CN110510715B - 一种光驱动电容去离子的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于水处理技术领域，涉及一种光驱动电容去离子的装置和方法。本发明以传统FCDI为基础，即利用洁净的导电材料为集流体基底，采用涂覆法、浸渍‑提拉法或喷涂法对集流体基底进行光催化剂的负载，进而将光源产生的光能转化为电能，驱动阴离子向阳极移动和阳离子向阴极移动，使得离子从溶液中分离出来，不仅可以对水处理室内的溶液进行净化，还可以节约能源，减少环境污染。

Description

一种光驱动电容去离子的装置和方法
技术领域
本发明属于水处理技术领域，涉及一种光驱动电容去离子的装置和方法。
背景技术
随着我国经济的快速发展和产业规模的迅速扩大，工业能耗和工业排放急剧增加导致严重的能源短缺和自然环境的恶化，为解决这两个问题，寻找一种可持续的清洁能源已成为一项极为重要的任务，而太阳能正好符合这两个要求。太阳能以其储量巨大，绿色可循环的特性，成为了一种理想的能源。光催化是利用光能和半导体催化剂驱动化学反应的物理化学过程，不仅能将太阳能转化为方便贮存的氢能和电能，还能进行燃料生产、环境修复、人工光合作用、微生物消毒等。这一反应完全由自然光、环境大气驱动，因此没有任何化学废物，具有极高的研究价值。
目前，在低、中盐度咸水淡化技术中，人们对流动电极电容去离子化(FCDI)的使用特别感兴趣，它是越来越流行的电容去离子化方法的变体之一。FCDI是基于作为电极的带电悬浮液中所形成的双电层(EDLs)对盐水中的离子进行分离。其对于苦咸水淡化具有独特的优势，包括良好的除盐能力、连续的淡化操作以及电极的同时再生，还可能从废水中收获有价值的产品。众所周知，该技术目前均以电能为驱动源被研究，使得其存在一定能耗问题，若将光催化与电容去离子技术进行结合，不仅可以节约能源和解决环境污染问题，而且不会产生二次污染。因此提出了一种光驱动电容去离子的装置和方法。
发明内容
本发明的目的是使用清洁能源作为驱动源，对水处理室内的溶液进行净化，提供一种光驱动电容去离子的装置和方法。
为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
本发明一方面提供了一种电容去离子装置用集流体，所述集流体为负载光催化剂的集流体。
上述技术方案中，所述集流体负载光催化剂的单位面积负载量为0.05～200mg/cm2。
上述技术方案中，所述集流体为阳极集流体时，所负载的光催化剂为TiO2，ZnO，WO3，TaON，Ta3N5，BiVO4，α-Fe2O3，g-C3N4；所述集流体为阴极集流体时，所负载的光催化剂为Cu2O，Sb2Se3，GaAs，Si，CaP，CdS，InP。
上述技术方案中，所述集流体的制备方法为以涂覆法、浸渍-提拉法、喷涂法将光催化剂负载在集流体基底上。
上述技术方案中，所述集流体的制备方法包括以下步骤：
(1)预处理：
将集流体基底用0.1-5mol/L的盐酸水溶液超声3-60min，丙酮、乙醇、去离子水分别超声10-60min进行预处理，并在25-100℃下干燥3-24h后备用；
(2)溶液的配制：
a.将一种或多种光催化剂分散于去离子水，甲醇或乙醇中的一种溶剂中，均匀搅拌10～100min，超声5～60min，形成浓度为0.1～5:200～1000(g:mL)的所需溶液；或
b.将一种或多种光催化剂溶于浓度为1:40～400(g:mL)的聚偏氟乙烯(PVDF)的N，N-二甲基乙酰胺，N，N-二甲基甲酰胺，N-甲基吡咯烷酮，二甲基亚砜，磷酸三乙酯，磷酸三甲酯，丙酮，四氢呋喃，甲基乙基酮或四甲基脲的溶液中，均匀搅拌4～24h，形成光催化剂与PVDF的质量比为4～20:1的所需溶液；
(3)催化剂的负载：
利用涂覆机、提拉机或喷枪将步骤(2)中得到的溶液负载在步骤(1)中洁净集流体基底上，置于30～100℃的真空干燥箱中干燥4～24h至恒重，即得到负载光催化剂的集流体，催化剂单位面积负载量为0.05～200mg/cm2。
