CN104760932A

CN104760932A - 一种光催化分解水制氢装置

Info

Publication number: CN104760932A
Application number: CN201510132687.9A
Authority: CN
Inventors: 王晋刚; 郑浩
Original assignee: Qingyuan Water Mu (tianjin) Energy Environment Technology Co Ltd
Current assignee: Qingyuan Water Mu (tianjin) Energy Environment Technology Co Ltd
Priority date: 2015-03-25
Filing date: 2015-03-25
Publication date: 2015-07-08

Abstract

本发明涉及一种光催化分解水制氢装置，包括光发生器、柱锥型反应器、导流管与支架、气水分离器、气相循环支线（包括出气口、气体分配器、气体增压泵、补气口）、液固相循环支线（包括催化剂捕集器、散热器）、进液口、搅拌器。本发明在流态化光催化反应器的基础上引入了气体喷射器和导流筒，前者使催化剂分散均匀的同时减少了磨损，后者改善了反应器内固液流动状况和光传递路径。本发明具有生产过程连续、装置紧凑、易于放大、光能利用率高、单位催化剂产量高等优点，特别适合于光催化分解水制氢过程。

Description

一种光催化分解水制氢装置

技术领域

本发明涉及一种光催化分解水制氢装置，特别是一种连续运行的流态化反应装置，属于光催化反应领域。

背景技术

随着能源危机和环境污染的日益加重，新型能源系统则越来越多地受到各国人民的重视。氢气以其具有清洁、高效，高热值、环境友好的特点，成为21世纪最有前途的新能源。虽然氢能距离广泛应用还有较长时间，但对其的研究和开发对于解决人类可持续发展中所面临的能源问题具有重要意义。

光解水制氢技术始自1972年，由日本东京大学Fujishima A和Honda K两位教授首次报告发现TiO₂单晶电极光催化分解水从而产生氢气这一现象，从而揭示了利用太阳能直接分解水制氢的可能性，开辟了利用太阳能光解水制氢的研究道路。利用光催化分解水制取氢气是一种环境友好的再生能源制备技术，也是当前乃至未来最有希望规模化生产并获得廉价氢气的技术，极有可能成为最终解决能源和环境问题的最佳途径，具有广阔的应用前景，也被称为“21世纪梦的技术”。

科学家已经描绘出了一种理想的氢能体系: 利用太阳能分解水，再通过燃料电池将产生的H₂和O₂进行电化学反应，产生电能；产物水又可作为太阳能制氢的原料。整个体系实现了完美的循环，而且对环境没有任何污染。目前制约太阳能光催化制氢的关键问题是，高效、可行的光催化反应系统的研制和开发。光催化反应系统置的研制和开发的难点有两个：一是先进的太阳能聚光技术；二是高效的光催化反应器。。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种光催化分解水制氢装置。

本发明的目的是提供一种连续运行的流态化光催化分解水制氢装置，具有装置紧凑、易于放大、光能利用率高、单位催化剂产量高等优点。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：

一种光催化分解水制氢装置，其特征在于，柱锥型反应器（8）顶部中轴线上有光发生器，由光源（7）和冷阱（6）组成；柱锥型反应器（8）上部为气水分离器（9）；柱锥型反应器（8）中部（光发生器之外）有一根导流管（10），通过支架（11）与柱锥型反应器（8）相连；导流管（10）底部中央有一个气体喷射器（13）；柱锥型反应器（8）底部有进液口（1）和搅拌器（15）；柱锥型反应器（8）外部一侧有气相循环支线，通过管线依次连接补气口（2）、气体增压泵（3）、气体分配器（4）、出气口（5），另一侧有液固相循环支线，通过管线依次连接催化剂捕集器（12）、散热器（13）。

一种光催化分解水制氢装置，其特征为光发生器由光源和冷阱两部分组成。光源为高压汞灯、高压氙灯或LED灯，根据反应体系、催化剂、反应条件的差异调整；灯的数量根据反应器的尺寸调节。冷阱的功能是将光源产生的热量转移走，确保系统连续运行。

一种光催化分解水制氢装置，其特征为气水分离器为丝网式、旋转叶片式或挡板式。气水分离器的功能是将气相中夹带的液相分离出来，气相经气体分配器排出或返回反应器，液体则全部返回反应器。

一种光催化分解水制氢装置，其特征为导流管直径与柱锥型反应器直径之比为0.4～0.8，导流管长度与柱锥型反应器高度之比为0.2～0.6。导流管的壁厚在1 cm～2 cm之间。导流管壁上可以开设若干小孔，孔径在3mm～5mm之间，孔隙率在30%～60%之间。

