CN104478033B - 一种基于太阳能和波浪能驱动的光电催化装置 - Google Patents

一种基于太阳能和波浪能驱动的光电催化装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于太阳能和波浪能驱动的光电催化装置，包括内置有若干对反应电极的反应室以及供电装置，所述反应室为连接有浮力部件的漂浮式，所述供电装置包括与电极相连的蓄电池，以及向蓄电池充电的光伏板和波浪能发电机构。本发明的光电催化装置以太阳能光伏电池和波浪发电机作为驱动能，构成太阳能和波浪能协同驱动的光电催化反应，不需消耗外加能源，且通过设置浮力部件，使整个装置漂浮在水面，可以随处漂流，在水污染处理上具有极大的应用潜力。

Description

一种基于太阳能和波浪能驱动的光电催化装置
技术领域
本发明涉及光电催化技术领域，具体涉及一种基于太阳能和波浪能驱动的光电催化装置。
背景技术
环境污染及能源危机是目前制约人类社会发展的两大瓶颈，半导体光催化技术有望解决这两大难题，其研究和应用引起了人们的广泛关注。光催化环境净化技术是利用光激发半导体分解有机物的过程。其机理是半导体光催化剂受到光激发产生非平衡载流子即光生电子与空穴，电子与空穴迁移到半导体表面后，由于具有很强的氧化及还原能力，可跟与之接触的有机污染物发生氧化还原反应，将有机物分解为小分子并最终分解为CO2和水。
由于光催化可利用自然界中的光能长期工作，使其在环境污染治理领域有广阔的应用前景。半导体光催化技术缓解能源危机的途径是通过其光催化分解水制氢实现。其机理是半导体光催化剂受光激发后，产生的电子空穴迁移到表面后分别与水发生氧化还原反应，生成氢气与氧气。目前全球工业化进程的迅猛发展使得环境问题变得日益严峻。随着大量的化工原料被消耗，自然资源的过度开发，矿物燃料的燃烧和使用，生态环境变得也日趋恶化。
同时二氧化碳气体被大量排放，引起了全球温室效应，特别是近几年来，人类活动不断地加剧，大气中的二氧化碳含量提高的更快，进一步加剧了温室效应。
然而二氧化碳在海水中的溶解度大于在淡水中的溶解度，每年海洋都在大量吸收二氧化碳缓解温室效应。若通过化学途径转化二氧化碳，这样既可以达到消除二氧化碳的目的，同时又能将二氧化碳转化为有用的基本化工原料，这样就可以起到改善环境并产生新能源的作用。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供来了一种基于太阳能和波浪能驱动的光电催化装置。
一种基于太阳能和波浪能驱动的光电催化装置，包括内置有若干对反应电极的反应室以及供电装置，所述反应室为连接有浮力部件的漂浮式，所述供电装置包括与电极相连的蓄电池，以及向蓄电池充电的光伏板和波浪能发电机构。
本发明的光电催化装置的大小可以根据实际应用需求进行调整。
本发明的光电催化装置以太阳能光伏电池和波浪发电机作为驱动能，构成太阳能和波浪能协同驱动的光电催化反应，不需消耗外加能源，且通过设置浮力部件，使整个装置漂浮在水面，在水污染处理上具有极大的应用潜力。
反应室中反应电极的对数，以及阴极和阳极材质根据实际应用情况设定。每对反应电极将反应室划分为一个相应的反应池，当有多对反应电极时，每对反应电极相互串联连接。
作为优选，每对反应电极中的阳极为具有光催化活性的光电极，阴极具有二氧化碳还原活性的电极。其中，所述的阳极为可见光型BiVO4,改性TiO2,Fe2O3、MxOy/Ta3N5等材料制备得到，所述阴极为镍、铂、掺铂石墨烯、Pt-II、Cu-S等材料制备得到。
考虑到二氧化碳稳定性较高，因为具有惰性从而加剧了活化的难度，在光催化还原二氧化碳的过程中二氧化碳转化率较低。要提高还原二氧化碳的效率，必须添加电子给体作为牺牲剂来抑制光生电子和空穴的复合以及还原产物被氧化的逆反应，从而获得基础化工原料(根据反应条件的不同，还原可以产生甲醇，甲醛，甲酸，甲烷等)。
电子给体的加入还可以促进催化剂的结构稳定而不易失活。许多有机物都是很好的电子给体，能显著提高光催化还原二氧化碳的效率，尤其是利用废水中的有机污染物作为电子给体进行光催化还原二氧化碳，有机废物被氧化降解的同时二氧化碳还被还原成基础化工原料，既提高了产率，又去除了环境污染物。
