一种应用于水体原位除藻的装置及方法

本发明涉及水体原位修复，特别涉及一种应用于水体原位除藻的装置及方法。

背景技术：

1、湖泊、水库等水体的保护和治理工作一直在进行，取得了一定的成效，其污染主要来源于点源污染和面源污染。点源污染相对好控制，但面源污染时空分布广、不易监测，对水体造成严重的污染，导致水体富营养化甚至发生有害的藻类水华，对生态环境和人类健康都带来威胁。面对水华这一紧迫的问题，现有的除藻技术不够完善，各种不同物理法、化学法和生物法等均具有一定的局限性，开发更多不同优缺点的高效除藻技术，结合使用，能达到更理想的除藻效果。利用电化学技术除藻的研究较少，但是已有的研究表明，电化学氧化可以使藻类失活，有良好的除藻效果，其除藻作用主要与反应产生的·oh等活性氧有关。

2、三维电极电化学系统是指在两端驱动电极中间添加形状不定的颗粒电极，颗粒电极在电场作用下会发生极化，形成一个一个的微电极，这些颗粒电极可以极大的增加反应的比表面积，为反应提供更多的活性中心，三维电极系统的电流效率和去除效率比传统二维电极系统更高。然而，三维电极系统中的颗粒电极容易被污染物附着失去催化活性，再生和更换操作繁琐，且颗粒电极尺寸较小，形成的极化电压小且不确定，容易发生副反应，降低处理效率。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供了一种应用于水体原位除藻的装置及方法，基于tio2电催化材料及双极性电极体系，以旋转电极和太阳能驱动方案设计，能够利用太阳能自发在水面上运行，没有时空限制、操作简单、除藻效果良好，无二次污染、重复利用性和耐久性好，具有显著的节能优势；可以完成湖泊、水库、水坝等远距离水域的原位预处理或处理的目的。

2、为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

3、一种应用于水体原位除藻的装置，包括两个浮体，两个浮体之间通过连接杆连接，两个浮体底部分别连接重物，两个浮体表面分别固定有太阳能板；连接杆下方固定有驱动电极阳极板和驱动电极阴极板，驱动电极阳极板和驱动电极阴极板平行设置；其中一块浮体内部安装有电机，所述电机电连接其所在浮体上方的太阳能板；所述驱动电极阳极板和驱动电极阴极板分别连接另一块浮体上方的太阳能板的负极和正极；所述电机的输出轴穿过驱动电极阳极板或驱动电极阴极板，输出轴的前端通过钛丝固定有双极性电极板，所述双极性电极板与驱动电极阳极板和驱动电极阴极板垂直放置，且所述双极性电极板上负载有tio2电催化材料。

4、上述方案中，所述驱动电极阳极板、驱动电极阴极板以及双极性电极板均为石墨板。

5、上述方案中，所述驱动电极阳极板和驱动电极阴极板的面积均大于双极性电极板的面积。

6、上述方案中，所述重物的重量使得双极性电极板竖直时一半没入水面，一半暴露于空气中。

7、上述方案中，所述双极性电极板上负载tio2电催化材料的方法如下：

8、(1)将15ml钛酸丁酯加入45ml无水乙醇中，磁力搅拌10min，加入石墨粉5g，配成a溶液；将6ml去离子水和1.2ml硝酸加入45ml无水乙醇中，配成b溶液；将b溶液逐滴加入a溶液中，直至反应体系成为不能流动的凝胶体系，得凝胶；将凝胶置于鼓风干燥机中，在105℃下恒温干燥8h，直到有机溶剂全部挥发，得到灰色粉末，研磨成超细粉末；将粉末置于马弗炉中，在450℃下煅烧两小时，得tio2电催化原料；

9、(2)将tio2电催化原料、na2so4和光敏树脂以质量比8:1:2混合搅拌均匀；均匀涂覆于石墨板上，置于可被阳光照射处自然干燥48-72小时，保证混合物完全粘合于石墨板，；

10、(3)固化后，将石墨板浸入去离子水中浸泡2小时除去na2so4，得到负载有tio2电催化材料的双极性电极板。

11、上述方案中，所述电机使用防水套做防水处理后，固定于浮体内部，电机通过导线与太阳能板连接，电机和导线两端连接处均使用密封胶做防水处理。

12、上述方案中，所述太阳能板四周与浮体上表面接触处用密封胶做防水处理。

13、上述方案中，所述电机的输出轴与驱动电极阳极板或驱动电极阴极板接触处采用热熔胶做绝缘处理。

14、一种应用于水体原位除藻的方法，采用如上所述的装置，包括如下过程：将装置置于水体中，通过调节重物，使得双极性电极板竖直时一半没入水面，一半暴露于空气中；太阳能板为驱动电极阳极板、驱动电极阴极板以及电机提供电力，电机带动双极性电极板翻转，驱动电极阳极板和驱动电极阴极板产生的电场使得中间的双极性电极板产生阴极和阳极，通过电化学催化氧化在双极性电极板上产生·oh，用于灭活藻类。

