(shí):陰極: 2H*+2e→H2↑(1.1)陽(yáng)極: .H,0+2e→zo,↑+2H*+2e(1.2)在堿性溶液中電解時(shí):陰極: 2H2O+2e →H2↑+20H~(1.3)陽(yáng)極: 20H*→jo2↑+HO+2e(1. 4)兩種情況下的總反應(yīng)均為:2H2O- +2H2↑+02↑(1. 5)(一)實(shí)驗(yàn)裝置.裝置為陰極室容積為1600ml,陽(yáng)極室容積為1500ml,電困2金剛石膜的電勢(shì)窗口極間距為8m，陽(yáng)極為雙面涂有金剛石膜的鉭片，面積為圖2說(shuō)明了金剛石膜具有較寬的電勢(shì)窗(≥3V)",析氧30cm'，陰極為鋼片，面積約為35cm2 隔膜為普通的陽(yáng)離子膜電位高達(dá)2. 8V,即陽(yáng)極出現(xiàn)氧氣之前，即可以殺死污水中有離子膜為普通陽(yáng)離子膜,其中電極為金剛石電極。污水采用試機(jī)物，中國(guó)煤化工。金剛石電極作為劑廠(chǎng)的含有大量大分子有機(jī)物的廢水，PH=3 的酸性污水。污水處二尤勢(shì)，尤其是它適合[收稿日期] 2008- -08-07TYHCNMHG[作者簡(jiǎn)介]崔明賢(1963-),天津理工大學(xué)熱能系副教授,研究方向?yàn)闊崮芄こ獭?115-于處理幾乎任何種類(lèi)的污水。2.氫氣的收集、干燥和提純(二)實(shí)驗(yàn)分析我們進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，根據(jù)氫氣難溶于水，采用排水法收集，1.不同電解液耗電實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。收集過(guò)程中特別需要注意的是不能混雜入空氣等雜質(zhì)氣體。表I 不同電解液耗電量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)干燥可以采用濃硫酸或者氫氧化鈉的吸水性來(lái)去除水蒸氣。最后將它進(jìn)行變壓吸附提純，即吸附分離技術(shù)中的一項(xiàng)用于分離氣體混合物的技術(shù)。變壓吸附裝置工藝和操作都較簡(jiǎn)單，電解液濃度0.5 0.5.50.0.5而且是在常溫下操作，可-步獲得99.99%以上的產(chǎn)品氫氣。mol/L電極間距a14二 14(三)金剛石處理污水的影響因素電解電壓V10I9810 81.電壓的影響:電壓不同，電流上升到峰值的時(shí)間不同,電解電流AT1.650.97 1.252.492.280.87也即是電極反應(yīng)速度不同。電壓高，電極反應(yīng)加快。電壓高，氫氣流量1360 600801500115050對(duì)應(yīng)的電流大，但電流效率較低.1/2.電極間距的影響:降解率隨著極間距減小而升高，但電解情16.58.73024.918.085.22是過(guò)小的間距使得極間溶液流量減少，液體對(duì)流效應(yīng)減弱，產(chǎn)生1立方米氧氣的耗電量1277 | 15.31 1196 .17.45 16.54 &弱極間溫度升高，并使得電場(chǎng)過(guò)強(qiáng)，通電瞬間可能引起極間放電降低電極使用壽命，更使對(duì)電極裝置的設(shè)計(jì)要求提高。利用電解去離子水制取氫氣，據(jù)報(bào)道，一般產(chǎn)生煤立方3.溫度的影響:溫度升高，促進(jìn)有機(jī)物分解，有利于提米的氫氣，需要電量為4.5~5.5kn,而利用我們的裝置，通高反應(yīng)速率從而提高了有機(jī)物降解速度，但同時(shí)也會(huì)使催化過(guò)實(shí)驗(yàn)，則需要耗電量為8. 45kwh時(shí)還進(jìn)行了污水處理，污產(chǎn)生的自由基失活加劇，從而導(dǎo)致反應(yīng)速率的下降。水的C0D下降了”。如果進(jìn)- -步改善裝置的合理性，優(yōu)化流程，(四)結(jié)論耗電量還會(huì)有較大幅度下降。