本发明涉及废水电解制氢装置、废水处理及制氢系统以及电极材料、用于水电解制氢装置的阴极及其制备方法。
背景技术：
1、含盐废水的脱盐处理方法主要包括生物法、电化学反应(电解)法、膜处理法，离子交换法、蒸发结晶法。生物法是通过微生物的代谢作用对废水中的盐分和有机物进行氧化、分解、吸附从而去除污染物。电解法是通过电解来去除水中盐分。膜处理法则利用膜对废水中各组分的选择透过性能差异来分离、提纯和浓缩目标物质。离子交换法是通过含盐废水中的阴阳离子与离子交换树脂所固定的阴阳离子发生交换反应，从而达到脱除原水中盐类的方法。蒸发结晶法是利用蒸发原理，将水分蒸发，提高废水盐浓度从而使盐分析出的方法。
2、上述脱盐处理方法中，电解法对含盐废水适应性强，除盐效率较高，但是电解法需要使用大量的电解槽和相关设备，这些设备的成本较高，此外，电极的更换也会进一步提升使用成本，因此，电解法存在运行费用较高，占地面积较大的问题。相反，膜处理法相对而言占地面积小，但是膜处理法通常对进水水质要求较高(主要为防止膜过快污染导致膜通量下降快)。若要将电解法与膜处理法结合，往往是将电解系统设置在膜处理系统之前，从而利用膜处理法系统对电解系统系统处理的后的废水进行进一步的深度处理。
3、另一方面，目前可用于上述电解法的电化学反应器主要有电催化氧化(electro-catalytic oxidation，eco)反应器和电絮凝(electro-coagulation,ec)反应器。它们的基本结构是类似的，即都包含电解装置和直流电源，电解装置的阳极和阴极分别与直流电源的正负极相连。两者主要区别为电极材料的差异。
4、电催化氧化(electro-catalytic oxidation，eo)是利用阳极(通常采用钛基金属氧化物涂层电极)的氧化作用，和/或利用电场作用产生自由基，促使污染物氧化分解，由此实现废水处理。可细分为直接氧化法和间接氧化法。直接氧化法是将阳极表面污染物直接氧化达到去除污染的目的。间接氧化法是通过电场对分水子进行分解使之产生羟基自由基等氧化剂，氧化与废水中的污染物进行反应以去除污染。
5、电絮凝(electro-coagulation,ec)是通过将阳极(通常采用铝电极或铁电极)中的金属离子溶于废水中，经水解反应生成金属氢氧化物，金属氢氧化物作为絮凝剂对废水中的悬浮物及胶体起凝聚作用，从而实现去除污染的目的。同时，阴极的氢离子得到电子后被还原为氢气，以微细气泡方式溢出，通过气浮作用使废水中的絮状物及油类物质浮至水面。
6、目前，电催化氧化技术和电絮凝技术功能都较为单一，未实现对氢气的回收利用，若要对氢气进行回收，则往往需要在阳极与阴极之间设置隔膜，隔膜的主要作用是避免两极气体产物混合，而隔膜的设置会导致电解装置结构复杂、成本增高以及使用的稳定性和易维护性下降。如果不在阳极与阴极之间设置隔膜，两极气体产物混合，为回收氢气旧需要对混合气体进行分离，从而增加了氢气回收利用的难度。
7、目前，隔膜材料是独立制造和使用的。理想的隔膜材料应具备以下特点：第一，良好的离子导率、高孔隙率、低电阻率；第二，高隔气性、高亲水性、高抗腐蚀性；第三，厚度薄、孔径小、机械强度高、尺寸稳定性好；第四，成本低、使用长。目前常见的隔膜为聚合物隔膜、陶瓷隔膜等。
技术实现思路
1、本发明目的在于提供一种废水电解制氢装置，以避免在应用电解法对含盐废水进行脱盐处理及制氢时在电化学反应器中设置独立的隔膜。
2、本发明目的还在于提供可用于上述废水电解制氢装置的电极材料、用于水电解制氢装置的阴极及其制备方法。
3、本发明的目的还在于提供废水处理及制氢系统，有助于改善电解法存在的运行费用较高，占地面积较大的问题。
4、第一个方面，提供了一种废水电解制氢装置，包括：壳体；阳极，安装在所述壳体内并用于通过阳极电化学反应对废水进行氧化处理；阴极，安装在所述壳体内并用于通过阴极电化学反应产生氢气；所述阴极为具有壳层和空心层的中空结构，所述中空结构具有开口；所述壳层包含制造为一体且由内向外布置的阴极层和隔膜层；所述阴极层为密布孔隙的多孔体，该多孔体用于连接电源；所述隔膜层由贴附在所述阴极层外表面上的隔膜材料制成形成隔膜；所述空心层提供氢气输出通道，所述开口用于输出氢气；所述壳体上设有排气结构，所述开口通过所述排气结构输出氢气。
