CN113181843B - 一种耦合磁场/声波场的锯齿形流道聚光光催化制氢系统 - Google Patents

一种耦合磁场/声波场的锯齿形流道聚光光催化制氢系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种耦合磁场/声波场的锯齿形流道聚光光催化制氢系统，包括原料液供给部分、反应条件产生部分，微反应部分、产物测试部分等模块，旨在为提升太阳能到氢能转化效率提供一种磁、声波耦合的方法并探究其内部强耦合机制提供一种适宜的反应系统。其内部设置的锯齿形流道能够为反应液提供一定湍流条件，防止催化剂颗粒团聚和沉降。磁场和声波的大小能通过控制器进行协同调控、“山”字型可旋转支架能够简易调控磁场的方向，聚光强度亦可根据实验条件进行设置。本发明具有新颖、高效、集成度高等优点。

Description

一种耦合磁场/声波场的锯齿形流道聚光光催化制氢系统
技术领域
本发明属于新能源制备领域，具体涉及一种耦合磁场/声波场的锯齿形流道聚光光催化制氢系统。
背景技术
将太阳能清洁、高效、无污染地转化为氢或者碳氢燃料，有望从根本上解决太阳能的规模化利用的瓶颈，事关我国能源战略安全和全球能源话语权。随着我国政策的引导以及大批氢能项目落地实施，氢能技术不断发展，产业体系不断健全。我国氢能领域的发展已加速进入产业化阶段。
但是，目前太阳能到氢能的转化效率仍然在较低水平徘徊，距离美国能源局(DOE)建议的太阳能到氢能的转化效率(STH)到10％即可商业化应用存在很大的差距。目前除了光伏发电的效率还比较高以外，像其他，如光催化、电催化、光电催化的效率都处在相对较低的水平。为了突破太阳能本身固有的局限性，即能流密度低、高度不连续性等，研究人员采用了大量的措施去聚焦太阳能，诸如，复合抛物面聚光器、圆形菲涅尔透镜、半球形反射聚光装置等。与此同时，通过多物理场耦合也能有效的增加太阳能到氢能的转化效率，特别是对具有规则形貌或者有磁性的催化剂纳米颗粒而言，它们往往在“尖端”处会产生电场效应，加速电子-空穴对的分离。对于磁性催化剂而言，电子和空穴会在具有一定规律的顺磁场中产生定向的移动，侧面加速了载流子分离。虽然这些研究方向已经有很多研究人员着手并有所发现，但耦合多物理场的实验装置非常有限，所以非常有必要研发这种能够开展多物理场太阳能制氢的实验装置，便于科研人员深入研究其理论机制并为后续发展提供建设性意见。
发明内容
本发明的目的在于提供一种耦合磁场/声波场的锯齿形流道聚光光催化制氢系统，能够方便科研人员研究在声波场和磁场协同耦合条件下的聚光光催化制氢的耦合机制和最佳工艺，同时，此微反应装置为连续式工作模式，能够降低由装置气密性带来的实验误差，锯齿形流道的设计能够增加催化剂颗粒在流动过程中的扰流程度，具有相对较高的研究价值。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案来实现：
一种耦合磁场/声波场的锯齿形流道聚光光催化制氢系统，包括原料液供给部分、反应条件产生部分、微反应部分以及产物测试部分；
原料液供给部分包括储液罐、设置在储液罐上方的吹扫进气口、吹扫出气口、感温探头、反应液进口管和反应液出口管，设置在储液罐下方的温度和搅拌控制器，与反应液进口管连接的进料流量计、进料管阀门，以及设置在反应液出口管上的出料管阀门；
反应条件产生部分包括设置在微反应器主体下方的侧放支架，其上端设置有微波发生装置和磁铁，磁铁依托于可旋转支架，设置在磁铁下方的有磁波控制器；
微反应部分包括高聚光模拟灯，设置在微反应器主体正上方的高透玻璃，构成微反应器主体的铝合金底座，以及铝合金底座最下方的木头板，设置在微反应器主体中的缓冲腔，设置在高透玻璃正下方的锯齿形流道，设置在高透玻璃周围的上封盖；
产物测试部分包括惰性气瓶，设置在气体进气管上的气体流量计，设置在与微反应器主体相连接的气体出气管，设置在气体出气管上的出气管阀门，与气体出气管连接的气相色谱，设置在气相色谱右侧的信息收集器。
