CN104609516B - 自维持光催化转化污染物和co2协同反应池及其制备方法 - Google Patents

自维持光催化转化污染物和co2协同反应池及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种自维持连续光催化转化污染物和CO2协同反应池及其制备方法，利用太阳能处置废物协同转化CO2发电并制备高值化工产品，属于环保与新能源及相关领域。本发明所要解决的技术问题是只利用太阳能转化CO2及污染物，提高污染物治理的社会和经济效益。本发明技术方案采用光阳极在阳极室氧化降解污染物，同时利用氧化过程产生的电子在阴极室促使CO2转化，用隔膜将阳极室和阴极室隔开，通过控制阴极室和阳极室的溶液调整两室间的化学电位差，使该电位差弥补光电压的不足，满足协同反应池运行的能量需求，实现自维持连续运行。本发明的阳极室光催化反应效率高，结构简单，可操作性强，适应于长期光照耦合治理污染物与CO2的场合。

Description

自维持光催化转化污染物和CO2协同反应池及其制备方法
技术领域
本发明公开一种新型自维持光催化转化污染物和CO2协同反应池及其制备方法，单独利用清洁太阳能处置废物协同发电和产生高附加值化工产品，无需外加能源，属于环保与新能源及相关领域。
背景技术
温室气体CO2和污水中存在的有机污染物严重威胁着人类的生存繁衍和社会经济的可持续发展，甚至引发极端的气候现象，引起世界各国的高度重视。很多工业过程（如：印染、照相、农药、炸药、消毒剂、润滑剂、石油化工、橡胶、塑料等）都会产生大量的含酚类废液，而且酚类和染料等有毒化合物会在生物链和环境中传递，不仅难以生物降解，而且滞留时间长，较难处理。CO2减排的有效措施是CO2捕获利用，但是空气中低浓度的CO2很难捕获并富集利用；同时，对水环境破坏最严重的难降解有机污染物在浓度低时也很难富集处理。太阳能是一种清洁可再生能源，自然界中很容易免费获得，在CO2催化转化[Physical Chemistry Chemical Physics, 2014, 16(37): 19790-19827]和有机物催化降解[Journal of Photochemistry and Photobiology C - Photochemistry Reviews, 2008, 9(1): 1-12]等方面引起了人们的广泛兴趣。
然而，目前利用太阳能降解污染物与转化CO2多发生在不同的体系中，忽视了有机污染物的还原性和CO2的氧化性耦合关联，割裂了二者反应的互补性与连续性，增加了低浓度污水与CO2处置的成本。目前报道的同槽光电化学池由于没有考虑阳极室和阴极室间的化学偏压而导致额外另外施加偏压促使电极反应发生，整个体系不能单独依靠太阳能长时间自维持工作，增加了能耗和运行成本。另外，TiO2等粉体光催化剂不仅空穴和电子的分离效率低，附着力差，会引起二次污染，而且TiO2薄膜的有效可利用比表面积比同样条件下的阵列管的低，导致光电转换效率低[Journal of Physical Chemistry C, 2011. 115(26): 12844-12849]。因此，开发高效单独利用太阳能同时降解有机污染物和转化CO2的耦合技术不仅有利于应用取之不尽的清洁太阳能大量处置工业废液和CO2，而且可以实现以废治废，减少光反应池的体积和能耗，解决空气中CO2捕获难及其利用和污水处理成本高的问题，达到节能减排的目的。
耦合电化学和光化学氧化法的光电催化技术是一种有效的处置污染物和CO2的方法。然而，目前的光催化转化CO2与光催化降解有机污染物的耦合技术报道很不完善，仍需外加偏压促进反应发生，消耗外加能量，没有结合二者反应过程与特点的仅靠太阳能工作的自维持连续工作技术，运行成本高。
