[發明專利]光電化學反應池及其處理硫化氫廢氣和廢水的方法

有效

• 申請號: 201810432057.7
• 申請日: 2018-05-08
• 公開（公告）號: CN108529714B
• 公開（公告）日: 2021-02-26
• 發明（設計）人: 李文衛;李杰;俞漢青;柳后起;張鋒
• 申請（專利權）人: 中國科學技術大學蘇州研究院
• 主分類號: C02F1/30
• 分類號: C02F1/30;C02F1/461;C02F1/72;B01D53/32;B01D53/52;B01D53/86;C25B1/01;C25B9/19;C25B1/55;C25B9/50;C25B11/052;C25B11/077;C25B11/087;H01M8/02
• 代理公司: 蘇州創元專利商標事務所有限公司 32103
• 代理人: 范晴

本發明涉及一種利用太陽光作為驅動力的同步硫化氫廢氣處理和廢水高級氧化處理并實現硫資源化回收的方法及裝置。所采用的光電催化反應器包括陽極室、光陽極、陰極室、陰極、外電路和分隔陽極室與陰極室的離子交換膜。本發明通過在陽極室和陰極室內加入氧化還原活性物質(如碘離子、鐵離子)，利用光催化陽極產生的空穴間接氧化硫離子生成高純度、可回收的單質硫顆粒；同時利用在陰極還原生成的具有催化活性的離子(如亞鐵離子)來活化過一硫酸鹽生成自由基，從而實現廢水中污染物的高效去除。本發明能夠使用太陽光為唯一能源，同步去除并回收廢氣中的硫離子和降解廢水中的有機污染物，適用于厭氧消化廢氣、含硫廢水/廢氣處理以及水環境修復。

技術領域

本發明涉及廢水、廢氣處理和硫資源回收技術領域，更具體地說，是涉及一種可以同步從硫化氫廢氣中回收硫資源和廢水高級電化學氧化處理的光電催化工藝及裝置。

背景技術

硫化氫是廢水生物處理過程中一種常見的污染物，其具有惡臭、劇毒和高腐蝕性等特點。特別是在厭氧消化或處理高含硫廢水的時候，硫化氫的濃度可以達到較高水平，如不能有效去除往往會引起環境污染、設備腐蝕、管道堵塞等問題，造成設備故障并危害人體健康。另一方面，硫又是一種重要的工業原料，被廣泛應用于肥料、藥品、殺蟲劑生產等化工領域。目前，硫的來源主要是礦石和原油，因此必須尋找可持續供應的硫資源。在這方面，從含硫工業廢氣和廢水中回收的硫單質可作為一種理想的替代硫資源。因此，從廢水/廢氣中回收硫資源不僅能解決環境污染問題，而且能為我們提供一條綠色、經濟、可持續回收硫的途徑。

目前從含硫化氫廢氣中回收單質硫最常采用的方法是克勞斯法。該方法雖然回收效率高，但存在能耗高、設備成本高等缺點，并且不適用于處理廢水生物處理過程產生的中、低濃度硫化氫。與之相比，電化學硫回收技術對廢水/廢氣中產生的硫化氫具有更好的轉化能力。該技術主要是利用陽極室內具有氧化還原活性的可溶性物質將硫離子氧化生成單質硫，在此過程中該活性物質由氧化態變為還原態；進而還原態的活性物質在陽極被氧化變回到氧化態，因此可以繼續氧化硫離子，使整個反應得以不斷進行。該技術仍然需要消耗較高電能，并且存在各種電化學副反應影響能量效率和產品品質。近年來，光催化硫化收技術開始引起廣泛關注。太陽能作為一種清潔、取之不盡的能源，將其引入電化學反應池能有效減輕現有工藝中能耗的限制。并且，通過光電化學反應裂解硫化氫可同時生成單質硫和氫氣，從而同時回收硫資源和能源。然而，這種光電化學技術仍存在以下不足：(1)需要用高濃度的硫酸作為電解質；(2)陰極產生的氫氣總量太少，難以收集和利用；(3)氫氣易燃易爆，且與硫化氫混合后不僅純度降低而且具有較高的危險性。

對于廢水/廢氣處理，廢水/廢氣中往往含有大量有機物需要去除。尤其是傳統生物處理法很難去除的各類難降解有機污染物，如藥物，鹵代芳香族化合物，阻燃劑等，進入環境中會對生態系統和人體健康造成極大危害。高級氧化法被廣泛用于這類污染物的去除，具有很高的去除效率，但傳統高級氧化法普遍存在能耗和運行成本高、產生大量鐵泥和二次污染等問題。高級電化學氧化技術(如電芬頓技術)能在一定程度上減輕以上限制，但仍需要持續消耗電能和鐵源。

為解決上述技術問題，本發明由此而來。

發明內容

本發明的目的在于針對光電化學硫回收技術和高級電化學氧化降解污染物技術中存在的問題，提供一種綠色環保、可持續的處理新工藝，利用太陽光驅動同步實現硫回收和污染物高效降解。

本發明采用的技術方案是：一種光電化學反應池，反應池包括具有進出口的陽極室、位于陽極室內的光催化陽極，具有進出口的陰極室、位于陰極室內的陰極，設置在所述陽極室與陰極室之間的離子交換膜，其特征在于：所述光催化陽極采用具有光響應的電極材料，在光照下能夠生成光生空穴-電子對；陽極室內的電解液為具有氧化還原活性的物質，其中還原態離子在光陽極表面被氧化生成氧化態離子，陰極室內的電解液也采用具有氧化還原活性的物質，氧化態離子在陰極表面被還原生成還原態離子。

進一步地，光催化陽極的電極材料選自碳紙負載的TiO₂電極。