在光源提供的光照作用下，反应电极中的阳极发生光催化氧化有机污染物反应，反应电极中的阴极发生光催化还原二氧化碳反应，在蓄电池提供的偏压作用下，光生电子及时传递到对电极(阴极)，从而有效抑制了光生电子和空穴的复合，进一步促进了有机污染物的降解和二氧化碳的还原，大大提高了有机物降解效率和二氧化碳的还原效率。且不同于其他的反应器固定在一个位置，它可以漂浮在含有污染物的水体表面，二十四小时工作，在有效去除污染物的同时还原二氧化碳生成基础化工原料。
所述反应室内每对反应电极中阴极和阳极的间距为1～5cm。
所述的阳极和阴极分别接在蓄电池的正极和负极；所述的蓄电池的直流电压在1～10V间可调，阴阳极间距为1～5cm，通过对电流和电压的调节进而调控污染物降解和二氧化碳还原的速率，从而实现反应动力学平衡。
所述浮力部件为固定在反应室外周的浮力板，所述光伏板位于浮力板顶面。
作为优选，所述浮力部件为固定在反应室外周的浮力板，所述光伏板位于浮力板顶面。浮力板以上的部分在水面上，其余部分均在水下，保证光伏板能够吸收足够的太阳能。
考虑到光电催化反应装置的反应可能会生成大量有用的副产物，如甲酸、甲醛和甲醇等。所述光电催化装置还设有与位于反应室下方，且与反应室通过连通孔连通的储藏室，且连通孔上设有控制阀。
通过设置储藏室，收集反应室反应后的反应液体，定期进行回收并分离，提取得到有用的副产物。
所述波浪能发电机构包括位于储藏室的波浪能发电机，与发电机相连延伸至储藏室下方的动力轴，以及固定在动力轴底端的阻力板。
作为优选，所述反应室的顶部带有透光窗。
进一步优选，所述反应室的顶部高于浮力板，高出部分设有通气孔。
反应室的体顶端的高出浮力板的高度大小根据整个光电催化装置的尺寸设定。
一方面有利于白天太阳光照射进入反应室作为光电催化反应的光源，另一方面使反应室和大气连通，为反应室提供更多的二氧化碳(反应室中的二氧化碳来源于大气以及海水中溶解的二氧化碳)，还可以使反应结束后反应室的液体能够快速的通过连通孔进入储藏室。所述通气孔的数目根据反应池大小调整，所述通气孔和连通孔的尺寸根据反应池大小可调，作为优选，当反应室的体积为200～500ml时，所述通气孔的尺寸为2～20mm，所述连通孔的尺寸为5～50mm。
进一步优选，所述的反应室的材质为透光性好的石英、玻璃或者有机玻璃材质。
为保证电路连接的安全性，在反应室和储藏室之间还设有密封室，所述蓄电池安装在该密封室内；
反应室与密封室之间通过透光板相隔，密封室内安装有通过蓄电池供电的光源。
通过设置光源，在没有太阳光的时候可以通过光源提供光电催化反应所需的光能。
作为优选，所述的光源的波长范围在200nm～1400nm之间(如氙灯、LED光源、汞灯等等)，进一步优选，所述波长范围在200nm～700nm之间。
为保证整个光电催化装置能够竖直漂浮在水中，所述储藏室底部固定有配重物，作为优选，所述配重物为倒锥形。锥形重物通常采用耐海水腐蚀的铸铁，可以增加整个装置的惯性，同时使整个装置的中心朝下，保证整个装置垂直漂浮。
另外，为使重力平衡，波浪能发电机构的阻力板通过配重物浸入在海水中，相应的，在配重物上设有避让孔，所述动力轴贯穿该避让孔。
本发明中以反应室和储藏室连通的控制阀作为连通阀门，所述反应室设有进水口，所述进水口处设有进水阀门，所述储藏室设有出水口，所述出水口设有相应的出水阀门；为便于整个工作过程定期自动进行。所述光电催化装置还包括用于定期开启或关闭进水阀门和出水阀门的控制电路，所述控制电路通过蓄电池供电。
定时打开或关闭进水阀门和出水阀门的周期根据处理速度设定，通常可以在预先进行实验设定。
本发明的光电催化装置的工作过程如下：
将该光电催化装置置于待处理的水中(通常为海水中，也可以为工业废水中)，打开进水阀门使待处理的海水进入反应室中(此时连通阀门和出水阀门均关闭)进行光电催化反应，待反应一段时间后打开连通阀门，使反应后的水(即处理后的海水)进入储藏室，然后关闭连通阀门，重新打开进水阀门，重复进行反应。且每隔一定的时间后，打开出水阀门，将储藏室中的存储的水转移出去，以进行分离，得到有用的副产物。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
