电解污水制氢的实验研究

2008年第11期大众科技No11,2008(总第111)DA ZHONG KE JICumulatively No 111)电解污水制氫的实验研究崔明贤,江菊元,田禾,刘力健(天津理工大学,天津300191)【摘要】利用电解法处理污水时,对不同电解液污水处理以及产生氫气耗电量进行比较;同时分析了COD下降与氢气产生的变化曲线,对阴极产生氩气,进行收集、提纯可得到高纯度氫气最后分析了影响因素。【关键词】电解法;污水;氩气【中图分类号】X506【文献标识码】A【文章编号】1008-1151(200611-0115-0电解污水制氢,即利用电解法处理污水的同时,充分利实验装置图如图1所示用阴极产生的氢气,经提纯处理,可获得较高纯度的氢气具体来说,利用金刚石膜电极在阳极进行电解污水处理,由于污水中含有大量的高分子有机物,电解之后,会产生大量的小分子及自由的离子,当然包含有氢离子,透过离子膜到达阴极,在阴极发生反应,产生氢气。而羟基和氧气则用于处理污水,当然阴极还会出现二氧化碳、一氧化碳,等等但由于离子膜的作用,不会与氢气混杂当两个电极(阴极和阳极)分别通上直流电,并且浸入污水中时,在催化剂和直流电的作用下,水分子别分解为氢离图1实验装置图在实验中,电解均采用金刚石膜电极,因为传统的电极子和氢氧根离子,在阳极氢氧根离子失去电子产生氧气。在阴极氢离子得到电子产生氢气,这种电解装置即为电解槽。石墨、铂、二氧化锡等材料,与金刚石膜相比,在性能上有反应式如下所示:很大的不足。金刚石膜具有优良的电化学特性,电势窗口比较宽,如图2所示:在酸性溶液中电解时阴极:2H*+2→H,↑(1.1)阳极:HO+210,↑+F+(1.2)Electrochemical window of doped diamond lay在碱性溶液中电解时:阴极:2H2O+2e→H2↑+20H(1.3)阳极:20H→1o↑+H,O+2(1.4)两种情况下的总反应均为:2H2O→2H2↑+O2↑(1.5(一)实验装置装置为阴极室容积为1600m1,阳极室容积为1500m1,电图2金刚石膜的电势窗口极间距为8m,阳极为双面涂有金刚石膜的钽片,面积为图2说明了金刚石膜具有较宽的电势窗(≥3V),析氧30cm2,阴极为钢片,面积约为35cm隔膜为普通的阳离子膜电位高达28V,即阳极出现氧气之前,即可以杀死污水中有离子膜为普通阳离子膜,其中电极为金刚石电极。污水采用试机物,同时又不会腐蚀电极。正因为如此,金刚石电极作为剂厂的含有大量大分子有机物的废水,PH=3的酸性污水污水处理的电极材料,有着无可比拟的优势,尤其是它适合【收稿日期】2008-08-07【作者简介】崔明贤(1963一),天津理工大学热能系刮教授,研究方向为热能工程。于处理几乎任何种类的污水。2氢气的收集、干燥和提纯(二)实验分析我们进行实验时,根据氢气难溶于水,采用排水法收集,1.不同电解液耗电量实验数据如表1所示收集过程中特别需要注意的是不能混杂入空气等杂质气体。表1不同电解液耗电量实验数据干燥可以采用浓硫酸或者氢氧化钠的吸水性来去除水蒸气最后将它进行变压吸附提纯,即吸附分离技术中的一项用于分离气体混合物的技术。变压吸附装置工艺和操作都较简单电解液种类「 o.Na.so.「8 Na SO. (MHNH,), so CNH-NIH S.. HN H)so而且是在常温下操作,可一步获得99.99%以上的产品氢气电解液浓度〖电板间距m1414_14■14(三)金刚石处理污水的影响因素电解电压V1.电压的影响:电压不同,电流上升到峰值的时间不同,电解电流A65a.91.25也即是电极反应速度不同。电压高,电极反应加快。电压高,流量1360|60对应的电流大,但电流效率较低587324918.082.电极间距的影响:降解率随着极间距减小而升高,但5.22是过小的间距使得极间溶液流量减少,液体对流效应减弱,极间温度升高,并使得电场过强,通电瞬间可能引起极间放氢气的耗电量12m15311.6174516548.45电,降低电极使用寿命,更使对电极装置的设计要求提高3.温度的影响:温度升高,促进有机物分解,有利于提利用电解去离子水制取氢气,据报道,一般产生煤立方高反应速率从而提高了有机物降解速度,但同时也会使催化米的氢气,需要电量为45~55kWh,而利用我们的装置,通产生的自由基失活加剧,从而导致反应速率的下降过实验,则需要耗电量为8.45kwh时还进行了污水处理,污水的COD下降了如果进一步改善装置的合理性优化流程,(四)结论耗电量还会有较大幅度下降金刚石膜电极用于电解污水制氢,析氢率高,电极寿命长,造价低,可以降低制氢成本,是今后最有希望的电解制氢电极,特别是将其应用于污水处理系统当中,对难以降解的00D能迅速下降达到国家排放标准【参考文献】]江菊元等金刚石电极在电解水制甄中的应用门中山大学学报200544211-13[2] Juyuan Jiang et. Simulataneous Hydrogen Production andElectrochemical Oxidation of Organics Using Borm-DopedDiamond Electrodes, Environ Sci Technol 2008.423059-3063图3金刚石处理污水0D随时间下降,氲气产量随时间上升图(3]鲍德佑氨能的最新发展新能源19946((1)cOD随时间的变化(2)氬气产量随时间的变化Browne SH.氩制取工艺的评价门新能源1990,12[5]STrasatti, Electrochemistry and the Environment The Role of由图3可见,随着oD数值下降趋于平稳,制氢的效率也Electrocatalysis). Intemational Joumal of Hydrogen Energy逐渐下降趋于平稳,所以C数值与制氢效率的关系成正比关20(1995835-844.系xXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX(上接第110页)提高,系统结构合理的组建、系统功能高效有序地发挥,可(六)小结促使旅游城市生态系统整体运行稳定、有序、协调,进入良旅游城市生态系统是由人参与和调控的,以旅游客流异性循环状态,有利于发挥旅游城市生态系统的旅游服务功能,地移动性为重要特征的生态系统,也是高度人工化、高度开提高旅游城市生态化水平,有利于建设人与自然和谐发展的旅游城市以及郊区,乃至区域自然资源(包括旅游资源)的盼◆旅游城市,以实现旅游城市生态可持续发展这一最放、多层次、多功能的复杂而脆弱的非自律性生态系统。对合理开发利用,对旅游城市生态环境污染源的治理,对旅游客流的调控等,均有利于维持旅游城市生态系统的动态平衡。【参考文献】此外,旅游城市生态系统功能正常发挥的动力是系统内外连(]俞晟城市旅游与城市游憩学队上海:华东师范大学出版续的、强大的、高效率的旅游客流、物流、能流、资金流以社,2003及信息流等功能流运动,这些功能流也是影响旅游城市生态2]蔡晓明生态系统生态学M北京科学出版社,2001系统稳定性的主要因素,任何环节的失控状态,都会引起系]马世骏王如松面向21世纪的中国城市规划笔谈会城市规划1991(1):5-6统的失调,使系统成为无序状态:系统完全的开放状态可保{4扬小波吴庆书等城市生态学M北京科学出版社200证正常的功能流输入、输出;系统内部组成要素质量的不断(5]朱能船范海森城市旅游学M上海:百花出版社,2002116