为了单独利用太阳能协同氧化降解污染物与转化CO2，我们设计了一种双室协同反应光电化学池（如附图1所示），阳极室与阴极室由离子交换膜隔开，利用光催化氧化降解污染物产生的电子促使CO2转化，利用两室溶液组成、浓度和pH值引起的的化学电位差实现协同反应池的连续自维持运行。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述问题，克服现有技术的不足，提供一种利用太阳能氧化污染物和转化CO2发电并产生高附加值化工产品的协同反应池及其制备方法。该反应池由阴极室、阳极室和隔膜组成，其中，光电催化材料与还原性污染物放在阳极室，CO2通入阴极室。该协同反应池仅利用自然界的太阳能为外加能源，通过控制阴极室与阳极室的溶液调控两室的化学偏压，弥补太阳能造成的电压不足的缺陷，无需其他外加能源，具有气体容易扩散、溶液离子传质效果和输运特性好、电极的可利用比表面积和孔隙率高、循环稳定性好等优点，适应于长期稳定运行的光催化降解污染物协同转化CO2的环保与新能源及其相关领域。
本发明的基本构思在于：本发明利用光降解污染物产生的电子促使CO2在阴极室的转化，利用离子膜两边溶液的组成、浓度和pH值差产生的化学电位弥补单一光电化学池电压不足的缺陷，实现协同反应池的自维持连续运行，实现节能减排，容易操作，对设备要求低，维护成本低。
本发明的技术方案是：一种自维持光催化转化污染物和CO2协同反应池是由阳极室（1）和阴极室（2）构成，二者用隔膜（3）隔开，阳极（4）与阴极（5）分别放置在阳极室（1）和阴极室（2）中，隔膜上方加一弧形挡板（6），结构示意图如图1所示，引导阳极室产生的CO2进入阴极室进行循环利用，溶液中离子移动构成内电路，连接阴极室与阳极室的电子通道构成外电路；半导体光电催化材料与污染物放置在阳极室，光照时污染物发生降解，将CO2引入阴极室，光电催化氧化污染物产生的电子通过外电路促使CO2转化；通过控制阳极室和阴极室的溶液组成、浓度和pH值调整两室的化学电位差，利用该电位差使阴、阳极反应自维持连续运行。
本发明中，所述的阳极室指光照时污染物发生氧化反应的区域。
本发明中，所述的阴极室指CO2发生转化的区域。
本发明中，所述的隔膜指离子交换膜，包括阳离子交换膜、阴离子交换膜、两性交换膜、镶嵌离子交换膜、聚电解质复合膜。
本发明中，所述的污染物指能失去电子的物质，包括含硫废液、CN-废液、NH4 +废液、SO2、含苯环有机物、CHCl3、CCl4、多氯联苯、染料、农药、印染废液、电镀废液、石油化工与橡胶废液。
本发明中，所述的CO2可以被其他能发生还原反应的物质取代。
本发明中，所述的溶液指能导电的碱性、中性、酸性的无机、有机、高分子溶液与离子液体。
本发明中，所述的弧形挡板的夹角为90~160°。
本发明中，所述的外电路上可以施加其他负载。
本发明与现有技术相比，本发明解决了仅利用大自然中取之不尽的清洁太阳能光催化降解污染物协同转化CO2的技术难题，克服了CO2转化时因光电化学电压不高而需要外加能量的问题，消除了CO2转化时所需能量的不足，创造性的提出“利用太阳光催化降解污染物产生的电子促使CO2转化，利用隔膜两边的溶液调控附加的化学偏压实现协同反应池的自维持运行”的新型协同光化学反应池及其制备方法，不需要另外补充其他能源，利用太阳能产生的光电压和阴极室与阳极室溶液产生的化学偏压进行发电和转化CO2，实现自维持运行，具有以下优点和突出性效果：反应工艺独特，阳极室采用半导体光催化材料和能失去电子的污染物为溶液，阴极室引入CO2，原料对环境污染大而且来源非常广泛，成本低，两个过程耦合进行，实现以废治废，消除污染物对环境的影响；耦合太阳能产生的光电压与隔膜两边产生的化学偏压，利用该耦合电压促进CO2 的转化与发电；通过控制阴极室和阳极室的溶液组成、浓度与pH值可以有效调控两室的化学偏压，通过该偏压可以调控CO2的转化产物；利用反应池上面的挡板将阳极室光催化降解污染物产生的CO2引入阴极室继续反应，CO2由于密度相对较小而会沿着电极上升，在协同反应池上面的挡板作用下进入阴极室被转化掉，消耗掉阳极室副产的CO2，与目前的光电催化降解有机物不同，本发明的阳极室没有CO2逸出，对环境没有危害；阳极室的阳离子或阴离子可以通过隔膜进入阴极室，与CO2的转化产物形成盐，反应过程中污染物和CO2不断被消耗并转化成附加值高的碳酸氢盐、甲酸盐或碳氢燃料；阴极室加入孔材料强化CO2的吸附与转化，工艺简单；反应只利用太阳光，无需外加能源，同时处理污染物和并将CO2转化成附加值高的化工产品，节能减排，对设备的要求比较低，工艺流程简单，易操作，生产成本和维护成本低，无三废污染，清洁环保，资源利用率高，投资少，效益好。
附图说明
图1 一种自维持光催化转化污染物和CO2协同反应池示意图。