本发明另一方面提供了一种光驱动电容去离子装置，所述装置包括前述集流体。
上述光驱动电容去离子装置，具体的，所述装置包括水处理室，阳离子交换膜，阴离子交换膜，流动电极室，阴极集流体，阳极集流体，有机玻璃端板；阳极集流体为前文所述集流体，或阴极集流体为前文所述集流体，或阴、阳两极集流体均为前文所述集流体。
本发明第三方面提供了一种光驱动电容去离子的方法，所述方法为使用上述光驱动电容去离子装置，同时以光源照射集流体，驱动离子移动。
上述光驱动电容去离子的方法，具体的，所述光源为太阳光、可见光或紫外光，所述光源在光驱动电容去离子装置处的光强为10～300mW/cm2。
本发明的有益效果：
本发明提供了一种新的负载光催化剂的集流体，包含该集流体的光驱动电容去离子装置将光源所产生的光能转化为电能，对电容去离子装置进行驱动，对水处理室内的溶液进行净化，提高了去除效率，同时使用光源为驱动源还可以节约能源，减少环境污染。
附图说明
图1本发明光驱动电容去离子装置示意图；1.0.水处理室，1.1a.阳离子移动方向，1.1b.阴离子移动方向，1.2a.阳离子交换膜，1.2b.阴离子交换膜，1.3.流动电极室，1.4a.阴极集流体，1.4b.阳极集流体，1.5.有机玻璃端板，1.6.水流方向。
具体实施方式
下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。下述实施例中所述试验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。
一种光驱动电容去离子的装置，包括水处理室，阳离子交换膜，阴离子交换膜，流动电极室，阴极集流体，阳极集流体，有机玻璃端板；所述装置使用时，以光源照射，光源为太阳光或可见光源或紫外光源；光源在装置处的光强为10～300mW/cm2；阳极集流体为负载光催化剂的集流体，或阴极集流体为负载光催化剂的集流体，或阴、阳两极集流体均为负载光催化剂的集流体。集流体的基底所用原料为钛、镍、铜、铁、铝、银、铅中的纯金属或合金、不锈钢、碳布、石墨板、石墨纸、导电玻璃。阳极集流体所负载的光催化剂为TiO2，ZnO，WO3，TaON，Ta3N5，BiVO4，α-Fe2O3，g-C3N4，阴极集流体所负载的光催化剂为Cu2O，Sb2Se3，GaAs，Si，CaP，CdS，InP。集流体负载催化剂的方法为涂覆法、浸渍-提拉法、喷涂法。
负载光催化剂的步骤为：
(1)预处理：
将集流体基底用0.1-5mol/L的盐酸水溶液超声3-60min，丙酮、乙醇、去离子水分别超声10-60min进行预处理，并在25-100℃下干燥3-24h后备用；
(2)溶液的配制：
a.将一种或多种光催化剂分散于去离子水，甲醇或乙醇中的一种溶剂中，均匀搅拌10～100min，超声5～60min，形成浓度为0.1～5:200～1000(g:mL)的所需溶液；或
b.将一种或多种光催化剂溶于浓度为1:40～400(g:mL)的聚偏氟乙烯(PVDF)的N，N-二甲基乙酰胺，N，N-二甲基甲酰胺，N-甲基吡咯烷酮，二甲基亚砜，磷酸三乙酯，磷酸三甲酯，丙酮，四氢呋喃，甲基乙基酮或四甲基脲的溶液中，均匀搅拌4～24h，形成光催化剂与PVDF的质量比为4～20:1的所需溶液；
(3)催化剂的负载：
利用涂覆机、提拉机或喷枪将步骤(2)中得到的溶液负载在步骤(1)中洁净集流体基底上，置于30～100℃真空干燥箱中干燥4～24h至恒重，即得到负载催化剂的集流体，催化剂单位面积负载量为0.05～200mg/cm2。
一种光驱动电容去离子的方法，所述方法为对传统FCDI装置的阳极集流体负载光催化剂，或对阴极集流体负载光催化剂，或对阴、阳两极集流体均负载光催化剂，负载光催化剂的方法同上，然后利用流动电极为1-200g/L的活性炭溶液，作为驱动源的光源透过端板照射到集流体上，驱动离子移动，使得水处理室中的溶液得以净化。
实施例1