5、第二个方面，提供了一种电极材料，所述电极材料用于制作水电解制氢装置的阴极；所述阴极具有壳层和空心层的中空结构，所述中空结构具有开口，所述空心层提供氢气输出通道，所述开口用于输出氢气；其包括制造为一体的复合层结构，按照所述阴极的内外方向该复合层结构具有由内向外布置的阴极层和隔膜层；所述阴极层为密布孔隙的多孔体，该多孔体用于连接电源；所述隔膜层由贴附在所述阴极层外表面上的隔膜材料制成。
6、第三个方面，提供了一种用于水电解制氢装置的阴极，其为具有壳层和空心层的中空结构，所述中空结构具有开口；所述壳层包含制造为一体且由内向外布置的阴极层和隔膜层；所述阴极层为密布孔隙的多孔体，该多孔体用于连接电源；所述隔膜层由贴附在所述阴极层外表面上的隔膜材料制成进而形成隔膜；所述空心层提供氢气输出通道，所述开口用于输出氢气。
7、第四个方面，提供了一种用于水电解制氢装置的阴极的制造方法，包括：获得第一粉末，将第一粉末装入压制成型模具中压制成型为中空状坯件；将所述中空状坯件放入加热炉中进行第一烧结得到烧结金属多孔材料，所述烧结金属多孔材料上密布三维连通孔；在烧结金属多孔材料的外表面上涂覆第二粉末，然后将涂覆由第二粉末的烧结金属多孔材料放入加热炉中进行第二烧结使所述第二粉末形成隔膜层，所述隔膜层使用时作为隔膜。
8、上述废水电解制氢装置、电极材料、用于水电解制氢装置的阴极的共同特点是：阴极为具有壳层和空心层的中空结构，中空结构具有开口，壳层包含制造为一体且由内向外布置的阴极层和隔膜层，阴极层为密布孔隙的多孔体，该多孔体用于连接电源，隔膜层由贴附在阴极层外表面上的隔膜材料制成形成隔膜，空心层提供氢气输出通道，开口用于输出氢气。由此，实现了隔膜与阴极一体化。对于电解制氢而言，可实现氢气的单独回收并有助于简化装置结构。
9、第五个方面，提供了一种废水处理及制氢系统，包括：废水膜过滤浓缩装置，所述废水膜过滤浓缩装置用于对废水进行膜过滤浓缩处理从而分别得到清水和浓水；第一水电解制氢装置，所述第一水电解制氢装置为废水电解制氢装置，所述废水电解制氢装置用于对所述浓水进行净化处理及电解制氢；其中，所述废水电解制氢装置包含壳体、阳极、阴极和排气结构，所述阳极安装在所述壳体内并用于通过阳极电化学反应对废水进行氧化处理，所述阴极安装在所述壳体内并用于通过阴极电化学反应产生氢气，所述排气结构安装在所述壳体上并用于将所述阴极产生的氢气输出所述壳体。
10、其中，可选的，所述阴极为具有壳层和空心层的中空结构，所述中空结构具有开口；所述壳层包含制造为一体且由内向外布置的阴极层和隔膜层；所述阴极层为密布孔隙的多孔体，该多孔体用于连接电源；所述隔膜层由贴附在所述阴极层外表面上的隔膜材料制成进而形成位于所述阴极层与所述阳极之间的隔膜；所述空心层提供氢气输出通道，所述开口通过所述排气结构输出氢气。
11、其中，可选的，所述排气结构包含设置在所述壳体上的气液分离器，所述气液分离器具有气液分离腔，所述气液分离腔与所述开口连通；所述气液分离腔与所述壳体通过所述开口构成联通器，所述气液分离腔连接回流管路系统，所述回流管路系统用于将所述气液分离腔中的液体返回所述壳体中。
12、上述废水处理及制氢系统首先通过废水膜过滤浓缩装置对废水进行膜过滤浓缩处理从而分别得到清水和浓水，然后再通过废水电解制氢装置对所述浓水进行净化处理及电解制氢，由于浓水的处理量大大减小，因此，可降低废水电解制氢装置的运行费用和占地面积。由于废水电解制氢装置对含盐废水适应性强，可确保对所述浓水的除盐效率。上述废水处理及制氢系统特别适用于处于低盐废水。
13、下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。本发明的附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过实践了解到。
1.废水电解制氢装置，包括：
2.如权利要求1所述的废水电解制氢装置，其特征在于：
3.如权利要求2所述的废水电解制氢装置，其特征在于：
4.如权利要求1所述的废水电解制氢装置，其特征在于：
5.如权利要求1所述的废水电解制氢装置，其特征在于：
6.如权利要求5所述的废水电解制氢装置，其特征在于：
7.如权利要求1所述的废水电解制氢装置，其特征在于：
8.如权利要求7所述的废水电解制氢装置，其特征在于：
9.如权利要求1所述的废水电解制氢装置，其特征在于：
10.如权利要求1所述的废水电解制氢装置，其特征在于：