图2 添加孔碳与搅拌的自维持光催化转化污染物和CO2协同反应池示意图。
图3 双室同时利用太阳能的自维持光催化转化污染物和CO2协同反应池示意图。
图中，1. 阳极室，2. 阴极室，3. 隔膜，4. 阳极，5. 阴极，6. 挡板。
具体实施方式
以下结合实施例及附图对本发明作进一步说明，所述内容仅为本发明构思下的基本说明，但是本发明不局限于下面例子，依据本发明的技术方案所作的任何等效变换，均属于本发明的保护范围。
实施例 1
采用管径为10~30 nm、管长为20~30 µm的TiO2纳米阵列管为光电催化材料并充当阳极，将其倾斜放入浓度为0.1~5 mol/L的苯酚溶液中构成阳极室，阵列管与水平面的倾角为50~60°，往阳极室中添加NaOH调整溶液pH值，隔膜选用Nafion117阳离子交换膜，阴极室中加入饱和Na2CO3溶液，铜网为阴极，阳极TiO2阵列管与阴极铜网的间距小于30 cm，将通入的CO2通过气体分布板接近阴极，加入一定量500 ~ 3000 m2/g的孔碳强化CO2的吸收与溶解，两个室内用搅拌强化传递过程，用导线将阳极TiO2阵列管与阴极铜网连接构成外电路，负载为LED灯泡，隔膜上方用弯折弧形挡板将阳极室氧化降解产生的CO2引入到阴极室，挡板夹角为135°，结构示意图如图2所示。用300 ~ 500 W模拟太阳光照射TiO2阵列光阳极，发现LED灯亮，阳极室有CO2气泡产生，产生的气泡在阵列管顶端自然逸出后经过池上面的挡板进入阴极室，阴极没有气体析出，产物经分析为HCOONa，调整两边溶液pH值并用镍网取代阴极的铜网后，发现阴极室有氢气和白色NaHCO3沉淀出现。
实施例 2
采用浸渍法将粒度为5~20 nm的MoS2粉体担载在多孔分子筛Ti—MCM-41上面，放入一面是石英玻璃的钛篮中充当光电催化剂与阳极，将其倾斜放入印染废液中构成阳极室，钛篮的石英玻璃面与水平面的倾角为10~60°，往阳极室中添加CaO调整溶液pH值大于9，隔膜选用阴离子交换膜，阴极室中加入海水，担载掺Fe纳米GaP的石墨毡为阴极，将CO2通入阴极室底部，加入1000 ~ 2000 m2/g的孔碳强化CO2的吸收与溶解，用导线将阳极钛篮与阴极石墨毡连接构成外电路，阳极与阴极的间距小于50 cm，负载为小风扇，隔膜上方用弯折弧形挡板将阳极室氧化降解产生的CO2引入到阴极室，挡板夹角为150°，阴极室挡板端深入液面以下50 cm，结构示意图如图2所示。用500 ~ 600 W模拟太阳光透过石英玻璃照射在担载MoS2粉体的多孔分子筛Ti—MCM-41上，发现小风扇转动，阳极室的溶液颜色逐渐变清，产生的气体在挡板的作用下进入阴极室被消耗掉，有CaCl2产物形成，阴极室有HCOONa形成，调整两边溶液浓度和pH值后可以改变阴极室产物组成，有甲烷产生。
实施例 3
对上述实施例 2的阴极室同时施加100 ~ 200 W模拟太阳光加速CO2的转化，如图3所示，阴极室加入适量NH3·H2O消耗该室产生的光生空穴，减少光生空穴与电子的复合，强化CO2电极的电子接受，用电镀废水取代阳极室的印染废液，其他不变，调整两边溶液组成、浓度和pH值后可以改变阴极室产物组成，有甲烷、CO、甲醇、甲醛形成。
实施例 4
将粒度为10~50 nm的ZnO与SiC复合催化剂粉体和Nafion溶液混合后热压或流延在多孔碳纸上面，放入采油废液中构成阳极室，担载催化剂的碳纸面正对阳光照射，担载催化剂的碳纸充当阳极，碳纸与水平面的倾角为10~30°，往阳极室中添加NH3·H2O调整溶液pH值，隔膜选用聚电解质复合膜，阴极室中加入海相深层卤水（古地层水），以掺Ce纳米TiO2阵列管为阴极，将CO2通入阴极室底部，加入300 ~ 1000 m2/g的孔碳强化CO2的吸收与溶解，用导线将阳极碳纸与阴极钛管基体钛连接构成外电路，阳极与阴极的间距小于90 cm，负载为OLED灯，电路中加二极管抑制电子反向运动，两个室间的上方用弯折弧形挡板将阳极室氧化降解产生的CO2引入到阴极室，挡板夹角为100°，结构示意图如图3所示。用500 ~ 600 W模拟太阳光照射在担载复合催化剂粉体的碳纸和掺Ce纳米TiO2阵列管上，发现OLED灯亮，阳极室表面的油层逐渐减少，阴极室有KHCO3形成，调整两边溶液组成、浓度和pH值后可以改变阴极室产物组成，有HCOOK、CO、CH4形成。

