CN107235536B - 一种简易光电催化降解设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种简易光电催化降解设备，该设备包括：箱体，箱体左右两端设有开口，箱体由有机玻璃制成，箱体的内部从上而下设有若干个电极层，每个电极层从上而下依次包括光催化剂半导体涂层、有机玻璃基底、铂丝电极和光照灯，箱体的两端开口处设有连接管，连接管由有机玻璃制成，连接管为圆筒形，连接管的外侧面设有太阳能电池板和蓄电池板，箱体的上箱壁内侧由外而内也设有铂丝电极和光照灯，箱体的下箱壁内侧设有光催化剂半导体涂层，光催化剂半导体涂层、铂丝电极、光照灯均与蓄电池板通过导线连接。本发明的设备结构简单；成本极低；对有机物的降解效率高。

Description

一种简易光电催化降解设备

技术领域

本发明涉及绿色化工生产领域、自来水净化领域以及空气净化领域，具体涉及一种简易光电催化降解设备。

背景技术

工业废水中的污染物成分种类复杂、毒性大且气味重，如果未经处理排入湖水、河流或下水系统中，会对生活用自来水系统造成严重的污染。据调查，我国已有约50％的水源被污染。国内98％的自来水公司依然采用传统的净水工艺，一般对自来水进行沉淀、消毒、过滤处理，可以有效的祛除自来水中的沉淀物和有害微生物，然而工业废水中具有毒性且气味重的有机物质和重金属粒子，依靠传统净水工艺对这些污染物不能达到很好的处理效果，当人们饮用自来水时污染物会在人体内累积，对人们的身体健康造成危害，甚至致癌。鉴于中国水污染亟需处理的问题，些许研发团队和公司已提出了对有机物和重金属粒子进行处理的方法：有的工厂直接采用臭氧或过氧水处理废水以消除有机污染物，但这种方法对臭氧或过氧水的需求极大，原料成本非常高，且处理效率较低，目前只有很少的发达国家对自来水进行该种氧化处理；有的工厂通过微生物对水质进行处理以消除有机物，该种方法由于微生物易培养相比前者成本较低，但适用范围很小，不同的微生物对水质的pH、温度、物质成分有很大的要求，苛刻的环境要求和对高毒性有机物降解低效限制了微生物降解的普遍使用。另外，每年冬天，雾霾席卷中国，PM2.5颗粒中的污染气体对人们的危害已不亚于污水对人们的危害，然而市面上的室内空气净化器几乎都没有考虑室内室外的空气交换，经常使室内氧含量下降。

目前，我国极力主张使用可再生能源，而太阳为地球提供的能量几乎是无穷无尽的，同时光催化降解领域的开发研究已取得了些许突破性的进展，但直接使用光催化技术，光生空穴和光生电子会快速复合，降解效率低，而为光催化剂半导体加偏压电流可以有效抑制光生载流子复合，因此开发一种将太阳能与光电催化技术结合且应用于废水净化或空气净化领域的简易光电催化降解设备是非常必要的。

发明内容

本发明提供一种简易光电催化降解设备，可以解决现有技术中的上述问题。

本发明提供了一种简易光电催化降解设备，包括：箱体，所述箱体左右两端设有开口，所述箱体由有机玻璃制成，所述箱体的内部从上而下设有若干个电极层，每个所述电极层从上而下依次包括光催化剂半导体涂层、有机玻璃基底、铂丝电极和光照灯，所述箱体的两端开口处设有连接管，所述连接管由有机玻璃制成，所述连接管为圆筒形，所述连接管的外侧面设有太阳能电池板和蓄电池板，所述箱体的上箱壁内侧由外而内也设有铂丝电极和光照灯，所述箱体的下箱壁内侧设有光催化剂半导体涂层，所述光催化剂半导体涂层、铂丝电极和光照灯均与蓄电池板通过导线连接。