一种光驱动电容去离子的装置，包括水处理室，阳离子交换膜，阴离子交换膜，流动电极室，阴极集流体，阳极集流体，有机玻璃端板；阳极集流体为负载TiO2催化剂的集流体，阴极集流体为未负载催化剂的集流体，集流体基底为泡沫镍。
负载催化剂的方法为：
(1)将作为集流体基底的泡沫镍，用1.0mol/L的盐酸水溶液超声5min，丙酮、乙醇、去离子水分别超声15min进行预处理，并在60℃下干燥6h后备用，记为NF0；
(2)将聚偏氟乙烯(PVDF)溶于N，N-二甲基乙酰胺中，均匀搅拌30min，形成浓度为1:120(g:mL)的溶液，按与PVDF质量比为9:1，加入TiO2，均匀搅拌5h，形成所需溶液；
(3)利用涂覆机将步骤(2)中得到的混合物涂覆在步骤(1)中洁净集流体基底上，置于60℃真空干燥箱中干燥12h至恒重，即得到负载催化剂的阳极集流体NF1，催化剂单位面积负载量为100mg/cm2，阴极集流体为步骤(1)中经预处理后所得的洁净集流体NF0。
用螺丝、螺母依次对有机玻璃端板、集流体NF0、流动电极室、阳离子交换膜、水处理室、阴离子交换膜、流动电极室、集流体NF1、有机玻璃端板进行组装，并利用10g/L活性炭溶液作为流动电极，在紫外光源照射下(装置处测得光强为100mW/cm2)，对50mL的浓度为1.0g/L的NaCl水溶液进行循环处理，室温下测试，经过120min循环处理后，盐浓度为0.720g/L，而未负载催化剂的纯泡沫镍作为集流体所进行的实验，盐浓度降为0.961g/L，说明该装置可以将紫外光用作驱动力进行水处理，并提高去除率。
实施例2
一种光驱动电容去离子的装置，包括水处理室，阳离子交换膜，阴离子交换膜，流动电极室，阴极集流体，阳极集流体，有机玻璃端板；阴极集流体为负载CdS催化剂的集流体，阳极集流体为未负载催化剂的集流体，集流体基底为钛网。
负载催化剂的方法为：
(1)将作为集流体基底的钛网，用3mol/L的盐酸水溶液超声2min，丙酮、乙醇、去离子水分别超声50min进行预处理，并在50℃下干燥12h后备用，记为Ti0；
(2)将CdS分散于去离子水中，均匀搅拌100min，超声50min，形成质浓度为0.1:300(g:mL)的所需溶液；
(3)利用喷枪将步骤(2)中得到的水溶液喷涂在步骤(1)中洁净集流体基底上，置于100℃真空干燥箱中干燥10h至恒重，即得到负载催化剂的阴极集流体Ti1，催化剂单位面积负载量为1mg/cm2，阳极集流体为步骤(1)中经预处理后所得的洁净集流体Ti0。
用螺丝、螺母依次对有机玻璃端板、集流体Ti1、流动电极室、阳离子交换膜、水处理室、阴离子交换膜、流动电极室、集流体Ti0、有机玻璃端板进行组装，并利用10g/L活性炭溶液作为流动电极，在可见光源照射下(装置处测得光强为250mW/cm2)，对50mL的浓度为1.0g/L的CaCl2水溶液进行循环处理，室温下测试，经过120min循环处理后，盐浓度为0.712g/L，而未负载催化剂的纯钛网作为集流体所进行的实验，盐浓度降为0.972g/L，说明该装置可以将可见光用作驱动力进行水处理，并提高去除率。
实施例3
一种光驱动电容去离子的装置，包括水处理室，阳离子交换膜，阴离子交换膜，流动电极室，阴极集流体，阳极集流体，有机玻璃端板；阳极集流体为负载g-C3N4催化剂的集流体，阴极集流体为未负载催化剂的集流体，集流体基底为导电玻璃。
负载催化剂的方法为：
(1)将作为集流体基底的导电玻璃，用0.5mol/L的盐酸水溶液超声10min，丙酮、乙醇、去离子水分别超声10min进行预处理，并在30℃下干燥20h后备用，记为G0；
(2)将g-C3N4分散于甲醇中，均匀搅拌30min，超声30min，形成质浓度为0.1:300(g:mL)的所需溶液；
(3)利用提拉机将步骤(2)中得到的溶液负载在步骤(1)中洁净集流体基底上，置于60℃真空干燥箱中干燥12h至恒重，即得到负载催化剂的阳极集流体G1，催化剂单位面积负载量为150mg/cm2，阴极集流体为步骤(1)中经预处理后所得的洁净集流体G0。
