空間站源分離尿液的回收處理方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種空間站源分離尿液的回收處理方法，屬于環(huán)保技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]在長期載人飛行的空間站中，航天員需要的消耗性物質(zhì)和產(chǎn)生的廢物，如果完全依靠地面和空間站之間往返飛行支持，則需要投入大量的資金以維持飛行運輸，因此需要再生式的環(huán)控生保系統(tǒng)的支持，而水的閉路循環(huán)則是其中最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。在正常情況下，一名航天員每天的用水量包括1.8kg食物中所含水分0.5kg、復水0.7kg以及0.83kg氧氣的電解用水0.93kg，這些水經(jīng)航天員利用后，作為廢物又以各種形式排出。尿液廢水是空間站廢水中最復雜的廢水，其主要污染物有尿素、氯化鈉及各種酸，如何實現(xiàn)其資源回收利用是一重要課題。同時，我們也看到生活污水中約80%的氮與60%的磷來自尿液，而尿液的體積僅占污水總體積的1%左右，在源分離尿液中，其氮、磷含量偏高，尿液中的氮和磷分別占到城市污水中N、P復合的80%和50%左右，源分離尿液的直接處理實現(xiàn)其回收利用是一個重要的方法。
[0003]太陽光是太陽發(fā)生熱核聚變反應(yīng)所產(chǎn)生的強輻射光，太空中還存在有大量的宇宙射線，宇宙射線是指在宇宙空間運動著的帶電高能粒子流。這些高速運動的粒子到達地球后，首先撞擊地球外層大氣，這些宇宙射線稱作原福射，它們同空氣分子相碰撞，并把分子擊碎，從而產(chǎn)生各種各樣能量同原輻射差不多的高能粒子，空氣分子被撞爆炸而形成的新粒子就構(gòu)成了 “次級輻射”。宇宙射線含有巨大的能量，理論上是可以激發(fā)半導體材料進行光催化作用的。日本研究人員發(fā)現(xiàn)，用X射線照射T12,當照射的X射線光子數(shù)為每秒3000億個時，T12內(nèi)生成的電子數(shù)高達每秒5萬億個；他們還發(fā)現(xiàn)，Τ?02經(jīng)X射線照射后，只需I分鐘，其表面就可具有良好的親水性。這些結(jié)果都表明，Ti02可在X射線照射下工作。由此可見，太空中的太陽光和宇宙射線是可以用來激發(fā)Ti02等半導體光催化材料進行降解尿液等污染物的，而且它們的能量高、照射時間長。神十繞地球飛行一圈的時間為90min，這期間的50min左右是在陽光照射下的光照期。因此，在太空中，運用光催化技術(shù)處理尿液具有得天獨厚的優(yōu)勢。
[0004]太空又是一個強輻射的環(huán)境，其便利的應(yīng)用就是可以將長余輝材料與光催化材料相結(jié)合。長余輝發(fā)光是一種光致發(fā)光現(xiàn)象，是指在激發(fā)光停止照射后材料仍能夠持續(xù)發(fā)光的現(xiàn)象。長余輝發(fā)光材料簡稱長余輝材料，又稱夜光材料。它是一類吸收太陽或人工光源所產(chǎn)生的光發(fā)出可見光，而且在激發(fā)停止后仍可繼續(xù)發(fā)光的物質(zhì)。長余輝材料不消耗電能，但能把吸收的自然光儲存起來，在較暗的環(huán)境中呈現(xiàn)出明亮可辨的可見光，具有照明功能，可以起到指示照明的作用，是一種“綠色”光源材料。比如稀土激活的堿土鋁酸鹽長余輝材料的余輝時間可達12h以上，具有白晝蓄光、夜間發(fā)射的長期循環(huán)蓄光、發(fā)光的特點。在太空中，將長余輝材料與光催化材料結(jié)合，由于長余輝材料能吸收太陽光和宇宙射線，并將其能量存儲起來，以發(fā)光的形式慢慢釋放，而光催化材料可以在背著太陽的黑暗環(huán)境中，吸收長余輝材料釋放的光進行光催化降解。因此可利用太陽光光降解去除掉尿液里面的有機物，并實現(xiàn)除臭和殺菌作用，而利用冷凍干燥將冷凍濃縮能高效地去除尿液中各種雜質(zhì)，經(jīng)單級處理，即可去除原尿液大部分的污染物。隨后利用太陽光進行加熱蒸發(fā)結(jié)晶，從而將尿液中的水分進行回收，經(jīng)紫外消毒后進行回收利用，將尿液中絕大部分水分進行有效的分離轉(zhuǎn)化，最終實現(xiàn)水分的回收和尿液中營養(yǎng)元素的直接回收利用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于，針對現(xiàn)有技術(shù)源分離尿液處理的不足，克服成本較高、裝置復雜等問題，提供一種充分利用太空環(huán)境特性的空間站源分離尿液的回收處理方法，采用空間站中強烈的太陽光和輻射射線，進行尿液的除臭、消毒和污染物降解，同時利用空間站晝夜溫差大、太陽光強烈的優(yōu)勢，進行冷凍-蒸發(fā)結(jié)晶處理，實現(xiàn)純凈水的消毒和回收利用，最后將尿液結(jié)晶后形成的富含氮、磷物質(zhì)作為復合肥，進行回收利用，以提高經(jīng)濟效益。