Claims (2)

1.自维持光催化转化污染物和CO2协同反应池的制备方法，其特征在于：采用浸渍法将粒度为5~20 nm的MoS2粉体担载在多孔分子筛Ti—MCM-41上面，放入一面是石英玻璃的钛篮中充当光电催化剂与阳极，将其倾斜放入印染废液中构成阳极室，钛篮的石英玻璃面与水平面的倾角为10~60°，往阳极室中添加CaO调整溶液pH值大于9，隔膜选用阴离子交换膜，阴极室中加入海水，担载掺Fe纳米GaP的石墨毡为阴极，将CO2通入阴极室底部，加入1000 ~ 2000 m2/g的孔碳强化CO2的吸收与溶解，用导线将阳极钛篮与阴极石墨毡连接构成外电路，阳极与阴极的间距小于50 cm，负载为小风扇，隔膜上方用弯折弧形挡板将阳极室氧化降解产生的CO2引入到阴极室，挡板夹角为150°，阴极室挡板端深入液面以下50 cm。
2.自维持光催化转化污染物和CO2协同反应池的制备方法，其特征在于：将粒度为10~50 nm的ZnO与SiC复合催化剂粉体和Nafion溶液混合后热压或流延在多孔碳纸上面，放入采油废液中构成阳极室，担载催化剂的碳纸面正对阳光照射，担载催化剂的碳纸充当阳极，碳纸与水平面的倾角为10~30°，往阳极室中添加NH3·H2O调整溶液pH值，隔膜选用聚电解质复合膜，阴极室中加入海相深层卤水，以掺Ce纳米TiO2阵列管为阴极，将CO2通入阴极室底部，加入300 ~ 1000 m2/g的孔碳强化CO2的吸收与溶解，用导线将阳极碳纸与阴极钛管基体钛连接构成外电路，阳极与阴极的间距小于90 cm，负载为OLED灯，电路中加二极管抑制电子反向运动，两个室间的上方用弯折弧形挡板将阳极室氧化降解产生的CO2引入到阴极室，挡板夹角为100°。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN108063274B (zh) * 2017-10-24 2020-02-14 华南师范大学 一种新型牺牲燃料电池及其制备方法和采用成对合成法应用于二氧化碳再利用
CN111204847A (zh) * 2020-01-10 2020-05-29 广州大学 一种光电化学废水资源化装置及废水处理方法
CN112371169B (zh) * 2020-11-24 2022-03-01 兰州理工大学 一种功能化介孔分子筛催化剂S-Ti-MCM-41、制备方法及其应用
CN113502493B (zh) * 2021-06-08 2022-11-04 东南大学 一种光电催化有机固废氧化耦合二氧化碳还原系统及方法

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100927185B1 (ko) * 2007-11-07 2009-11-18 재단법인서울대학교산학협력재단 태양 전지의 기전력을 이용한 광촉매 유기 오염물질 분해방법 및 이를 이용한 오염물질 분해 시스템.
CN101327968B (zh) * 2008-07-08 2011-03-16 广东工业大学 转盘负载催化剂光电催化降解有机物反应器及降解方法
JP2012046374A (ja) * 2010-08-26 2012-03-08 Kyocera Corp 誘電体セラミックスおよび共振器
WO2012046362A1 (ja) * 2010-10-06 2012-04-12 パナソニック株式会社 二酸化炭素を還元する方法
CN102701312A (zh) * 2012-05-30 2012-10-03 中国科学院广州能源研究所 染料敏化光催化燃料电池降解有机染料废水同时制氢的方法
JP2013253270A (ja) * 2012-06-05 2013-12-19 Sharp Corp 二酸化炭素還元装置
CN102826635B (zh) * 2012-09-17 2014-08-06 浙江工商大学 一种利用太阳能驱动的光电催化降解有机污染物耦合制氢的装置及工艺

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