用螺丝、螺母依次对端板、集流体G0、流动电极室、阳离子交换膜、水处理室、阴离子交换膜、流动电极室、集流体G1、端板进行组装，并利用10g/L活性炭溶液作为流动电极，在可见光源照射下(装置处测得光强为50mW/cm2)，对50mL的浓度为1.0g/L的Na2SO4水溶液进行循环处理，室温下测试，经过120min循环处理后，盐浓度为0.713g/L，而未负载催化剂的导电玻璃作为集流体所进行的实验，盐浓度降为0.986g/L，说明该装置可以将可见光用作驱动力进行水处理，并提高去除率。
实施例4
一种光驱动电容去离子的装置，包括水处理室，阳离子交换膜，阴离子交换膜，流动电极室，阴极集流体，阳极集流体，有机玻璃端板；阳极集流体为负载TiO2催化剂的集流体，阴极集流体为负载CdS催化剂的集流体，集流体基底为泡沫铁。
负载催化剂的方法为：
(1)将作为集流体基底的泡沫铁，用0.3mol/L的盐酸水溶液超声30min，丙酮、乙醇、去离子水分别超声10min进行预处理，并在70℃下干燥5h后备用，记为Fe0；
(2)将TiO2光催化剂分散于去离子水中，均匀搅拌10min，超声60min，形成质浓度为5:800(g:mL)的所需溶液；
(3)利用喷枪将步骤(2)中得到的混合物涂覆在步骤(1)中洁净集流体基底上，置于40℃真空干燥箱中干燥18h至恒重，即得到负载催化剂的阳极集流体Fe11，催化剂单位面积负载量为50mg/cm2；
(4)阴极集流体负载催化剂即为重复步骤(1)～(3)，将TiO2替换为CdS，得到负载催化剂的阴极集流体，即得到负载催化剂的阴极集流体Fe12，催化剂的单位面积负载量为50mg/cm2。
用螺丝、螺母依次对端板、集流体Fe12、流动电极室、阳离子交换膜、水处理室、阴离子交换膜、流动电极室、集流体Fe11、端板进行组装，并利用10g/L活性炭溶液作为流动电极，在太阳光照射下(装置处测得光强为100mW/cm2)，对50mL的浓度为1.0g/L的MgCl2水溶液进行循环处理，室温下测试，经过200min循环处理后，盐浓度为0.813g/L，而未负载催化剂的纯泡沫铁作为集流体所进行的实验，盐浓度降为0.988g/L，说明该装置可以将太阳光用作驱动力进行水处理，水处理过程中不以电源为驱动源，在提高去除率的同时，节约能耗。
实施例5
一种光驱动电容去离子的装置，包括水处理室，阳离子交换膜，阴离子交换膜，流动电极室，阴极集流体，阳极集流体，有机玻璃端板；阳极集流体为负载ZnO和α-Fe2O3催化剂的集流体，阴极集流体为未负载催化剂的集流体，集流体基底为泡沫铜。
负载催化剂的方法为：
(1)将作为集流体基底的泡沫铜，用0.1mol/L的盐酸水溶液超声5min，丙酮、乙醇、去离子水分别超声60min进行预处理，并在40℃下干燥18h后备用，记为Cu0；
(2)将ZnO和α-Fe2O3的光催化剂按比例为1:1分散于去离子水中，均匀搅拌30min，超声50min，形成质浓度为4:500(g:mL)的所需溶液；
(3)利用涂覆机将步骤(2)中得到的溶液涂覆在步骤(1)中洁净集流体基底上，置于50℃真空干燥箱中干燥20h至恒重，即得到负载催化剂的阳极集流体Cu1，催化剂单位面积负载量为90mg/cm2，阴极集流体为步骤(1)中经预处理后所得的洁净集流体Cu0。
用螺丝、螺母依次对有机玻璃端板、集流体Cu0、流动电极室、阳离子交换膜、水处理室、阴离子交换膜、流动电极室、集流体Cu1、有机玻璃端板进行组装，并利用10g/L活性炭溶液作为流动电极，在太阳光照射下(装置处测得光强为50mW/cm2)，对50mL的浓度为1.0g/L的NaCl水溶液进行循环处理，室温下测试，经过250min循环处理后，盐浓度为0.708g/L，而未负载催化剂的纯泡沫铜作为集流体所进行的实验，盐浓度降为0.976g/L，说明该装置可以将太阳光用作驱动力进行水处理，水处理过程中不以电源为驱动源，在提高去除率的同时，节约能耗。
实施例6
一种光驱动电容去离子的装置，包括水处理室，阳离子交换膜，阴离子交换膜，流动电极室，阴极集流体，阳极集流体，有机玻璃端板；阴极集流体为负载Cu2O催化剂的集流体，阳极集流体为未负载催化剂的集流体，集流体基底为碳布。