[0006]本發(fā)明實現(xiàn)其目的的技術(shù)方案如下:
[0007]—種空間站源分離尿液的回收處理方法，其特征在于:源分離收集的尿液經(jīng)上轉(zhuǎn)換長余輝光降解裝置處理后，經(jīng)冷凍過程，再通過太陽能結(jié)晶蒸發(fā)收集回收水，回收水經(jīng)紫外光進一步消毒處理后成為純凈水，作為中水回用。
[0008]進一步地，所述的源分離收集的尿液放入尿液儲存室進行短期存放。
[0009]進一步地，所述的上轉(zhuǎn)換長余輝光降解裝置進行有機物的降解、除臭和消毒，其所用的光催化材料為上轉(zhuǎn)換長余輝T12納米管整列，即NaYF 4: Er3+，Tm3VYb3+-Sr2Al6O11: Eu2+/Er3+OS1廠Fe203/Ti02納米管，其中，長余輝材料為Sr 2Al60n = Eu2+和Er、Si02，上轉(zhuǎn)換材料為NaYF4: Er' Tm3+和Yb 3+，磁轉(zhuǎn)換材料為Fe2O3,光催化材料為Ti02。
[0010]進一步地，所述的冷凍過程充分利用空間站晝夜溫差大的特點，在溫度能夠達到-30°c以下的空間站背陰太陽光時間內(nèi)，進行尿液的快速冷凍。
[0011]進一步地，所述的太陽能結(jié)晶蒸發(fā)過程充分利用空間站正對太陽光時段的高溫，對尿液中的有機物進行蒸發(fā)結(jié)晶，在蒸發(fā)過程中，輔助以利用真空抽濕裝置，抽取尿液冷凝后蒸發(fā)的水汽，并經(jīng)蒸發(fā)過程太陽光中紫外線的殺毒作用，收集成為可中水回用的純凈水。
[0012]進一步地，所述的太陽能結(jié)晶蒸發(fā)過程中產(chǎn)生的結(jié)晶物質(zhì)，富含氮肥和磷肥，可用作為復合肥料。
[0013]本發(fā)明的有益效果是，對空間站中宇航員的尿液進行了水回收利用，解決了空間站中營養(yǎng)元素流失、生活用水缺乏等問題，實現(xiàn)了資源的回收利用。與公開號為CN101580316A的中國專利《宇航員尿液回收處理方法》相比，本發(fā)明充分利用了空間站的太陽光、長余輝輻射以及晝夜溫差大等優(yōu)勢，成本較低，采用了較為關(guān)鍵的光催化裝置，并能夠有效實現(xiàn)空間站內(nèi)水、氮磷元素等的自循環(huán)，從而更顯節(jié)能高效。
[0014]本發(fā)明的優(yōu)點主要有:
[0015](I)充分利用了空間站環(huán)境中的太陽光和長余輝射線等優(yōu)勢，以上轉(zhuǎn)換長余輝光催化材料為媒介，將尿液中的有機物進行了有效處理。
[0016](2)充分利用了空間站中的晝夜溫差大、冷熱轉(zhuǎn)換頻次快等特點，將冷凍干燥-蒸發(fā)-結(jié)晶過程有效地結(jié)合，形成水與污染物的有效分離。
[0017](3)所述方法將尿液中的水和有機污染物進行了有效分離，從而實現(xiàn)了水和氮/磷元素等的充分回收利用。
【附圖說明】
[0018]圖1為本發(fā)明的工藝流程圖。
【具體實施方式】
[0019]下面結(jié)合實施例對本發(fā)明作詳細的說明。下述實施例以本發(fā)明的技術(shù)方案為前提，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例，對于本領(lǐng)域一般技術(shù)人員而言，在不背離本發(fā)明技術(shù)方案前提下所做的任何顯而易見的改動，都屬于本發(fā)明權(quán)利要求的保護范圍。
