CN114904475A - 一种涡旋进样光催化分解水制氢装置及涡轮式进样方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种涡旋进样光催化分解水制氢装置，采用涡旋光催化剂进样器，内设涡旋轨道，外设太阳能板，将吸收的太阳能转换为电能，对天气条件变化适应能力强，造价费用低廉，在进样阶段使光催化剂均匀分散，提高光催化分解水制氢性能；一种涡轮式进样方法，在光催化反应器内增设转动系统，有效避免了通过储液罐直接注入反应器，造成光催化剂损耗，光催化剂通过涡旋轨道，耐冲击性能增强，涡旋轨道壁降低光催化剂粘附，提高光催化剂利用效率，使进入光催化反应器的光催化剂具有良好的混合度。

Description

一种涡旋进样光催化分解水制氢装置及涡轮式进样方法

技术领域

本发明涉及可再生能源规模制备领域，具体涉及一种涡旋进样光催化分解水制氢装置及涡轮式进样方法。

背景技术

随着化石能源危机不断加剧，可再生能源开发利用迫在眉睫。太阳能是洁净、可再生能源，在其照射下，分解水为氢气和氧气，这种制氢方式将能量密度低、地域依赖性强、连续性差的太阳能转换为稳定的化学能。从环保角度分析，是绿色、可持续发展的；从节能角度分析，是无化石燃料、可再生的；从经济角度分析，是廉价的，可持续循环的。

氢气作为一种高热值、无污染的能量载体，是目前最有潜力的清洁能源。光催化分解水制氢体系主要包括：光催化剂、牺牲剂、助催化剂、水和紫外光。基于半导体纳米颗粒的新型催化剂，促进体系光生空穴和电子的分离，已经被证实可以提高制氢效率，高效利用太阳能光催化制氢装置，是制取氢气的关键技术之一。

现阶段利用自然光照射光催化反应制氢装置，主要集中在太阳能聚光技术和复合光催化材料两个方面。发明专利CN111453696A，公开了“一种聚光式固定膜太阳能光催化制氢装置”，在复合抛物面聚光器基础上，采用下沉式方法设计的聚光组件，提高了太阳能利用率，可以调节聚光光线在光催化反应器上的分布，提高光催化剂制氢效率。但是聚光光线不能实时追踪太阳能，聚光器聚光比限制光照强度，影响光催化制氢效率。发明专利CN103861542A，公开了“一种利用太阳能光催化制氢的反应装置”可以自动跟踪太阳能进行光催化制氢实验，但是增大了运行成本。

上述两个发明公开的光催化分解水制氢反应装置均设置储液罐，为了使反应连续进行，需要额外提供储液罐内光催化剂注入反应器内能量输入，存在着运行成本高，反应过程中易造成仪器堵塞。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的技术问题，创造性构思了一种涡旋进样光催化分解水制氢装置，采用涡旋光催化剂进样器，内设涡旋轨道，增大光催化剂进入反应装置的分散度，外设太阳能板，运行成本低廉，光催化分解水制氢性能优良；并提出了涡轮式进样方法，通过内部涡旋轨道和转子造成内部漩涡，充分分散光催化剂，使进入反应器的光催化剂具有良好的混合度。

实现本发明所采用的技术方案之一是：一种涡旋进样光催化分解水制氢装置，它包括：聚光组件1、聚光组件支架3、光催化反应器5，其特征是，它还包括：光催化剂进样器4，所述的光催化剂进样器4包括：外壁太阳能电池板34、进样口35、涡旋轨道36、太阳能驱动转子37、进样阀门43、出样口44，所述的涡旋轨道36为封闭涡旋装置，在所述的涡旋轨道36内部设有太阳能驱动转子37，在所述的涡旋轨道36顶部设有进样口35，在所述的涡旋轨道36底部设有出样口44，所述涡旋轨道36的出样口44与光催化反应器5的进样口密闭连接，在所述的出样口44上设置进样阀门43，在所述的涡旋轨道36外部设置外壁太阳能电池板34，所述的外壁太阳能电池板34与太阳能驱动转子37电连接。