本发明进一步的改进在于，设置在微反应器主体下方的侧放支架呈“几”字型，可旋转支架呈“山”字型。
本发明进一步的改进在于，原料液由光催化剂半导体颗粒悬浮于水溶液中，原料液储存在储液罐中，在反应前，关闭进料管阀门和在反应液出口管上的出料管阀门，采用惰性气体经过吹扫进气口对储液罐进行吹扫，然后经吹扫出气口排出，原料液中放置磁子，磁子在温度和搅拌控制器的作用下以设定转速旋转，防止光催化剂颗粒发生团聚和沉降，其温度通过感温探头检测后传递给温度和搅拌控制器并以负反馈的机制对其进行客观调整。
本发明进一步的改进在于，光催化微反应器主体的实验条件由磁铁和位于磁波控制器上方的微波发生装置进行调控，以提供磁场和声波场的强耦合条件，其相应参数大小值通过磁波控制器根据实验条件进行调整，设置的可旋转支架能够通过旋转调节磁场的方向。
本发明进一步的改进在于，调整位于微反应器主体正上方的高聚光模拟灯提供给反应器主体对应的光源辐射量，其光强大小通过其后部设置的控制器进行调节，最大光强能够达到25个太阳，微反应器主体、铝合金底座以及其下方设置的大小相当的木头板一起浸入在侧放支架上方凹型水槽中，木头板能够提供浮力使得微反应器主体上的高透玻璃暴露在空气中，同时微反应器主体与两个对称放置的磁铁连接线等高。
本发明进一步的改进在于，铝合金底座的左右两侧设置有反应液进口管、反应液出口管，便于原料液的进出，前侧设置有气体进气管用于惰性气体的输运，气体出气管设置在微反应器主体的上方，依据是利用氢气的低密度特性，在检测的过程中加速氢气的排出过程，同时，铝合金底座内部左右两侧设置有缓冲腔，能够在反应原料液流经微反应器主体的过程中提供缓冲减压作用，确保装置整体的气密性稳定。
本发明进一步的改进在于，高透玻璃的正下方设置有与其面积一样的锯齿型流道，主要作用是当含有催化剂颗粒的反应液流体经过此区域时，能够为原料液流体提供一定的扰流效果，避免此过程中催化剂颗粒的自由沉降，同时，锯齿形状有利于高聚光模拟灯辐射光线的多次反射和折射，从而提高催化剂颗粒对模拟光的整体利用效率，微反应器主体中的上封盖与铝合金底座通过八个螺栓对称装配，密封性好，也便于拆卸、组装。
本发明进一步的改进在于，聚光光催化制氢反应进行时，设置在气体进气管上的气体流量计和设置在气体出气管上的出气管阀门处于关闭状态，只有进料管阀门和出料管阀门处于打开状态，在采集测试气体的过程中，气体流量计和出气管阀门处于打开状态，进料管阀门和出料管阀门处于关闭状态，这样一段时间内产生的氢气能够在来自惰性气瓶的惰性气体的携带作用下送至气相色谱，并在右侧的信息收集器上的得到其准确含量，继而计算其平均产氢速率。
相对现有技术，本发明具有如下有益的技术效果：
本发明为新型的除了对光有响应之外，对磁场和声波场都有响应的半导体光催化剂提供较为适宜的反应及测试平台，为研究人员更好的研究多物理场耦合条件下的太阳能制氢的内在机理机制提供研究手段并为以后的研究提出指导性意见。
进一步，微反应器主体内部设置有缓冲槽，能够在反应原料液流经微反应器主体的过程中提供一定的缓冲减压作用，类似“阻尼器”的效果，确保微小装置整体的气密性稳定，
进一步，高透玻璃的正下方设置有与其面积一样的锯齿型流道，主要作用是当含有催化剂颗粒的反应液流体经过此区域时，能够为原料液流体提供一定的湍动效果，避免此过程中催化剂颗粒的自由沉降。同时，锯齿形状有利于高聚光模拟灯辐射光线的多次反射和折射，从而提高催化剂颗粒对模拟光的整体利用效率。
进一步，本发明为连续式测试系统，各模块之间分工明确，操作简单、快捷，测试精准。智能化程度高，能够实现光催化材料在高聚光条件下的高效制氢。
附图说明
图1为本发明系统的整体示意图。
图2为微反应器部分的内部剖面图。
附图标记说明：
