湿式催化氧化/光催化深度处理载人航天器冷凝水的研究

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载人航天器中,水是最大的生保消费品,而航天器中储水系统体积有限,若通过天地间往返运输补给,成本是难以接受的。对航天器中的冷凝水进行深度处理与回用,是解决航天员饮用水供给的重要途径。本文提出了湿式催化氧化光催化组合工艺深度处理冷凝水的技术方案。湿式催化单元采用无泡膜供氧催化氧化反应器,以Pt/AC为催化剂,氧气作为氧化剂以无泡的形式透过微孔膜进入催化反应区,参与催化反应,催化降解冷凝水中的有机污染物。反应器运行过程中无气泡产生,因此避免了微重力下的气液分离问题。采用乙二醇还原法制备Pt/AC催化剂;通过对几种试验膜供氧性能及影响因素的分析,最终采用聚四氟乙烯板式膜(0.45μm)作为反应器的供氧膜材料,工作压力低于泡点压力。以NH4F+甘油+水体系为电解液,采用阳极氧化法在钛表面制备了具有管状表面结构的TiO2纳米管,作为光催化单元的光催化剂。考察了制备电压、电流密度、电解液组成及退火温度对催化剂表面形貌及催化性能的影响。结果表明:电解液中H2O的含量对TiO2的表面形貌影响较大,水含量较低时,纳米管结构完整,排列整齐;在1wt%NH4F+67%甘油+33%水电解液体系中,电压1040V范围内,可形成规则纳米管结构;退火温度主要影响TiO2纳米管的晶型。光催化降解罗丹明B,反应符合一级动力学,1wt%NH4F+67%甘油+33%水电解液体系(120min,30V,100mA cm-2)中制备500℃热处理2h的TiO2纳米管光催化活性最高,在11W低压汞灯照射下,罗丹明B(5mg/L)反应速率常数为0.0132min-1。以AgNO3为原料对TiO2进行光化学载银,当AgNO3浓度1g/L时,Ag-TiO2催化降解罗丹明B速率常数0.0141min-1。建立了湿式催化氧化光催化组合工艺冷凝水处理体系,该系统日处理水量7.5L,进水流量约5mLmin-1,催化氧化单元供氧压力2kPa,水停留时间8.3min,光催化单元水停留时间100min,废水中有机污染物的去除率近100%,光催化单元同时具有消毒作用。
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