一种废水电解制氢系统及方法

本发明涉及电化学领域，更为具体的，涉及一种废水电解制氢系统及方法。

背景技术：

1、氢能具有来源广、可储存、用途多、零碳零污染及能量密度大等优势，是未来能源领域的关键组成部分。工业废水中常含有多种有毒物质，污染环境并对人类健康有很大危害，因此要开发综合利用，化害为利。目前工业废水的处理方式更多的是以处理后排放为主，并未有过多关于工业废水的资源化利用研究，这是由于不同工业废水的复杂组分，导致了这些废水资源化利用困难，对于特定的某种工业污水处理技术，极难进行产业化推广，电解工业污水制氢仍是世界空白。依据调研以及研究，目前电解工业废水存在以下问题：(1)工业废水中存在大量的有机、无机污染物，会对电解槽中的电极、催化剂等产生毒化和腐蚀，导致电解效率大幅下降，现有工艺无法完成工业废水制氢；(2)工业废水成分复杂，且不同工业废水的产生方式不同，例如电解盐工业废水、重金属冶炼废水、矿井废水等，会对电解装置产生腐蚀，并产生不同的副反应，影响电解效率，因此，根据不同工业废水的不同成分的不同毒化作用，要对工业废水进行特定预处理；(3)直接电解工业废水具有危险性，部分工业废水中含有有毒物质，电解过程会使其浓缩，产生沉淀、废渣等二次污染，部分有毒物质会对人体(主要为挥发分)、环境造成危害和污染；(4)部分工业废水的离子含量较低，导致电解过程中的电流密度较低，大大降低了制氢效率。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种废水电解制氢系统及方法，实现工业废水电解制氢工艺，同现有的废水处理工艺相比，可以实现低成本的废水处理的同时，实现氢能源的生产。

2、本发明的目的是通过以下方案实现的：

3、一种废水电解制氢系统，包括工业废水预处理子系统、水传质子系和非纯水溶液制氢子系统，工业废水预处理子系统与水传质子系练连接，水传质子系练与非纯水溶液制氢子系统连接；

4、所述工业废水预处理子系统包括废水预处理腔室，在废水预处理腔室上设置有废水进口、第一阀门、处理剂入口和排出口，在废水预处理腔室的内部设置有搅拌器；所述水传质子系统包括传质舱，在传质舱上设置有预处理废水进口、第二阀门、纯净水蒸气出口、第三阀门和废水溶液出口；在传质舱内部设置有传质器，所述传质器包括传质单元，传质单元表面贴附有防水透气层；所述传质舱上的预处理废水进口与废水预处理腔室连接，传质舱中的废水来源于废水预处理腔室。

5、进一步地，所述废水预处理腔室的中部位置设置有出口，用于将废水引入传质舱中。

6、进一步地，所述废水预处理腔室的出口设置有活性炭和筛网。

7、进一步地，所述传质舱的壁面上设置保温层。

8、进一步地，所述传质单元的结构为板式或中空纤维式。

9、进一步地，所述防水透气层包括多孔tpu膜、pdms膜和ptfe膜中的任一种。

10、进一步地，所述防水透气层包括利用石墨烯、pvdf颗粒、ptfe颗粒并通过喷涂、丝网印刷、静电吸附制备的多孔防水透气传质层。

11、进一步地，所述非纯水溶液包括海水、盐湖水、化工用水、河水、湖水、废水、沼泽水和生活污水中的任一种。

12、进一步地，所述传质舱包括由316l不锈钢耐腐蚀材料制成的非纯水溶液保温舱。

13、一种废水电解制氢系统的运行方法，包括如下步骤：

14、步骤一，电解液进入传质舱内的水传质器中，电解液通过水传质器的传质单元，利用预处理后的废水与电解液之间的蒸汽压差驱动力，诱导液态非纯水溶液发生相变成为“气态水分子”，水分子通过传质单元表面的防水透气层，进入到传质单元内部的电解液中，被进一步吸收为液态水；利用防水透气层的疏水作用，传质单元内的电解液和外部的非纯水溶液不会发生相互渗透；此外，传质舱通过在壁面上设置保温层来优化系统，来自制氢子系统的高温电解液进入到传质舱后与低温预处理废水发生热量交换，使废水升温，传质舱的保温作用进一步防止热量向外界散失；升温后的废水，与电解液之间蒸汽压差增大，进一步增大预处理废水向电解液的相变传质速率，使更多的纯净水分不断向电解液中补充，用于电解制氢；同时，传质舱内温度升高，使水分不断向外蒸发，可进一步获取纯净的水蒸气，冷凝液化后联产纯净水；