较佳地，所述箱体内还设有导线盒。

较佳地，所述箱体和连接管之间以流线型结构相接。

较佳地，所述光催化剂半导体涂层的材料为透明可见光催化材料。

较佳地，所述光照灯为氙灯。

较佳地，所述连接管的外端设有法兰。

较佳地，所述连接管内设有换气扇

较佳地，所述太阳能电池板位于所述连接管的外侧面的上半部分，所述蓄电池板位于所述连接管的外侧面的下半部分。

与现有技术相比，本发明提供的简易光电催化降解设备具有以下有益效果：

(1)该简易光电催化降解设备结构简单，仅由管道和箱体两部分组成；使用安装方便，且不占额外的空间；

(2)该简易光电催化降解设备成本极低，几乎一劳永逸。由于光催化半导体的空穴和电子都产生于自身内部，其自身并不会发生损耗，本质上氧化所需的能量都是由太阳能和电能提供，而该设备所需的电能也是由太阳能电池板吸收太阳能后提供，因此该设备唯一的消耗品是太阳能。

(3)该简易光电催化降解设备对有机物的降解效率高。由于光催化半导体涂层可以在溶液中形成强氧性的羟基自由基(·OH)、超氧离子自由基(·O^2-)和空穴可以有效地将有机物、有毒气体降解，并将部分毒性重金属粒子氧化。光生电子具有还原性，可以还原部分重金属粒子，进而再沉积回收。

附图说明

图1为本发明的简易光电催化降解设备的正视图；

图2为本发明的简易光电催化降解设备的左视图；

图3为本发明的电极层的结构示意图。

附图标记说明：

1.箱体，1-1.连接管，2.电极层，2-1.光催化剂半导体涂层，2-2.有机玻璃基底，2-3.铂丝电极，2-4.光照灯，3.太阳能电池板，4.蓄电池板，5.换气扇。

具体实施方式

下面结合附图1-3，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种简易光电催化降解设备，如图1所示，包括箱体1，所述箱体1左右两端设有开口，所述箱体1由有机玻璃制成，其透明度高，可透过92％以上的太阳光，并且力学性能和化学稳定性良好，可以适用于酸碱以及强氧化环境。所述箱体1的内部从上而下设有若干个电极层2，如图3所示，每个所述电极层2从上而下依次包括光催化剂半导体涂层2-1、有机玻璃基底2-2、铂丝电极2-3和光照灯2-4，所述箱体1的两端开口处设有连接管1-1，所述连接管1-1由有机玻璃制成，所述连接管1-1为圆筒形，所述连接管1-1的外侧面设有太阳能电池板3和蓄电池板4，其中的太阳能电池板3用以将太阳能转化为电能进而为光电催化的进行和光照灯的工作提供电流偏压和能量；由于太阳能电池板3对电能的存储效果不太理想，所以需要用蓄电池板4储存太阳能电池板3转换的电能，在整个光催化电路中充当低压电源。将太阳能电池板3和蓄电池板4套于该设备的连接管1-1部分，既不会阻挡该设备箱体1部分所需的太阳能，又充分利用了连接管1-1部分的空间。所述箱体1的上箱壁内侧由外而内也设有铂丝电极2-3和光照灯2-4，所述箱体1的下箱壁内侧设有光催化剂半导体涂层2-1，所述光催化剂半导体涂层2-1、铂丝电极2-3和光照灯2-4均与蓄电池板4通过导线连接。

进一步地，所述箱体1内还设有导线盒，导线盒中的导线输入端与蓄电池板4相接，输出端分别与光催化剂半导体涂层2-1、铂丝电极2-3、光照灯2-4相接。可选地，与光照灯2-4相接的导线中间连有光感开关，当白天太阳光充足时，光照灯2-4停止不必要的工作，而晚上没有太阳光时，光感开关闭合，光照灯2-4开始工作，进而光催化半导体涂层2-1在光照灯2-4和电流的作用下继续工作，使该设备不会因为光照不足而停止工作，更适合于污水净化及空气净化领域。