进一步，所述的光催化反应器5包括：密闭器皿22、透射皿顶板21和反应器内胆27，在所述的密闭器皿22内设置转动搅拌浮板38、搅拌叶片39、转动轴40、电机41，所述转动轴40的轴线与密闭器皿22的中心线重合，所述转动轴40与转动搅拌浮板38固连，在所述的转动轴40上固连一组搅拌叶片39，所述的电机41与转动轴40固定连接，所述的电机41与密闭器皿22固连。

实现本发明所采用的技术方案之二是：一种涡轮式进样方法，其特征是，它包括以下步骤：

1)光催化剂进样器4的进样阀门43保持关闭状态，通过光催化剂进样器4的进样口35，向光催化剂进样器4中投加光催化剂溶液，在太阳光照射下，外壁太阳能电池板34带动太阳能驱动转子37转动，太阳能驱动转子37转速为200～300r/min，光催化剂溶液注入光催化剂进样器4的速率0.1～0.2mL/s，在所述光催化剂溶液中，光催化剂与水的质量比为1:100～1:150，光催化剂溶液体积与光催化剂进样器4体积比为1:10～1:15；

2)在光催化剂进样器4中，涡旋轨道36采用涡旋转动方式均匀分散光催化剂，水力停留时间2～4h，随着太阳能驱动转子37均匀转动，保证光催化剂在涡旋轨道36内壁上下翻动10～12次，在涡旋轨道36内壁粘附的光催化剂质量与光催化剂质量比小于0.5～1％；

3)打开光催化剂进样器4的进样阀门43，所述的光催化剂溶液进入光催化反应器5内，密闭器皿22内部电机41转动，带动搅拌浮板38转动，转速50～80r/min，光催化剂溶液匀速搅拌并开始光催化反应。

进一步，在步骤1)中，所述的太阳能驱动转子(37)转速为240r/min。

进一步，在步骤1)中，光催化剂溶液注入光催化剂进样器(4)速率为0.1mL/s。

进一步，在步骤1)中，光催化剂溶液中光催化剂与水的质量比为1:120。

进一步，在步骤2)中，水力停留时间3h。

进一步，在步骤2)中，涡旋轨道内壁粘附的光催化剂质量与光催化剂质量比1％。

进一步，在步骤3)中，在密闭器皿(22)内部，搅拌浮板转动转速为60r/min。

本发明一种涡旋进样光催化分解水制氢装置及涡轮式进样方法的有益效果体现在：

1、一种涡旋进样光催化分解水制氢装置，在光催化剂进样器内设涡旋轨道，增大光催化剂进入反应装置的分散度，运行成本低廉，光催化剂在反应装置内充分反应，适合于光催化分解水制氢，外设太阳能电池板，在进样过程中，将吸收的太阳能转换为电能，促使光催化剂在进样阶段均匀分散，提高光催化剂利用效率，提高制氢效率，同时不需增设储液罐，节省运行费用，对天气条件变化适应能力强，具有设备运行简单，造价费用低廉的特点；

2、一种涡轮式进样方法，在光催化反应器内增设转动系统，有效避免了通过储液罐直接注入反应器造成的光催化剂损耗，光催化剂通过涡旋轨道，耐冲击性能增强，涡旋轨道壁降低光催化剂粘附，提高光催化剂利用效率，进而提高光催化分解水制氢性能。

附图说明

图1是一种涡旋进样光催化分解水制氢装置的三维示意图；

图2是一种涡旋进样光催化分解水制氢装置的主视图；

图3是图2中件4光催化剂进样器的示意图；

图4是图3中件37的示意图；

图5是图3中件34的示意图；

图6是图,1中件22的示意图；

图7是一种涡旋进样光催化分解水制氢装置的工艺流程图；

图中：1.聚光组件，2.太阳能跟踪辐照传感器，3.聚光组件支架，4.光催化剂进样器，5.光催化反应器，6.出气口，7.支架，8.恒温控制器，9.自动跟踪太阳能底座，10.真空泵，11.监测控制平台顶板，12.两相分离器，13.自动监测数据显示器，14.监测控制平台，15.流量计，16.风力传感器，17.集气瓶，18.温度传感器，19.在线气体分析器，20.水稳器，21.透射皿顶板，22.密闭器皿，23.六角螺栓，24.恒温出水口，25.抽气口，26.恒温进水口，27.反应器内胆，28.聚光透射镜，29.聚光反射器，30.温度信号接收器，31.太阳能辐照信号接收器，32.风力信号接收器，33.流量信号接收器，34.外壁太阳能电池板，35.进样口，36.涡旋轨道，37.太阳能驱动转子，38.转动搅拌浮板，39.搅拌叶片，40.转动轴，41.电机，42.聚光支座圈，43.进样阀门，44.出样口。

