全太阳能光-热-电耦合驱动氧化处理难降解有机废水STEP系统构建与调控

Solar energy is the most optimal green energy source and acrylonitrile wastewater is a great problem in petrochemical industry process. Based on the established STEP (Solar Thermal Electrochemical Production) theory, our project which aims at solar energy utilization and acrylonitrile wastewater treatment uses solar energy as the only energy resource to treat acrylonitrile wastewater by photo-electricity-thermal integrated coupling effect. The main research content is that exploiting the perfect matching principle of energy level, spectrum, potential and efficiency of solar energy photo-electricity-thermal, to study and build a high efficiency solar integrated acrylonitrile wastewater treating STEP theory and system. Finally, a integrated modeling treatment procedure and technology suitable for acrylonitrile wastewater treatment will be built. The whole system energy resource comes from solar energy and the utilization efficiency can be higher than 40%, together with the 90% acrylonitrile removal rate make the system an environmental friendly, economic and promising new method, which is very important for applying solar energy in environment-protecting and solving the increasingly serious water deficiency/pollution problem.

太阳能是一种最理想的绿色能源，难降解有机废水是石油化工生产过程中亟待解决的难题之一。本项目以太阳能利用及难降解有机废水处理为目的，基于我们已经建立的STEP理论过程，全部以太阳能为能源，同时利用光-电-热一体化耦合作用将难降解有机废水（以丙烯腈废水为模型）氧化降解处理。主要研究内容是利用太阳能光电热能级、光谱、电势、效率完美匹配原则，调控构建高效太阳能【一级作用[光]-二级作用[电-热]-三级作用[热（直接热、热解）/电（电场、电化学）/光（光解、光敏、光催化）]】集成耦合难降解有机废水处理的STEP理论和系统，并建立适用于难降解有机废水（以丙烯腈废水为模型）的集成化、模型化STEP处理流程和工艺技术。此系统能量全部来自太阳能，丙烯腈氧化脱除率达90%，系统太阳能利用总效率高于40%，是一种绿色、经济，有工业化前景的新方法，对拓展太阳能利用及解决日益严重的水资源缺乏和水污染问题意义深远。

项目前期研究了高效集成耦合型太阳能光-电/热-电化学耦合，光-热-电化学耦合难降解有机废水处理STEP系统的基本原理和理论研究。以废水中丙烯腈形态研究为例，分析了热-电耦合系统氧化降解丙烯腈废水的热力学和动力学，建立了高效集成耦合型太阳能热-电化学-丙烯腈废水处理系统。实验结果表明太阳能STEP化学过程热-电耦合模式降解丙烯腈废水，由于电和热化学的相互作用，大幅度降低了电化学氧化电位。通过动力学分析，太阳能STEP化学过程热-电耦合过程处理丙烯腈为一级动力学反应，75 ℃的动力学常数为25 ℃下的3倍。在低温电化学条件下，丙烯腈氧化过程中生成的中间体较多，反应步骤较复杂，整个过程效率相对较低，所需时间长；而在高温电化学条件下，丙烯腈含能分子可经过乙腈两步直接氧化成二氧化碳和水，通过太阳能STEP化学过程光-热和光-电效应协同作用改变了降解丙烯腈废水的反应历程。项目后期对太阳能STEP热-电化学耦合处理难降解有机污水、太阳能STEP热-电化学耦合过程拓展应用—STEP有机物合成过程拓展，结果表明，STEP模式适用于甲苯高效氧化合成苯甲酸。利用太阳红外产生的热能加热反应，极大地提高了甲苯氧化反应的电流密度及目标产物的选择性，副产物的形成被抑制。太阳能光伏电池产生的电场电压为3V时，苯甲酸的产率在30℃，60℃，90℃时分别达到3.9%，12.4%，32.0%；苯甲酸的选择性分别达到84.97%，91.79%，96.85%。项目最后对太阳能STEP光-热-电三场耦合作用有机废水降解过程研究和难降解有机污水处理STEP过程模型化和集成化工艺流程研究。项目期间共计发表SCI收录论文23篇，其中一区期刊9篇，发明专利9项。共培养了3位博士后，10位博士研究生，14位硕士生。