负载催化剂的方法为：
(1)将作为集流体基底的碳布，用0.3mol/L的盐酸水溶液超声7min，丙酮、乙醇、去离子水分别超声50min进行预处理，并在60℃下干燥14h后备用，记为Cu0；
(2)将聚偏氟乙烯(PVDF)溶于N，N-二甲基乙酰胺中，均匀搅拌80min，形成浓度为1:300(g:mL)的溶液，按与PVDF质量比为30:1，加入Cu2O，均匀搅拌20h，形成所需溶液；；
(3)利用涂覆机将步骤(2)中得到的溶液涂覆在步骤(1)中洁净集流体基底上，置于80℃真空干燥箱中干燥10h至恒重，即得到负载催化剂的阴极集流体CC1，催化剂单位面积负载量为50mg/cm2，阳极集流体为步骤(1)中经预处理后所得的洁净集流体CC0。
用螺丝、螺母依次对有机玻璃端板、集流体CC1、流动电极室、阳离子交换膜、水处理室、阴离子交换膜、流动电极室、集流体CC0、有机玻璃端板进行组装，并利用10g/L活性炭溶液作为流动电极，在可见光照射下(装置处测得光强为200mW/cm2)，对50mL的浓度为1.0g/L的MgSO4水溶液进行循环处理，室温下测试，经过120min循环处理后，盐浓度为0.822g/L，而未负载催化剂的纯碳布作为集流体所进行的实验，盐浓度降为0.988g/L，说明该装置可以将可见光用作驱动力进行水处理，并提高去除率。
对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做任何的简单修改、等同变化及修饰，均应仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (4)

1.一种光驱动电容去离子装置，其特征在于，所述装置包括水处理室，阳离子交换膜，阴离子交换膜，流动电极室，阴极集流体，阳极集流体，有机玻璃端板；所述阳极集流体或阴极集流体或阴、阳两极集流体均为负载光催化剂的集流体；
所述集流体为阳极集流体时，所负载的光催化剂为TiO2、ZnO、WO3、TaON、Ta3N5、BiVO4、α-Fe2O3或g-C3N4；所述集流体为阴极集流体时，所负载的光催化剂为Cu2O、Sb2Se3、GaAs、Si、CaP、CdS或InP；
所述集流体的制备方法为以涂覆法、浸渍-提拉法、喷涂法将光催化剂负载在集流体基底上；
所述集流体的制备方法包括以下步骤：
（1）预处理：
将集流体基底用0.1-5mol/L的盐酸水溶液超声，丙酮、乙醇、去离子水分别超声进行预处理，干燥后备用；
（2）溶液的配制：
a. 将一种或多种光催化剂分散于去离子水，甲醇或乙醇中的一种溶剂中，均匀搅拌10～100min，超声5～60min，形成浓度为0.1～5g:200～1000mL的所需溶液；或
b. 将一种或多种光催化剂溶于浓度为1:40g～400mL的聚偏氟乙烯(PVDF)的N，N-二甲基乙酰胺、N，N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮、二甲基亚砜、磷酸三乙酯、磷酸三甲酯、丙酮、四氢呋喃、甲基乙基酮或四甲基脲的溶液中，均匀搅拌4～24h，形成光催化剂与PVDF的质量比为4～20:1的所需溶液；
(3)催化剂的负载：
利用涂覆机、提拉机或喷枪将步骤(2)中得到的溶液负载在步骤(1)中洁净集流体基底上，干燥至恒重，即得到负载催化剂的集流体，催化剂单位面积负载量为0.05～200mg/cm2。
2.根据权利要求1所述的电容去离子装置，其特征在于，所述集流体负载光催化剂的单位面积负载量为0.05～200mg/cm2。
3.一种光驱动电容去离子的方法，其特征在于，所述方法为使用权利要求1~2任一项所述的光驱动电容去离子装置，同时以光源照射集流体，驱动离子移动。
4.根据权利要求3所述的光驱动电容去离子的方法，其特征在于，所述光源为太阳光、可见光或紫外光，所述光源在光驱动电容去离子装置处的光强为10～300mW/cm2。
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