[0020]本發(fā)明涉及的空間站源分離尿液的回收處理方法能夠有效解決空間站資源回收利用問題，其主要配套設(shè)備是上轉(zhuǎn)換長余輝光催化裝置、低溫冷凍裝置、真空抽濕裝置和紫外消毒裝置。請參閱圖1，當空間站專用容器收集到一定量的源分離收集的尿液并進行短期存放后，即可進入到上轉(zhuǎn)換長余輝光催化裝置，反應(yīng)l_3h，達到降解有機物、除臭以及消毒的目的，其中，光催化過程可生成光生電子和空穴，對有機物具有良好的降解功能，而長余輝射線則對尿液內(nèi)的微生物和病菌具有很好的殺菌功效，經(jīng)系列反應(yīng)后，去除臭味并形成絡(luò)合物。所述上轉(zhuǎn)換長余輝光催化裝置所用的光催化材料為上轉(zhuǎn)換長余輝打02納米管整列，即 NaYF4:Er37Tm3+/Yb3+—Sr2Al6O11:Eu27Er3+@Si02—Fe203/Ti02m 米管，其中，Sr2Al6O11: Eu2+和Er 3+略102為長余輝材料，NaYF4: Er3\ Tm3+和Yb 3+為上轉(zhuǎn)換材料，F(xiàn)e 203為磁轉(zhuǎn)換材料，打02為光催化材料。經(jīng)上轉(zhuǎn)換長余輝光催化裝置處理后，尿液進入低溫冷凍裝置，充分利用空間站晝夜溫差大的特點，在背陰太陽光時間內(nèi)的極冷溫度(<-30°C)下，經(jīng)15min-lh即可完成尿液的快速冷凍。之后尿液進入真空抽濕裝置中，在白天時段太陽光高溫加熱的作用下，對尿液中的有機物進行蒸發(fā)結(jié)晶，并在蒸發(fā)過程中啟動真空抽濕裝置，抽取尿液冷凝后蒸發(fā)的水汽，收集后的回收水在紫外消毒裝置中經(jīng)過同時段的紫外線的高溫消毒后，所得純凈水作為中水回用，從而達到尿液的水回收、循環(huán)利用的目的，同時結(jié)晶蒸發(fā)過程中產(chǎn)生的結(jié)晶物質(zhì)，富含氮肥和磷肥，可用作為復合肥料。
【主權(quán)項】
1.一種空間站源分離尿液的回收處理方法，其特征在于:源分離收集的尿液經(jīng)上轉(zhuǎn)換長余輝光降解裝置處理后，經(jīng)冷凍過程，再通過太陽能結(jié)晶蒸發(fā)收集回收水，回收水經(jīng)紫外光進一步消毒處理后成為純凈水，作為中水回用。2.根據(jù)權(quán)利I所述的空間站源分離尿液的回收處理方法，其特征在于:所述的源分離收集的尿液放入尿液儲存室進行短期存放。3.根據(jù)權(quán)利I所述的空間站源分離尿液的回收處理方法，其特征在于:所述的上轉(zhuǎn)換長余輝光降解裝置進行有機物的降解、除臭和消毒，其所用的光催化材料為上轉(zhuǎn)換長余輝T12納米管整列，即 NaYF 4: Er3VTm3VYb3+- Sr2Al6O11: Eu2+/Er3+@Si02—Fe203/Ti02納米管，其中，長余輝材料為Sr2Al6O11:Eu2+和Er 3+@Si02，上轉(zhuǎn)換材料為NaYF4:Er' Tm3+和Yb 3+，磁轉(zhuǎn)換材料為Fe2O3,光催化材料為Ti02。4.根據(jù)權(quán)利I所述的空間站源分離尿液的回收處理方法，其特征在于:所述的冷凍過程充分利用空間站晝夜溫差大的特點，在溫度能夠達到-30°C以下的空間站背陰太陽光時間內(nèi)，進行尿液的快速冷凍。5.根據(jù)權(quán)利I所述的空間站源分離尿液的回收處理方法，其特征在于:所述的太陽能結(jié)晶蒸發(fā)過程充分利用空間站正對太陽光時段的高溫，對尿液中的有機物進行蒸發(fā)結(jié)晶，在蒸發(fā)過程中，輔助以利用真空抽濕裝置，抽取尿液冷凝后蒸發(fā)的水汽，并經(jīng)蒸發(fā)過程太陽光中紫外線的殺毒作用，收集成為可中水回用的純凈水。6.根據(jù)權(quán)利I所述的空間站源分離尿液的回收處理方法，其特征在于:所述的太陽能結(jié)晶蒸發(fā)過程中產(chǎn)生的結(jié)晶物質(zhì)，富含氮肥和磷肥，可用作為復合肥料。
【專利摘要】一種空間站源分離尿液的回收處理方法，其采用上轉(zhuǎn)換長余輝光催化裝置、低溫冷凍裝置、真空抽濕裝置和紫外消毒裝置，利用空間站中豐富的太陽光和晝夜溫度大等環(huán)境特點，將源分離收集的尿液進行光催化處理、消毒和除臭后，直接進行冷凍、太陽光加熱和真空抽濕，經(jīng)抽取冷凝后蒸發(fā)的水汽，冷凝收集成為純凈的回收水，最后經(jīng)消毒處理后，作為中水回用，而冷凍后蒸發(fā)結(jié)晶生成的富含氮磷結(jié)晶體，可作為進入到土壤用作種植的復合肥料。本發(fā)明實現(xiàn)了尿液中水、氮磷物質(zhì)的回收，有效實現(xiàn)了空間站內(nèi)水、氮磷元素等的自循環(huán)，達到了節(jié)能高效和環(huán)保的效果。
【IPC分類】C02F9/10
【公開號】CN105130076
【申請?zhí)枴緾N201510487896
【發(fā)明人】樓紫陽, 周抗寒, 李安定, 朱南文, 黃壽強, 袁海平, 孫中濤
【申請人】上海交通大學
【公開日】2015年12月9日
【申請日】2015年8月11日