15、上述方案中，产生·oh的途径包括：

16、(1)在驱动电极阴极板上生成h2o2，h2o2在双极性电极板的阴极上分解成·oh；

17、(2)利用双极性电极板的阴极上的tio2电催化活性，通过三电子氧还原在双极性电极板的阴极上生成·oh；

18、(3)h2o在双极性电极板的阳极上直接氧化生成·oh。

19、通过上述技术方案，本发明提供的一种应用于水体原位除藻的装置及方法具有如下有益效果：

20、(1)本发明在驱动电极阳极板和驱动电极阴极板之间放置双极性电极板，可以利用驱动电极阳极板和驱动电极阴极板之间产生的电场，使得双极性电极板同时具有阴极和阳极，通过电化学催化氧化可以产生·oh灭活藻类，电流效率高，有低能耗的优点，同时因为双极性电极不需要欧姆接触，装置中可以排列多个电极阵列，在结构上对处理条件有很好的适应性。

21、(2)本发明利用电极的旋转改善氧气的扩散和溶液传质，简化了装置结构，同时保持高反应效率。电化学反应过程产生的微弱的电流和氧气，也能够有效刺激微生物的代谢活动，促进生物处理的效率。

22、(3)本发明的双极性电极板在垂直时一半没入水面，一半暴露于空气中，在翻转时由于惯性作用会在电极表面和气相之间形成一层液膜，形成的液膜可以直接连通气相与电极表面提高氧气利用率，液膜中的物质不断的更新可以提高溶液和电极表面的物质传递。

23、(4)本发明除藻效果良好、装置简单、重复使用性和耐久性好、时空限制小且无二次污染，可以用于湖泊、水库、水坝等远距离水域的原位预处理或处理。

技术特征：

1.一种应用于水体原位除藻的装置，其特征在于，包括两个浮体，两个浮体之间通过连接杆连接，两个浮体底部分别连接重物，两个浮体表面分别固定有太阳能板；连接杆下方固定有驱动电极阳极板和驱动电极阴极板，驱动电极阳极板和驱动电极阴极板平行设置；其中一块浮体内部安装有电机，所述电机电连接其所在浮体上方的太阳能板；所述驱动电极阳极板和驱动电极阴极板分别连接另一块浮体上方的太阳能板的负极和正极；所述电机的输出轴穿过驱动电极阳极板或驱动电极阴极板，输出轴的前端通过钛丝固定有双极性电极板，所述双极性电极板与驱动电极阳极板和驱动电极阴极板垂直放置，且所述双极性电极板上负载有tio2电催化材料。

2.根据权利要求1所述的一种应用于水体原位除藻的装置，其特征在于，所述驱动电极阳极板、驱动电极阴极板以及双极性电极板均为石墨板。

3.根据权利要求1所述的一种应用于水体原位除藻的装置，其特征在于，所述驱动电极阳极板和驱动电极阴极板的面积均大于双极性电极板的面积。

4.根据权利要求1所述的一种应用于水体原位除藻的装置，其特征在于，所述重物的重量使得双极性电极板竖直时一半没入水面，一半暴露于空气中。

5.根据权利要求1所述的一种应用于水体原位除藻的装置，其特征在于，所述双极性电极板上负载tio2电催化材料的方法如下：

6.根据权利要求1所述的一种应用于水体原位除藻的装置，其特征在于，所述电机使用防水套做防水处理后，固定于浮体内部，电机通过导线与太阳能板连接，电机和导线两端连接处均使用密封胶做防水处理。

7.根据权利要求1所述的一种应用于水体原位除藻的装置，其特征在于，所述太阳能板四周与浮体上表面接触处用密封胶做防水处理。

8.根据权利要求1所述的一种应用于水体原位除藻的装置，其特征在于，所述电机的输出轴与驱动电极阳极板或驱动电极阴极板接触处采用热熔胶做绝缘处理。

9.一种应用于水体原位除藻的方法，采用如权利要求1-8任一所述的装置，其特征在于，包括如下过程：将装置置于水体中，通过调节重物，使得双极性电极板竖直时一半没入水面，一半暴露于空气中；太阳能板为驱动电极阳极板、驱动电极阴极板以及电机提供电力，电机带动双极性电极板翻转，驱动电极阳极板和驱动电极阴极板产生的电场使得中间的双极性电极板产生阴极和阳极，通过电化学催化氧化在双极性电极板上产生·oh，用于灭活藻类。

10.根据权利要求9所述的一种应用于水体原位除藻的方法，其特征在于，产生·oh的途径包括：

技术总结
本发明公开了一种应用于水体原位除藻的装置及方法，装置包括通过连接杆连接的两个浮体，浮体底部分别连接重物，表面分别固定有太阳能板；连接杆下方固定有驱动电极阳极板和驱动电极阴极板；其中一块浮体内部安装有电机，电机以及驱动电极阳极板和驱动电极阴极板连接太阳能板；电机的输出轴穿过驱动电极阳极板或驱动电极阴极板，输出轴的前端通过钛丝固定有双极性电极板，双极性电极板与驱动电极阳极板和驱动电极阴极板垂直放置，且双极性电极板上负载有TiO<subgt;2</subgt;电催化材料。本发明所公开的装置及方法操作简单、除藻效果良好，无二次污染、重复利用性和耐久性好，具有显著的节能优势；可以完成湖泊、水库、水坝等远距离水域的原位处理。

技术研发人员：高明明,土超帆,付国峰,赖小潇,张煜硕,王新华
受保护的技术使用者：山东大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15