具体实施方式

以下结合附图1-7和具体实施例，对本发明作进一步详细说明，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如附图1—2所示，涡旋式进样光催化分解水制氢装置包括：光催化剂进样器4、光催化反应器5、自动跟踪太阳能底座9、支架7、聚光组件1、恒温控制器8、两相分离器12、流量计15、集气瓶17和监测控制平台14，聚光组件1和太阳能跟踪辐照传感器2相连，聚光组件支架3底端与光催化反应器5相连；聚光组件1包括聚光透射镜28、聚光反射器29、聚光支座圈42；聚光组件1随着自动追踪太阳能支架7转动，始终与光催化反应器5平行；所述光催化反应器5安装在所述支架7底部，光催化反应器5包括密闭器皿22、透射皿顶板21和反应器内胆27；所述密闭器皿22与透射皿顶板21通过六角螺栓相连；所述的光催化反应器5包括：密闭器皿22、透射皿顶板21和反应器内胆27，如附图6所示，在所述的密闭器皿22内设置转动搅拌浮板38、搅拌叶片39、转动轴40、电机41，所述转动轴40的轴线与密闭器皿22的中心线重合，所述转动轴40与转动搅拌浮板38固连，在所述的转动轴40上固连一组搅拌叶片39，所述的电机41与转动轴40固定连接，所述的电机41与密闭器皿22固连；所述光催化反应器5上设有温度传感器18；所述反应器内胆27上设有恒温进水口24和恒温出水口26，与恒温控制器8连接；所述密闭器皿22上设有进样口、抽气口、出气口，进样口与光催化剂进样器5连接，光催化剂进样器5将光催化剂载入密闭器皿22内部；

两相分离器12一端与出气口6水平连接，将光催化反应产生的气相与液相分离；所述两相分离器12另一端与流量计15垂直相连；流量计15与集气瓶17垂直连接；监测控制平台14包括：自动监测数据显示:13、温度信号接收器30、太阳能辐照信号接收器31、风力信号接收器32、流量信号接收器33；监测控制平台14通过接收温度传感器、太阳能跟踪辐照传感器、风力传感器16、在自动监测数据显示器13上，流量计传输信号对实验数据进行实时监测。

如附图3所示，所述的光催化剂进样器4包括：外壁太阳能电池板34、进样口35、涡旋轨道36、太阳能驱动转子37、进样阀门43、出样口44，所述的涡旋轨道36为封闭涡旋装置，如附图4所示，在所述的涡旋轨道36内部设有太阳能驱动转子37，在所述的涡旋轨道36顶部设有进样口35，在所述的涡旋轨道36底部设有出样口44，所述涡旋轨道36的出样口44与光催化反应器5的进样口密闭连接，在所述的出样口44上设置进样阀门43，在所述的涡旋轨道36外部设置外壁太阳能电池板34，如附图5所示，所述的外壁太阳能电池板34与太阳能驱动转子37电连接。

如附图7所示，一种涡旋进样光催化分解水制氢装置的工艺流程图，一种涡轮式进样方法，其特征是，它包括以下步骤：

1)光催化剂进样器4的进样阀门43保持关闭状态，通过光催化剂进样器4的进样口35，向光催化剂进样器4中投加光催化剂溶液，在太阳光照射下，外壁太阳能电池板34带动太阳能驱动转子37转动，太阳能驱动转子37转速为200～300r/min，光催化剂溶液注入光催化剂进样器4的速率0.1～0.2mL/s，在所述光催化剂溶液中，光催化剂与水的质量比为1:100～1:150，光催化剂溶液体积与光催化剂进样器4体积比为1:10～1:15；

2)在光催化剂进样器4中，涡旋轨道36采用涡旋转动方式均匀分散光催化剂，水力停留时间2～4h，随着太阳能驱动转子37均匀转动，保证光催化剂在涡旋轨道36内壁上下翻动10～12次，在涡旋轨道36内壁粘附的光催化剂质量与光催化剂质量比小于0.5～1％；

