光电催化水处理技术(new)

多孔碳电极
C.D. Liang, et al. Angew. Chem. Int. Edit. 47 (2008) 3696. L.X. Li, et al. Carbon 47 (2009) 775.
活性碳纤维电极
M. Wang, et al. New J. Chem. 34 (2010) 1843.
新型脱盐技术
低成本、高效率、无污染、长寿命 电容去离子CDI技术
优点
操作简单
再生过程无需化学药品
投入少
水利用率高
无或低结垢
ED
RO：3-5 kWh/m3
V CDI
+
-
电容去离子原理
利用材料表面双电层进行电容吸附去除水中电性物质
Power
Ca CO3 Mg CO3 Na Cl
H2O
去除元素
早期研究历史
传统的水处理技术
去除固态微粒：沉淀、膜过滤、吸附等；
去除有机物：絮凝沉淀、过滤吸附、紫外杀
菌、暴气氧化、微生物分解等；
脱盐（去除阴阳离子）：
闪蒸、离子交换、反渗透、电渗析等。
电渗析
闪蒸
离子交换
反渗透
传统的脱盐技术
反渗透: 压力消耗高，水利用率低，常清洗
渗透
反渗透
渗透：稀溶液的溶剂自然的穿过半透膜向浓溶液侧流动，浓溶液侧的液面会比稀溶液 的液面高出一定高度，形成一个压力差，达到渗透平衡状态，此种压力差即为渗透压。 反渗透：若在浓溶液侧施加一个大于渗透压的压力时，浓溶液中的溶剂会向稀溶液流 动，此种溶剂的流动方向与原来渗透的方向相反，这一过程称为反渗透。
传统的脱盐技术
电渗析: 费能，电解水，成本高 利用离子交换膜的选择透过性。阳离子
交换膜只允许阳离子通过，阻档阴离子通 过，阴离子交换膜只允许阴离子通过，在 外加直流电场的作用下，水中离子作定向 迁移，从而达到盐水淡化的目的。
传统的脱盐技术
离子交换: 二次污染，成本高
离子交换树脂是一类具有离子交换
CDI处理前后的溶液对比
MCDI水处理机的研制
光/电/等离子体催化基本概况
特点
节能环保；无二次污染;多功能;
主要应用领域
污染治理：有机污染物降解、重金属离子沉积还原 自保洁：抗菌与杀菌、表面去污化 光化学反应：光解水(生物质、污染物)制氢
CO2转化(光合反应及CO2还原) 有机合成(选择性氧化、C-C和C-H活化)
超纯水制备装置
硬水软化装置
光电净化实际污水效果案例
高浓染料污水
高磷染料污水
养猪场污水
焦化污水
特色
新型纳 米材料
去除水 中离子
节能环保低成 本水处理技术
自主知识 产权工艺
降解水中 有机物
应用领域
高纯水（半导体、生物医药） 直饮水、硬水软化 各类废水处理（工、农、渔、市政等） 海水淡化及综合利用 核电厂废水处理 江河湖泊水质净化
目前国际研究概况
Philip Voltea B.V T U Delft Wageningen U
ENPAR Inc
KAIST Kongju National Uni.
GE Sabrex CDT Biosource. Inc Siemቤተ መጻሕፍቲ ባይዱns LLNL U Wisconsin–Madison Georgia Inst Technol
Fishing Agriculture
Industry
living
碳纳米管-碳纳米纤维复合电极
石墨稀电极
2010年诺贝尔物理学奖：英国曼彻斯特大学安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫。
电极材料比较
活性碳、多孔碳 碳气凝胶
高分子粘结剂 高昂的成本 石墨稀材料
碳纳米管
极高的电阻 难于推广 新材料，有待于研究
离子交换膜MCDI技术
CDI器件的研制
MCDI器件的研制
功能的高分子材料。在溶液中它能将
本身的离子与溶液中的同号离子进行
交换。
阳离子交换树脂大都含有磺酸基 （—SO3H）、羧基（—COOH）或苯酚 基（—C6H4OH）等酸性基团，其中的 氢离子能与溶液中的金属离子或其他
阳离子进行交换。
阴离子交换树脂含有季胺基[-N （CH3）3OH]、胺基（—NH2）或亚胺 基（—NR′H）等碱性基团。它们在 水中能生成OH-离子，可与各种阴离
纳光电材料的工程化应用
高效率的节能环保水处理技术
– 光电催化电容去有机物模块（PEC）
太阳能驱动的全天候水处理系统 光电催化系统分解有机物
养猪场污水净化
nanocrystal Capacitor
LED
s
节能环保的新一代水处理技术
河道污水净化
纳光电材料的工程化应用
实际工业废水处理(现场)
超纯水制备装置
(3)
基本原理
Photocatalyst h photocatalyst (h ) e
光催化、电催化、等离子体催化
e
O2
O
2
e O2 2H H2O2
H2O2 O2 OH OH O2
photocatalyst(h ) H2O H OH
可见光光催化技术
可见光降解，六价铬、染料10 mg/l 降解率> 95%
LEDs灯在光催化中的应用
传统光催化材料 新型光催化材料 传统光催化材料 新型光催化材料
电催化技术
电催化降解染料5000 mg/l 降解率> 99%
电催化降解染料10000 mg/l 降 解率>98%
等离子体催化技术
等离子体降解染料200 mg/l 降解率> 90%
等离子体降解染料400 mg/l 降解率 80%
Luxon Energy Devices Corpor.
Zuckerberg Institute Ben-Gurion U Negev
East China Normal U Tsinghua U
CDT Systems, Inc.
CSIRO U West Aus. U South Aus
企业 科研单位
1960s:美国启动电容去离子研究，俄克拉何马大学的研究人员使 用多孔活性碳电极处理盐水，但当时大多数研究都停留在电吸附、 电解吸附的理论基础方面。 1980s: 以色列和日本先后开始研究电容去离子技术，但没有很好 的突破。 CDI的第一次革新是在90年代采用碳气凝胶作为电极材料，由美 国劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）投资4000万美元进行研发 随后FarWest Group (2001年8月之后更名为CDT Systems, Inc.)于 1997年获得碳气凝胶的CDI技术授权，投资700万美元进行商业化 运作，目的是降低成本，提高系统整体效率
电极材料选择
• 高的比表面积; • 良好的导电性； • 高比电容； • 良好的化学惰性
碳气凝胶 多孔碳/活性碳 碳纳米管
石墨稀
碳气凝胶电极
J.C. Farmer, et al. J. Electrochem. Soc. 143 (1996) 159; Energ. Fuel. 11 (1997) 337. C.J. Gabelich, et al. Environ. Sci. Technol. 36 (2002) 3010.
子起交换作用。
传统的脱盐技术
闪蒸: 消耗大量的能量且能量利用率低
原料液 加热器 减压阀 Q
yA
闪 蒸 罐 xA
盐水加热到一定温度后引 入闪蒸室，由于闪蒸室中的压 力控制在低于热盐水温度所对 应的饱和蒸汽压的条件下，故 热盐水进入闪蒸室后即成为过 热水而急速地部分气化，从而 使热盐水自身的温度降低，所 产生的蒸汽冷凝后即为所需的 淡水。
等离子体微气泡净化技术
增大与水的接触面积 增加在水中的停留时间 极大地提高有机物的氧化效率
光电催化净化器件
国际领先的新一代水处理技术
纳光电材料的工程化应用
– 纳米碳基电容去离子模块(CDI)
发表SCI论文30余篇
高效率的节能环保水处理技术
CDI prototype
CDI处理前后的溶液对 比
国际领先的新一代水处理技术