1为惰性气瓶，2为温度和搅拌控制器，3为储液罐，4为吹扫进气口，5为吹扫出气口，6为反应液进口管，7为反应液出口管，8为感温探头，9为信息收集器，10为进料流量计，11为进料管阀门，12为高聚光模拟灯，13为气相色谱，14为气体出气管，15为出气管阀门，16为高透玻璃，17为微反应器主体，18为出料管阀门，19为可旋转支架，20为磁铁，21为磁波控制器，22为气体进气管，23气体流量计，24为上封盖，25为锯齿型流道，26为缓冲腔，27为木头板，28为铝合金底座。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下具体实例有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，在不脱离本发明构思的前提下，都可以对装置做出若干的变形和改造。这些都属于本发明的保护范围。
如图1和图2所示，本发明提供的一种耦合磁场/声波场的锯齿形流道聚光光催化制氢系统，首先，配置一定量的光催化剂,如5mgTiO2/Fe3O4悬浮于大约50mL去离子水中，并将其倒入到储液罐3中,然后使用惰性气体，如氮气、氩气等，从吹扫进气口4进入，吹扫出气口5排除，对原料液进行20分钟吹扫。通过温度和搅拌控制器2合理调节反应液的温度(可进行梯度控制，如30℃，40℃，50℃)和里面的磁子搅拌速度。
优选的，测试的过程中，高聚光模拟灯12提供适宜的聚光光照强度(根据具体材料进行选择，如5sun)，透过高透玻璃16直射到反应液表面。反应液从与储液瓶3连接的进料管进入，进料流量计10能够控制其流量大小。反应液流经缓冲腔26时，能够降低其管内的输送压力，增加微反应器主体17的气密性。锯齿形流道25能够为含有催化剂颗粒的反应液流体提供一定程度的湍动，减小其团聚和沉降的负面影响，也能增强对光的利用率。反应液在经过铝合金底座28后经出料管回流至储液罐3，实现连续式制氢过程。此过程中进料管阀门11和出料管阀门18都是打开状态，气体进气管22上的气体流量计23和气体出气管14上的出气管阀门15都处于关闭状态。
优选的，铝合金底座下面与其大小相当的木头板能够使得微反应器主体17悬浮于水槽中，且高透玻璃16界面暴露于空气中。
优选的，上封盖24与铝合金底座28通过八个螺栓对称装配，密封性好，便于清洗拆卸及组装。
优选的，测试气体产量过程中，关闭进料管阀门11和出料管阀门18，开启气体流量计23和出气管阀门15，在来自惰性气瓶1中的气体的携带作用下送至气相色谱13进行检测，并在信息收集器9中读取数据。
实验测得TiO2/Fe3O4光催化剂在耦合场下的产氢速率是在单一物理场下的产氢速率的3.6倍，说明磁波耦合场下的光催化制氢过程能够大大得到增强，说明本发明具有可实施性，适合大规模推广。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (7)

1.一种耦合磁场/声波场的锯齿形流道聚光光催化制氢系统，其特征在于，包括原料液供给部分、反应条件产生部分、微反应部分以及产物测试部分；
原料液供给部分包括储液罐(3)、设置在储液罐(3)上方的吹扫进气口(4)、吹扫出气口(5)、感温探头(8)、反应液进口管(6)和反应液出口管(7)，设置在储液罐(3)下方的温度和搅拌控制器(2)，与反应液进口管(6)连接的进料流量计(10)、进料管阀门(11)，以及设置在反应液出口管(7)上的出料管阀门(18)，原料液由光催化剂半导体颗粒悬浮于水溶液中；
反应条件产生部分包括设置在微反应器主体(17)下方的侧放支架，其上端设置有微波发生装置和磁铁(20)，磁铁(20)依托于可旋转支架(19)，设置在磁铁(20)下方的有磁波控制器(21)；
微反应部分包括高聚光模拟灯(12)，设置在微反应器主体(17)正上方的高透玻璃(16)，构成微反应器主体(17)的铝合金底座(28)，以及铝合金底座(28)最下方的木头板(27)，设置在微反应器主体(17)中的缓冲腔(26)，设置在高透玻璃(16)正下方的锯齿形流道(25)，设置在高透玻璃(16)周围的上封盖(24)；