15、步骤二，利用传质舱上设置的预处理废水进口和废水溶液出口，使传质舱内不断有新鲜的预处理废水溶液进/出来平衡浓度；与废水交换热量并获取纯净水分后的电解液，又重新返回到制氢子系统的电解液储存罐中进行储存，为电解系统补充纯净水的同时，为下一次电解做准备。

16、本发明的有益效果包括：

17、本发明基于新发现的原理提供了一种将工业废水预处理模块、供能模块、电解制氢模块、氢气收集模块、氧气收集模块、废水传质模块、冷却模块集成的污水直接电解制氢系统，形成了一种新型工业废水直接电解制氢工艺系统。

18、本发明可以通过电解质直接从预处理后的工业废水中获取纯净水用于制氢。从根本上解决了工业废水成分复杂使离子交换膜失效、催化剂失活、产生二次污染和有毒气体的问题；避免了大尺寸净化系统的占地空间大的问题；大大提高了电解工业废水制氢的制氢效率。同时，有助于未来工业废水的资源化利用，为工业废水的直接制氢提供强有力技术支撑。

19、本发明提出了利用界面压力差，使工业废水发生相变气化产生水蒸气，水汽迁移至电解质中，并被界面压力差诱导液化，为电解质补充纯净水，这种“液—气—液”相变迁移补充水的方案，以及首次提出了诱导工业废水发生“液—气—液”相态转变，为电解质补充纯净水的方案。

技术特征：

1.一种废水电解制氢系统，其特征在于，包括工业废水预处理子系统、水传质子系和非纯水溶液制氢子系统，工业废水预处理子系统与水传质子系练连接，水传质子系练与非纯水溶液制氢子系统连接；

2.根据权利要求1所述的废水电解制氢系统，其特征在于，所述废水预处理腔室(23)的中部位置设置有出口，用于将废水引入传质舱(29)中。

3.根据权利要求2所述的废水电解制氢系统，其特征在于，所述废水预处理腔室(23)的出口设置有活性炭和筛网。

4.根据权利要求1所述的废水电解制氢系统，其特征在于，所述传质舱(29)的壁面上设置保温层。

5.根据权利要求1所述的废水电解制氢系统，其特征在于，所述传质单元的结构为板式或中空纤维式。

6.根据权利要求1所述的废水电解制氢系统，其特征在于，所述防水透气层包括多孔tpu膜、pdms膜和ptfe膜中的任一种。

7.根据权利要求1所述的废水电解制氢系统，其特征在于，所述防水透气层包括利用石墨烯、pvdf颗粒、ptfe颗粒并通过喷涂、丝网印刷、静电吸附制备的多孔防水透气传质层。

8.根据权利要求1所述的废水电解制氢系统，其特征在于，所述非纯水溶液包括海水、盐湖水、化工用水、河水、湖水、废水、沼泽水和生活污水中的任一种。

9.根据权利要求1所述的废水电解制氢系统，其特征在于，所述传质舱(29)包括由316l不锈钢耐腐蚀材料制成的非纯水溶液保温舱。

10.一种废水电解制氢系统的运行方法，其特征在于，包括如下步骤：

技术总结
本发明公开了一种废水电解制氢系统及方法，属于电化学领域，包括：工业废水预处理子系统、水传质子系和非纯水溶液制氢子系统，工业废水预处理子系统与水传质子系练连接，水传质子系练与非纯水溶液制氢子系统连接，其中集成设置有工业废水预处理模块、供能模块、电解制氢模块、水传质模块、氢气收集模块、氧气收集模块和冷却模块。本发明实现工业废水电解制氢工艺，同现有的废水处理工艺相比，可以实现低成本的废水处理的同时，实现氢能源的生产。

技术研发人员：谢和平,刘涛,赵治宇,吴岳
受保护的技术使用者：四川大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/19