进一步地，所述箱体1和连接管1-1之间以流线型结构相接，可以有效地减慢管道中废液或空气的流速，使待处理流体可以较长时间的在箱体1内流动，充分被氧化还原，并且减少了由于流体流速下降引起的对箱体1的冲击，提高该设备的工作寿命。

进一步地，所述光催化剂半导体涂层2-1的材料为透明可见光催化材料。

进一步地，所述光照灯2-4为氙灯，可以在夜间很好的模拟太阳光，并且所需的直流电压低，可以很好的应用于该设备。

进一步地，所述连接管1-1的外端设有法兰，通过法兰和排污管道或自来水管道连接，从而用于污水处理。法兰的安装能够保证废液或自来水在该设备中的密封性，相比其它密封方式，法兰密封成本低，密封效果达标，且应用方便，既可装于排污管道的中间，又可装于排污管道的一端，即装即用。

进一步地，如图2所示，所述连接管1-1内设有换气扇5，这样便可以用于空气净化，由换气扇5交换室内外空气，即可保证室内空气氧气充足，又可保证进入室内气体的质量。

进一步地，所述太阳能电池板3位于所述连接管1-1的外侧面的上半部分，所述蓄电池板4位于所述连接管1-1的外侧面的下半部分。最大程度地布置太阳能电池板3，合理地布置蓄电池板4，有利于能量的吸收、转化和储存，确保设备用电。

有机玻璃基底2-2的上表面涂有光催化剂半导体涂层2-1，下表面镶嵌有铂丝电极2-3和光照灯2-4。上面一层电极层2上的铂丝电极2-3和下面一层电极层2上的光催化剂半导体涂层2-1分别充当光催化反应的阴极和阳极。光催化剂半导体涂层2-1的材料选用透明的可见光催化材料，透明的半导体材料会使太阳光照射于箱体1的底部，使整个箱体1进行光催化氧化反应，可以大大提高该设备对有机污染物、有毒气体和重金属粒子的氧化还原率；而可见光占太阳能总发射量的50％，紫外光只占7％，充分利用太阳可见光能即可利用太阳50％的能量，因此选用了可见光催化材料，符合条件的透明可见光催化材料有BiVO₄、Ta₃N₅等。铂丝电极2-3的可见光透光性好且有良好的导电性和一定的催化活性，可以与光催化剂半导体涂层2-1共同工作促进光催化氧化的进行。与单独使用光催化半导体相比，将光催化半导体与铂丝电极结合使用，为两者通以低压电流，使两者之间形成电流偏压，后者可以明显地抑制光生空穴与光生电子的快速复合，大大提高催化氧化的效率。

本发明工作原理：太阳光照射该设备连接管1-1部分的太阳能电池板3，太阳能电池板3将光能转化为电能，进而电能通过导线传递到蓄电池板4储存起来，蓄电池板4充当低压电源为箱体1部分提供低压电流。光照灯2-4照射于该设备箱体1部分时，光催化半导体涂层2-1在光能的激发下，将引起光催化半导体涂层材料内部的价带和导带电荷分离，光催化剂半导体的价带生成空穴，光激发的电子位于导带。进一步为光催化剂半导体涂层2-1和铂丝电极2-3通电形成偏压，空穴与光生电子之间的复合明显减慢，可以有效提高光催化效率。价带的空穴将吸附在催化剂表面的OH^-和水氧化为羟基自由基(·OH)，而污水中的溶解氧和空气中的氧气俘获电子会形成超氧离子自由基(·O^2-)，光电催化形成的这两张基团和空穴都带有强氧化性，可将有机物、有毒气体和部分重金属粒子氧化分解；另外，光生电子具有较强的还原性，可以还原部分有毒重金属粒子，但发生还原反应的前提是导带电子的能量小于M⁺/M转化的能量，该设备通过光电催化氧化还原反应最终可实现污水以及空气的净化。