产物测试部分包括惰性气瓶(1)，设置在气体进气管(22)上的气体流量计(23)，设置在与微反应器主体(17)相连接的气体出气管(14)，设置在气体出气管(14)上的出气管阀门(15)，与气体出气管(14)连接的气相色谱(13)，设置在气相色谱(13)右侧的信息收集器(9)；
用于光催化的微反应器主体(17)的实验条件由磁铁(20)和位于磁波控制器(21)上方的微波发生装置进行调控，以提供磁场和声波场的强耦合条件，其相应参数大小值通过磁波控制器(21)根据实验条件进行调整，设置的可旋转支架(19)能够通过旋转调节磁场的方向。
2.根据权利要求1所述的一种耦合磁场/声波场的锯齿形流道聚光光催化制氢系统，其特征在于，设置在微反应器主体(17)下方的侧放支架呈“几”字型，可旋转支架(19)呈“山”字型。
3.根据权利要求1所述的一种耦合磁场/声波场的锯齿形流道聚光光催化制氢系统，其特征在于，原料液储存在储液罐(3)中，在反应前，关闭进料管阀门(11)和在反应液出口管(7)上的出料管阀门(18)，采用惰性气体经过吹扫进气口(4)对储液罐(3)进行吹扫，然后经吹扫出气口(5)排出，原料液中放置磁子，磁子在温度和搅拌控制器(2)的作用下以设定转速旋转，防止光催化剂颗粒发生团聚和沉降，其温度通过感温探头(8)检测后传递给温度和搅拌控制器(2)并以负反馈的机制对其进行客观调整。
4.根据权利要求1所述的一种耦合磁场/声波场的锯齿形流道聚光光催化制氢系统，其特征在于，调整位于微反应器主体(17)正上方的高聚光模拟灯(12)提供给微 反应器主体(17)对应的光源辐射量，其光强大小通过其后部设置的控制器进行调节，最大光强能够达到25个太阳，微反应器主体(17)、铝合金底座(28)以及其下方设置的大小相当的木头板(27)一起浸入在侧放支架上方凹型水槽中，木头板(27)能够提供浮力使得微反应器主体(17)上的高透玻璃(16)暴露在空气中，同时微反应器主体(17)与两个对称放置的磁铁(20)连接线等高。
5.根据权利要求1所述的一种耦合磁场/声波场的锯齿形流道聚光光催化制氢系统，其特征在于，铝合金底座(28)的左右两侧设置有反应液进口管(6)、反应液出口管(7)，便于原料液的进出，前侧设置有气体进气管(22)用于惰性气体的输运，气体出气管(14)设置在微反应器主体(17)的上方，依据是利用氢气的低密度特性，在检测的过程中加速氢气的排出过程，同时，铝合金底座(28)内部左右两侧设置有缓冲腔(26)，能够在反应原料液流经微反应器主体(17)的过程中提供缓冲减压作用，确保装置整体的气密性稳定。
6.根据权利要求1所述的一种耦合磁场/声波场的锯齿形流道聚光光催化制氢系统，其特征在于，高透玻璃(16)的正下方设置有与其面积一样的锯齿形流道(25)，主要作用是当含有催化剂颗粒的反应液流体经过此区域时，能够为原料液流体提供一定的扰流效果，避免此过程中催化剂颗粒的自由沉降，同时，锯齿形状有利于高聚光模拟灯(12)辐射光线的多次反射和折射，从而提高催化剂颗粒对模拟光的整体利用效率，微反应器主体(17)中的上封盖(24)与铝合金底座(28)通过八个螺栓对称装配，密封性好，也便于拆卸、组装。
7.根据权利要求1所述的一种耦合磁场/声波场的锯齿形流道聚光光催化制氢系统，其特征在于，聚光光催化制氢反应进行时，设置在气体进气管(22)上的气体流量计(23)和设置在气体出气管(14)上的出气管阀门(15)处于关闭状态，只有进料管阀门(11)和出料管阀门(18)处于打开状态，在采集测试气体的过程中，气体流量计(23)和出气管阀门(15)处于打开状态，进料管阀门(11)和出料管阀门(18)处于关闭状态，这样一段时间内产生的氢气能够在来自惰性气瓶(1)的惰性气体的携带作用下送至气相色谱(13)，并在右侧的信息收集器(9)上的得到其准确含量，继而计算其平均产氢速率。
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