一种黑臭水体原位增氧修复的电解增氧系统及方法

本发明涉及水污染控制，具体是一种黑臭水体原位增氧修复的电解增氧系统及方法。

背景技术：

1、黑臭水体通常具有溶解氧浓度低、氧化还原电位偏低、硫化氢等还原性臭味物质释放、水体透明度下降和生态功能退化的特性，提高水体溶解氧浓度、恢复好氧微生物和水体氧化环境，是原位修复黑臭水体的重要途径。

2、传统曝气产生的毫米级气泡上升速度快，气液接触时间短，大量氧气尚未充分溶解即逸散至空气中，导致单位增氧能耗较高。目前工程中常用的增氧方式包括鼓风曝气、机械曝气、微孔曝气和纯氧曝气，上述方法虽然能够提高水体溶解氧，但通常存在气泡粒径大以及氧利用率低的问题。

3、此外，虽然电化学原位制氧技术可以直接在水体中通过阳极析氧反应产生氧气，理论上具有无需外接氧气源，然而，天然黑臭水体的电导率通常远低于工业电解液。在低电导率条件下，水体自身离子传导能力弱，电解过程容易产生较大的欧姆压降，导致槽电压升高、能耗增加和电流效率下降，从而限制了电化学增氧技术的实际应用。

4、另一方面，将固态电解质膜引入低电导率黑臭水体电解增氧体系，可在阳极和阴极之间构建连续离子传导路径，降低体系对外部水体电导率的依赖。但由于天然黑臭水体含有悬浮物、有机胶体、微生物、硫化物以及可能存在的氯离子，直接应用现有的膜电极结构仍面临膜污染、电极堵塞、析氧过电位高、气泡传质效率低和副产氢气安全管理的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种黑臭水体原位增氧修复的电解增氧系统及方法，通过采用固态电解质膜构建从阳极到阴极的离子传导通道，有效克服了天然黑臭水体低电导率导致的欧姆极化问题，能够减小欧姆压降，降低能耗并提升电流效率，实现不依赖外接电源、不添加化学药剂的原位增氧过程，从而减小气泡粒径、提升氧利用率和气泡传质效率，降低膜污染风险、避免电极堵塞。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、第一方面，本发明提供了一种黑臭水体原位增氧修复的电解增氧系统，包括浸没式电解单元和氢能转换模块，所述浸没式电解单元包括稳压直流电源和一侧开口的封装外壳；封装外壳以所述开口向内延伸的方向依次安装有阳极保护罩、开放式阳极、固态电解质膜和阴极，阳极保护罩用于过滤黑臭水体得到滤过水体，开放式阳极的表面形成有具有针状微纳突刺的析氧催化层，所述针状微纳突刺的尖端设置有析氧单原子催化位点，当所述开放式阳极与所述滤过水体直接接触时，产生微纳米级氧气泡进入水体；阴极和封装外壳的内壁形成阴极室，阴极室的底端开设有阴极进水口，阴极室的顶端贯穿连通有氢气排出管，氢气排出管位于阴极室的一端口处连接有防水透气膜；稳压直流电源包括正极端和负极端，正极端和负极端分别通过导线电连接开放式阳极的顶端和阴极的顶端；所述氢能转换模块的阳极进气口通过管道连通氢气排出管的顶端，氢能转换模块收集氢气用于发电。

4、作为本发明进一步的方案：固态电解质膜用于在开放式阳极和阴极之间构建连续的离子传导通道，使开放式阳极析氧产生的氢离子迁移至阴极。

5、作为本发明进一步的方案：所述针状微纳突刺的高度为100 nm-100 μm，针状微纳突刺的曲率半径为10-200 nm，针状微纳突刺的阵列密度为1×106-1×1010个/cm2。

6、作为本发明进一步的方案：阴极进水口的开口处安装有滤网，开放式阳极为多孔导电材料，开放式阳极的表面形成有多个供水体进入、氧气逸出和氢离子向固态电解质膜迁移的贯通孔道。

7、作为本发明进一步的方案：阳极保护罩包括外层保护罩、内层滤网和加厚部件，加厚部件的一侧贯穿开设有进水室，外层保护罩包括容纳腔以及与容纳腔一体成型的侧翼，侧翼、内层滤网和进水室均贯穿开设有限位螺丝孔，阳极保护罩通过限位螺丝孔和封装外壳连接。

8、作为本发明进一步的方案：侧翼、内层滤网和加厚部件上开设的限位螺丝孔螺纹连接螺钉，拧紧螺钉后，加厚部件和外层保护罩将内层滤网夹紧。

9、作为本发明进一步的方案：外层保护罩为粗保护罩，粗孔保护罩的孔径约2mm-10mm，用于拦截颗粒悬浮物、藻团、漂浮物和底泥团块。

10、作为本发明进一步的方案：内层滤网用于进一步阻挡细小颗粒、絮体和生物膜碎片，内层滤网的孔径约0.2mm-1mm，加厚部件为方形短管，通过设置加厚部件保证水体能够持续进入开放式阳极的反应区域，并避免所产生氧气泡在开放式阳极的表面大量堆积，外层保护罩和内层滤网采用具有耐腐蚀性和机械强度的材质制备，材质包括不锈钢、钛网、多孔金属材料和耐腐蚀的高分子材料，加厚部件可以由亚克力板等高分子材料组成。