一种光催化分解水制氢装置，其特征为通过补气口预先加入氢气或氧气，补入气量与柱锥反应器体积之比为0.05～0.15。反应开始前需先补入适量的气体，用于驱动气体喷射器，而反应开始后，由于反应器为密闭型，除部分以产品的形式排出，其余可循环使用。当所需产品为纯氢气时，需预先补入氢气；当所需产品为布朗气（氢气与氧气体积比为2），需预先补充氧气。

一种光催化分解水制氢装置，其特征为通过气体分配器调节排出气体与返回气体的比例，两者之比为0.1～0.4。返回气体量大时，可以适当降低气体增压泵的输出，以确保气体喷射器的稳定运行，反之亦然。

一种光催化分解水制氢装置，其特征为散热器为板式、翅片式或管壳式。固液相循环支线将部分反应液带出反应器，在催化剂捕集器处收集、再生或补充催化剂，在散热器处释放反应产生的热量，确保反应稳定进行。必要时，也可通过散热器加热反应液。

一种光催化分解水制氢装置，其特征为气体喷射器为文丘里型。通过气体增压泵产生高压，经文丘里管射流产生负压，牵引带有催化剂颗粒的液相流动；同时，由于喷射作用使得催化剂颗粒，特别是纳米尺度的颗粒均匀分散。

本发明的有益效果如下：（1）本发明在流态化光催化反应器的基础上引入了气体喷射器和导流筒，前者使催化剂分散均匀的同时减少了磨损，后者改善了反应器内固液流动状况和光传递路径；（2）本发明具有生产过程连续、装置紧凑、易于放大、光能利用率高、单位催化剂产量高等优点，特别适合于光催化分解水制氢过程；（3）本发明不仅可用于可见光催化还原水制取氢气，还可用于其它光化学反应，具有广阔的应用前景。

附图说明

附图为本发明的光催化分解水制氢装置的结构示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：1—进液口，2—补气口，3—气体增压泵，4—气体分配器，5—排气口，6—冷阱，7—光源，8—柱锥型反应器，9—气水分离器，10—导流管，11—支架，12—催化剂捕集器，13—散热器，14—气体喷射器，15—搅拌器。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

本发明提供制氢装置的实际操作过程：（1）准备阶段：① 预先向柱锥型反应器内装入乙二醇溶液，向催化剂捕集器内装入纳米TiO₂颗粒；② 将反应器及整套装置内部残留空气抽空并确保装置处于密闭状态；③ 充入氢气；（2）反应初始期：④ 关闭气体分配器将全部气体用于循环，打开气体增压泵，通过喷射氢气在气体喷射器内产生负压，并将催化剂逐步带入反应器内（导流管区）；⑤ 待液固相循环支线运行稳定后，打开高压汞灯，开始反应（3）反应稳定期；⑥ 反应稳定后，反应器内压力开始上升，此时可以排出适量的氢气（产品），但要确保喷射器稳定运行。

Claims

1.一种光催化分解水制氢装置，其特征在于，柱锥型反应器（8）顶部中轴线上有光发生器，由光源（7）和冷阱（6）组成；柱锥型反应器（8）上部为气水分离器（9）；柱锥型反应器（8）中部（光发生器之外）有一根导流管（10），通过支架（11）与柱锥型反应器（8）相连；导流管（10）底部中央有一个气体喷射器（13）；柱锥型反应器（8）底部有进液口（1）和搅拌器（15）；柱锥型反应器（8）外部一侧有气相循环支线，通过管线依次连接补气口（2）、气体增压泵（3）、气体分配器（4）、出气口（5），另一侧有液固相循环支线，通过管线依次连接催化剂捕集器（12）、散热器（13）。

2.根据权利要求1所述的一种光催化分解水制氢装置，其特征为光源为高压汞灯、高压氙灯或LED灯。

3.根据权利要求1所述的一种光催化分解水制氢装置，其特征为气水分离器为丝网式、旋转叶片式或挡板式。

4.根据权利要求1所述的一种光催化分解水制氢装置，其特征为导流管直径与柱锥型反应器直径之比为0.4～0.8，导流管长度与柱锥型反应器高度之比为0.2～0.6。

5.根据权利要求1所述的一种光催化分解水制氢装置，其特征为通过补气口预先加入氢气或氧气，补入气量与柱锥反应器体积之比为0.05～0.15。

6.根据权利要求1所述的一种光催化分解水制氢装置，其特征为通过气体分配器调节排出气体与返回气体的比例，两者之比为0.1～0.4。

7.根据权利要求1所述的一种光催化分解水制氢装置，其特征为散热器为板式、翅片式或管壳式。

8.根据权利要求1所述的一种光催化分解水制氢装置，其特征为气体喷射器为文丘里型。

9.权利要求1～8中任一项所述的装置的应用，其特征在于，用于光催化分解水制氢。