(1)巧妙地将太阳能光伏电池系统、波浪能发电系统、光电催化降解污染物系统和还原二氧化碳制基础化工产品系统自耦合匹配，构建了新型、高效的以太阳能和波浪能驱动的光电催化降解有机污染物还原二氧化碳制取基础化工原料的装置，将太阳能、波浪的动能转化为清洁的化学能，同时实现了废水处理；
(2)本发明的光电催化装置操作简单，设备紧凑，各种参数容易控制，可根据需要随时调节；
(3)本发明装置运行时利用取之不尽的太阳能和波浪的动能，产生基础化工原料并且储存起来，不会对环境造成二次污染，是一种绿色的水处理方法。
附图说明
图1为本实施例的光电催化装置的结构示意图；
图2为本实施例的光电催化装置的反应室的结构示意图；
图3为本实施例的光电催化装置的工作原理图。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
如图1所示，本实施例的基于太阳能和波浪能驱动的光电催化装置，包括内置有若干对反应电极的反应室3以及供电装置，供电装置包括与电极相连的蓄电池4，以及向蓄电池充电的光伏板1和波浪能发电机构。
反应室3为连接有浮力部件的漂浮式，其中浮力部件为固定在反应室外周的浮力板2，光伏板位于浮力板顶面。
反应室3的顶部(即顶面)为透明多孔盖板(盖板上的孔即为通气孔)，且高于浮力板，一方面可以透光，还可以与外界大气连通。本实施例中盖板上的小孔(即通气孔)的孔径为5mm，反应室体积为300ml。
本实施例的光电催化装置还设有与位于反应室3下方，且与反应室通过控制阀连通的储藏室6。
储藏室6底部固定有倒锥形的配重物8。配重物8的材料为铸铁，可以增加整个装置的惯性，同时使整个装置的中心朝下，保证整个装置垂直漂浮。
波浪能发电机构包括位于储藏室的波浪能发电机7，与发电机相连延伸至储藏室下方的动力轴9，以及固定在动力轴9底端的阻力板10。在配重物8上设有避让孔，动力轴9贯穿该避让孔。
在反应室和储藏室之间还设有密封室，蓄电池4安装在该密封室内；
反应室与密封室之间通过透光板相隔，密封室内安装有通过蓄电池4供电的光源。
实施制备时，可以先制备一“U型”外壳5，然后将密封室固定在“U型”外壳的内部(与底部有一定高度)，然后在密封室上形成反应室3。
浮力板2、外壳5、阻力板10的材料均为密度小于水密度的塑料。壳体内有泡沫填充物，可以使整个装置漂浮于水面上。
本发明中以反应室和储藏室连通的控制阀作为连通阀门，所述反应室设有进水口，所述进水口处设有进水阀门，所述储藏室设有出水口，所述出水口设有相应的出水阀门；为便于整个工作过程定期自动进行。所述光电催化装置还包括用于定期开启或关闭进水阀门和出水阀门的控制电路，所述控制电路通过蓄电池供电。
如图2所示，本实施例中反应室包括3对相互串联的反应电极，串联后的阳极和阴极分别与蓄电池4的正极和负极连接。一对反应电极组成一个反应池，反应室设有进水口33，用于与储藏室6连通的连通口34，进水口33和连通孔34均设有控制阀门。
每对反应电极均包括一个阳极31和一个阴极32(在实际应用中，各个电极的底端均固定在反应室的底面上)，阳极31为具有可见光催化活性的光电极，阴极32为具有二氧化碳还原活性的电极，阴极和阳极的间距为3cm。
本实施例中阳极31为具有光催化活性BiVO4(2cm×4cm FTO作为载体，BiVO4膜面积2cm×2cm)的光电极，阴极32为具有二氧化碳还原活性Pt-II的电极。
反应室两端(即串联后的阳极和阴极)接上1.5V的外接电压(蓄电池的正极和负极之间的电压)，反应室以500w的氙弧光灯为光源。
本实施例的光电催化装置的工作原理图如图3所示，以太阳能光伏板(即光伏板1)和波浪能发电机7为蓄电池4充电，并由蓄电池4直接为反应室3和光源进行供电。
整个装置竖直漂浮在有波浪的水面上，阻力板10完全浸没在水中，浮力板2以下也全部浸没在水中。当水体有波浪或水体上下波动时，波浪发电机开始工作，给蓄电池4充电。因为光电催化装置漂浮在水面上，所以光伏板1能接受到太阳光给蓄电池4充电。而蓄电池4则为反应室3提供稳定电压。反应室3的电极在白天以太阳光为光源和蓄电池4为电源进行光电催化降解有机物还原二氧化碳反应，夜晚则以反应室3内部的光源和蓄电池4进行光电催化降解有机物还原二氧化碳反应。定期回收储藏室6内产品溶液，并对装置进行保养或者维修。
以饱和二氧化碳模拟海水溶液来模拟海水，具体组分如下：NaCl26.726g/L,MgCl22.26g/L,MgSO43.248g/L,CaCl21.153g/L，以苯酚作为模拟污染物。