11、作为本发明进一步的方案：所述阳极保护罩为多孔保护罩、格栅、防缠绕网或抗生物污染保护层，用于阻挡大颗粒悬浮物、漂浮物、底泥颗粒以及阻挡生物膜直接覆盖析氧催化层。

12、作为本发明进一步的方案：所述防水透气膜为疏水微孔膜或膨体聚四氟乙烯膜，用于透过氢气并阻隔水汽；所述滤网为多孔陶瓷、亲水微孔膜或防堵塞透水层，用于维持阴极侧含水状态并限制悬浮颗粒进入阴极室。

13、作为本发明进一步的方案：所述氢能转换模块为质子交换膜燃料电池或碱性燃料电池，设置于水面浮体、岸基设备箱或防水通风设备舱内，燃料电池阳极与封装外壳的氢气排出管连通，燃料电池阴极与外界空气连通。

14、作为本发明进一步的方案：所述电解增氧系统还包括光伏发电模块，光伏发电模块得到输出端电连接稳压直流电源的输入端，用于对所述稳压直流电源提供电能。

15、作为本发明进一步的方案：所述电解增氧系统还包括电源管理模块，电源管理模块的第一i/o接口连接光伏发电模块的输出端，电源管理模块的第二i/o接口连接氢能转换模块的输出端，电源管理模块的输出端连接稳压直流电源的输入端。

16、作为本发明进一步的方案：电源管理模块用于协调光伏发电模块和阴极副产氢气回收电能对浸没式电解单元的供电，协调的具体步骤为：在晴天或阴天光伏发电量较高，且光伏发电模块和氢能转换模块产生的电能超过电解单元运行需求时，基于电源管理模块将过剩电能输入储能系统进行储存；在雨天、夜间或光伏发电不足以维持电解单元稳定运行时，基于电源管理模块调用储能系统中的电能，为电解单元提供补充供电，以保证电解增氧系统的连续运行。

17、作为本发明进一步的方案：所述析氧单原子催化位点（62）的材质为活性金属，活性金属为铱（ir）、钌（ru）、钴（co）、镍（ni）、铁（fe）、锰（mn）中的至少一种，所述析氧单原子催化位点为单原子活性位点。

18、作为本发明进一步的方案：析氧单原子催化位点的负载密度为0.1-5 at%，单原子活性位点通过金属-载体相互作用、缺陷位点锚定、杂原子配位或氧空位锚定方式固定于针状微纳突刺表面。

19、作为本发明进一步的方案：所述固态电解质膜为全氟磺酸型质子交换膜、磺化聚醚醚酮膜、聚苯并咪唑膜、复合质子交换膜、基于金属有机框架材料的固态质子导体膜、具有阻氧层、质子传导层和阻氢层的复合膜中的任意一种。

20、作为本发明进一步的方案：所述开放式阳极在电解过程中产生的氧气气泡的粒径为50 nm-50μm，所述氧气气泡在水体中的停留时间为毫米级气泡的10-100倍。

21、作为本发明进一步的方案：开放式阳极、固态电解质膜和阴极依次贴合或压紧形成膜电极组件，且膜电极组件通过密封件与封装外壳连接，以防止阳极产氧区和阴极产氢区形成连通气腔。

22、作为本发明进一步的方案：密封件包括热熔胶，通过采用密封件与封装外壳连接，能够防止开放式阳极的产氧区和阴极的产氢区形成连通气腔。

23、第二方面，本发明提供了一种黑臭水体原位增氧修复的电解增氧方法，采用如上述方案所述的系统，包括如下步骤：

24、s1：将开放式阳极置于待处理黑臭水体中；

25、s2：基于氢能转换模块和/或所述光伏发电模块向所述稳压直流电源供电，使所述开放式阳极发生水氧化析氧反应并将氧气以微纳米气泡形式释放至黑臭水体中；

26、s3：驱动开放式阳极产生的氢离子经固态电解质膜迁移至阴极，在阴极发生析氢反应生成氢气；

27、s4：基于封装外壳导出氢气，并将氢气用于所述氢能转换模块发电；所述浸没式电解单元在电导率为100μs/cm-2000μs/cm的黑臭水体中运行，运行过程中无需向水体额外投加支持电解质。

28、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

29、1、本发明通过采用固态电解质膜构建从阳极到阴极的离子传导通道，有效克服了天然黑臭水体低电导率导致的欧姆极化问题，能够减小欧姆压降，降低能耗并提升电流效率，实现不依赖外接电源、不添加化学药剂的原位增氧过程，从而减小气泡粒径、提升氧利用率和气泡传质效率，降低膜污染风险、避免电极堵塞。

30、2、本发明通过设置具有针状微纳突刺的析氧催化层，能够通过尖端上的析氧单原子催化位点使析氧反应过电位显著降低，同时针尖局部电场增强效应促进了oh-在尖端的富集放电，单原子活性位点有利于提升催化效率，促进了氧气在尖端成核与快速脱附。

31、3、本发明通过针状突刺生成大量微纳米级氧气泡，微纳米氧泡在水体中停留时间长、比表面积大，能够有效提高氧传质效率，同时快速提升水体溶解氧，促进好氧微生物恢复，抑制厌氧产臭。

32、4、本发明通过将阴极产生的氢气回收发电并回补系统，能够有效降低系统的净能耗，同时配合光伏发电模块，可实现近自供能运行，适用于无电网覆盖的偏远河道、农村坑塘的场景。

33、5、本发明无需向水体添加任何化学药剂，不产生二次污染，具有绿色、安全的水体修复应用前景。