本发明的设备的催化氧化反应可以降解大多数有机物，如：农药、含油废水、表面活性剂、染料等。其中，废液pH值不在3附近或有机物含C-H键时，有机物的降解主要受光催化氧化生成的·OH自由基影响，·OH自由基可以将有机物的C-H键去氢，使C-H键断裂，将有机物氧化为CO₂和H₂O，例如：卤代芳香烃、二羟基苯乙醇等；废液pH值约为3或有机物中不含C-H键时催化氧化的进程主要由空穴直接影响，例如三氯乙酸、乙二酸和苯二酚等；部分有机物同时受·OH自由基和空穴的氧化影响，如：4-羟基苯乙醇。

本发明的设备的催化氧化还原反应可以处理多数毒性金属粒子，通过氧化反应祛除金属离子，例如：Pb²⁺、Mn²⁺、Ti⁺等；通过还原反应祛除毒性重金属粒子，例如：强毒性的Cr^{6 +}还原为无毒的Cr³⁺，Hg²⁺可以还原为单质汞再沉积回收等。

本发明的设备的催化氧化还原反应可以处理多数有毒性气体，对大气中的含碳化合物、甲苯、甲醛、氮氧化合物都有很好的分解效果。

本发明提供的简易光电催化降解设备具有以下有益效果：

(1)该简易光电催化降解设备结构简单，仅由管道和箱体两部分组成；使用安装方便，且不占额外的空间；

(2)该简易光电催化降解设备成本极低，几乎一劳永逸。由于光催化半导体的空穴和电子都产生于自身内部，其自身并不会发生损耗，本质上氧化所需的能量都是由太阳能和电能提供，而该设备所需的电能也是由太阳能电池板吸收太阳能后提供，因此该设备唯一的消耗品是太阳能。

(3)该简易光电催化降解设备对有机物的降解效率高。由于光催化半导体涂层可以在溶液中形成强氧性的羟基自由基(·OH)、超氧离子自由基(·O^2-)和空穴可以有效地将有机物、有毒气体降解，并将部分毒性重金属粒子氧化。光生电子具有还原性，可以还原部分重金属粒子，进而再沉积回收。

以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种简易光电催化降解设备，其特征在于，包括：箱体（1），所述箱体（1）左右两端设有开口，所述箱体（1）由有机玻璃制成，所述箱体（1）的内部从上而下设有若干个电极层（2），每个所述电极层（2）从上而下依次包括光催化剂半导体涂层（2-1）、有机玻璃基底（2-2）、铂丝电极（2-3）和光照灯（2-4），所述箱体（1）的两端开口处设有连接管（1-1），所述连接管（1-1）由有机玻璃制成，所述连接管（1-1）为圆筒形，所述连接管（1-1）的外侧面设有太阳能电池板（3）和蓄电池板（4），所述箱体（1）的上箱壁内侧由外而内也设有铂丝电极（2-3）和光照灯（2-4），所述箱体（1）的下箱壁内侧设有光催化剂半导体涂层（2-1），所述光催化剂半导体涂层（2-1）、铂丝电极（2-3）和光照灯（2-4）均与蓄电池板（4）通过导线连接；

所述光催化剂半导体涂层（2-1）的材料为透明可见光催化材料，所述透明可见光催化材料为BiVO₄或Ta₃N₅。

2.如权利要求1所述的简易光电催化降解设备，其特征在于，所述箱体（1）内还设有导线盒。

3.如权利要求1所述的简易光电催化降解设备，其特征在于，所述箱体（1）和连接管（1-1）之间以流线型结构相接。

4.如权利要求1-3任一所述的简易光电催化降解设备，其特征在于，所述光照灯（2-4）为氙灯。

5.如权利要求1-3任一所述的简易光电催化降解设备，其特征在于，所述连接管（1-1）的外端设有法兰。

6.如权利要求1-3任一所述的简易光电催化降解设备，其特征在于，所述连接管（1-1）内设有换气扇（5）。

7.如权利要求1-3任一所述的简易光电催化降解设备，其特征在于，所述太阳能电池板（3）位于所述连接管（1-1）的外侧面的上半部分，所述蓄电池板（4）位于所述连接管（1-1）的外侧面的下半部分。

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