利用本实施例的光电催化装置，在光照强度为4.0mw/cm2的条件下进行光电催化还原CO2实验。3h后得到甲酸、甲醛和甲醇的产量分别为0.35mmol/cm2,0.49mmol/cm2和0.35mmol/cm2，苯酚去除率为80％。
实施例二
本实施例的光电催化装置的结构与实施例1相同，所不同的是反应室两端接上3V的外接电压，反应室以500w的氙弧光灯为光源。
以饱和二氧化碳模拟海水溶液来模拟海水，具体组分如下：NaCl26.726g/L,MgCl22.26g/L,MgSO43.248g/L,CaCl21.153g/L，以苯酚作为模拟污染物。
在光照强度为4.0mw/cm2的条件下进行光电催化还原CO2实验。3h后得到甲酸、甲醛和甲醇的产量分别为0.42mmol/cm2,0.52mmol/cm2和0.40mmol/cm2，苯酚去除率为90％。
实施例三
本实施例的光电催化装置的结构与实施例1相同，所不同的是反应室以CuO/Fe2O3NTs作为阳极，Cu-S作为阴极。反应室中具有三个反应池，每个反应池中对电极距离3cm。反应室两端接上3.9V的外接电压，反应室以500w的氙弧光灯为光源。
以饱和二氧化碳模拟海水溶液来模拟海水，具体组分如下：NaCl26.726g/L,MgCl22.26g/L,MgSO43.248g/L,CaCl21.153g/L，以苯酚作为模拟污染物。在光照强度为10.0mw/cm2的条件下进行光电催化还原CO2实验。3h后得到甲醇和乙醇的产量分别为1.0mmol/cm2和0.11mmol/cm2，苯酚去除率为85％。
实施例四
本实施例的光电催化装置的结构与实施例1相同，反应室以Fe2O3/TiO2NTs作为阳极，Cu-S作为阴极。反应室中具有三个反应池，每个反应池中对电极距离3cm。反应室两端接上3.9V的外接电压，反应室以500w的氙弧光灯为光源。
以饱和二氧化碳模拟海水溶液来模拟海水，具体组分如下：NaCl26.726g/L,MgCl22.26g/L,MgSO43.248g/L,CaCl21.153g/L，以苯酚作为模拟污染物。在光照强度为10.0mw/cm2的条件下进行光电催化还原CO2实验。3h后得到甲醇和乙醇的产量分别为1.2mmol/cm2和0.08mmol/cm2，苯酚去除率为93％。
以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于太阳能和波浪能驱动的光电催化装置，包括内置有若干对反应电极的反应室以及供电装置，其特征在于，所述反应室为连接有浮力部件的漂浮式，所述供电装置包括与电极相连的蓄电池，以及向蓄电池充电的光伏板和波浪能发电机构；每对反应电极中的阳极为具有光催化活性的光电极，阴极具有二氧化碳还原活性的电极，所述反应室的下方还设有与该反应室通过控制阀连通的储藏室；该储藏室设有出水口，所述反应室设有进水口；
所述波浪能发电机构包括位于储藏室的波浪能发电机，与发电机相连延伸至储藏室下方的动力轴，以及固定在动力轴底端的阻力板。
2.如权利要求1所述的基于太阳能和波浪能驱动的光电催化装置，其特征在于，每对反应电极中阴极和阳极的间距为1～5cm。
3.如权利要求1所述的基于太阳能和波浪能驱动的光电催化装置，其特征在于，所述浮力部件为固定在反应室外周的浮力板，所述光伏板位于浮力板顶面。
4.如权利要求1～3中任意一项所述的基于太阳能和波浪能驱动的光电催化装置，其特征在于，反应室的顶部带有透光窗。
5.如权利要求4所述的基于太阳能和波浪能驱动的光电催化装置，其特征在于，所述反应室的顶部高于浮力板，高出部分设有通气孔。
6.如权利要求5所述的基于太阳能和波浪能驱动的光电催化装置，其特征在于，在反应室和储藏室之间还设有密封室，所述蓄电池安装在该密封室内；
反应室与密封室之间通过透光板相隔，密封室内安装有通过蓄电池供电的光源。
7.如权利要求5所述的基于太阳能和波浪能驱动的光电催化装置，其特征在于，所述储藏室底部固定有配重物。
8.如权利要求7所述的基于太阳能和波浪能驱动的光电催化装置，其特征在于，所述配重物为倒锥形，在配重物上设有避让孔，所述动力轴贯穿该避让孔。
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