金剛石膜電極用于電解污水制氫，析氫率高，電極壽命長(zhǎng)，造價(jià)低，可以降低制氫成本, 是今后最有希望的電解制氫電極，特別是將其應(yīng)用于污水處理系統(tǒng)當(dāng)中，對(duì)難以降解的CoOD能迅速下降達(dá)到國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)。[參考文獻(xiàn)][1]江菊元,等:金剛石電極在電解水制氫中的應(yīng)用0).中山大學(xué)學(xué)報(bào)205.44):11-131[2 Juyuan Jiang et. Sinuancouss Hydrogen Production andElectrochemical Oxidaion of Organics Using Bom -Doped(1)(2)Diamond Electrodes. Environ Sai Technol 2008.42:3059-3063.圍3金剛石處理污水 CD隨時(shí)間下降,氳氣產(chǎn)量隨時(shí)間上升圈[3]鮑德佑.氫能的最新發(fā)展].新能源1994,16(3).(1) COD隨時(shí)間的變化(2)氧氣產(chǎn)量隨時(shí)間的變化[4BrowneSH.氟制取工藝的評(píng)價(jià)].新能源1990,125 STpsti Becrochemitsy and he EnioumantThe Rolk of由圖3可見(jiàn)，隨CD數(shù)值下降趨于平穩(wěn)，制氫的效率也ecoanlylJIntnmamional Joumal of Hybrogen Energy逐漸下降趨于平穩(wěn)，所以C0D數(shù)值與制氫效率的關(guān)系成正比關(guān)201995),835-844.系(上樓第110頁(yè))提高，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理的組建、系統(tǒng)功能高效有序地發(fā)揮，可(六)小結(jié)促使旅游城市生態(tài)系統(tǒng)整體運(yùn)行穩(wěn)定、有序、協(xié)調(diào),進(jìn)入良旅謝城市生態(tài)系統(tǒng)是由人參與和調(diào)控的，以旅游客流異性循環(huán)狀態(tài)，有利于發(fā)揮旅游城市生態(tài)系統(tǒng)的旅游服務(wù)功能，地移動(dòng)性為重要特征的生態(tài)系統(tǒng)，也是高度人工化、高度開(kāi)提高旅游城市生態(tài)化水平，有利于建設(shè)人與自然和諧發(fā)展的放、多層次、多功能的復(fù)雜而脆弱的非自律性生態(tài)系統(tǒng)。對(duì)生態(tài)文明旅游城市，以實(shí)現(xiàn)旅游城市生態(tài)可持續(xù)發(fā)展這-最旅游城市以及郊區(qū)，乃至區(qū)域自然資源(包括旅游資源)的終目的。合理開(kāi)發(fā)利用，對(duì)旅游城市生態(tài)環(huán)境污染源的治理，對(duì)旅游客流的調(diào)控等，均有利于維持旅游城市生態(tài)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)平衡。[1]俞晟城市旅游與城市游總學(xué)[M].上海:華東師范大學(xué)出版此外，旅游城市生態(tài)系統(tǒng)功能正常發(fā)揮的動(dòng)力是系統(tǒng)內(nèi)外連續(xù)的、強(qiáng)大的、高效率的旅游客流、物流、能流、資金流以21] 程曉明生社,2003.及信息流等功能流運(yùn)動(dòng)，這些功能流也是影響旅游城市生態(tài)”中國(guó)煤化工協(xié)中201系統(tǒng)穩(wěn)定性的主要因素，任何環(huán)節(jié)的失控狀態(tài)，都會(huì)引起系:國(guó)城市規(guī)劃筆談會(huì)[].城統(tǒng)的失調(diào)，使系統(tǒng)成為無(wú)序狀態(tài):系統(tǒng)完全的開(kāi)放狀態(tài)可保4]CHCNMH G北京科學(xué)出版2000證正常的功能流輸入、輸出;系統(tǒng)內(nèi)部組成要素質(zhì)量的不斷(51朱能船范城市旅游學(xué)[M].上海百花出版社, 2002.-116-