3)打开光催化剂进样器4的进样阀门43，所述的光催化剂溶液进入光催化反应器5内，密闭器皿22内部电机41转动，带动搅拌浮板38转动，转速50～80r/min，光催化剂溶液匀速搅拌并开始光催化反应。

实施例1：

以在中国吉林试验地点城市：吉林市为例，东经126.57°，北纬43.87°，海拔219m。聚光透镜：面积约：0.2m²，聚光光斑最小面积约：7cm²，聚光比：278。

光催化剂进样器4的进样阀门43保持关闭状态，向光催化剂进样器4中投加光催化剂g-C₃N₄溶液浓度为1g/L，在太阳光照射下，光催化剂进样器4外壁太阳能电池板34带动太阳能驱动转子37转动，转子转速为240r/min，光催化剂g-C₃N₄溶液注入光催化剂进样器速率0.1mL/s，所述光催化剂g-C₃N₄溶液中光催化剂与水的质量比为1:120，光催化剂g-C₃N₄溶液体积与光催化剂进样器4体积比为1:12；光催化剂进样器4中，采用涡旋转动方式均匀分散光催化剂，设置水力停留时间2h，随着太阳能驱动转子37的均匀转动，保证光催化剂g-C₃N₄在涡旋轨道36内壁上下翻动10次，涡旋轨道36内壁粘附的光催化剂g-C₃N₄质量与光催化剂g-C₃N₄质量比0.8％；打开光催化剂进样器进样阀门43，光催化剂g-C₃N₄溶液进入光催化反应器5内，密闭器皿22内部转动搅拌浮板38转动，转速60r/min，光催化剂溶液匀速搅拌并开始光催化反应。

实验用水均为去离子水，聚光反射器29将所有自动追踪到的太阳光反射到光催化反应器5上，提供光催化反应光源能量，聚光组件1与光催化反应器5在聚光组件支架支撑下平行转动，产生的气体经过两相分离器12、流量计进入集气瓶17，监测控制平台14根据温度信号接收器30、太阳能辐照信号接收器31、风力信号接收器32、流量信号接收器33所接收信号，对反应体系数据进行实时监控并记录，太阳总辐射量1120W/m²，太阳直接辐射量810W/m²，制氢速率为5100μmol·h^-1·g^-1。

实施例2

以在中国吉林试验地点城市：吉林市为例，东经126.57°，北纬43.87°，海拔219m。聚光透镜：面积约：0.2m²，聚光光斑最小面积约：7cm²，聚光比：278。

光催化剂进样器4的进样阀门43保持关闭状态，向光催化剂进样器4中投加光催化剂TiO₂溶液浓度为1g/L，在太阳光照射下，光催化剂进样器4外壁太阳能电池板34带动太阳能驱动转子37转动，转子转速为240r/min，光催化剂TiO₂溶液注入光催化剂进样器速率0.1mL/s；所述光催化剂TiO₂溶液中光催化剂与水的质量比为1:120，光催化剂TiO₂溶液体积与光催化剂进样器4体积比为1:12；在光催化剂进样器4中，采用涡旋转动方式均匀分散光催化剂，设置水力停留时间2h，随着太阳能驱动转子37的均匀转动，保证光催化剂TiO₂在涡旋轨道36内壁上下翻动10次，涡旋轨道36内壁粘附的光催化剂TiO₂质量与光催化剂TiO₂质量比0.8％；打开光催化剂进样器进样阀门43，光催化剂TiO₂溶液进入光催化反应器5内，密闭器皿22内部转动搅拌浮板38转动，转速60r/min，光催化剂溶液匀速搅拌并开始光催化反应。

实验用水均为去离子水，聚光反射器29将所有自动追踪到的太阳光反射到光催化反应器5上，提供光催化反应光源能量；聚光组件1与光催化反应器5在聚光组件支架支撑下平行转动，产生的气体经过两相分离器12、流量计进入集气瓶17。监测控制平台14根据温度信号接收器30、太阳能辐照信号接收器31、风力信号接收器32、流量信号接收器33所接收信号，对反应体系数据进行实时监控并记录；太阳总辐射量1120W/m²，太阳直接辐射量810W/m²，制氢速率为6500μmol·h^-1·g^-1。

以上所述仅是本发明的优选方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应该视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种涡旋进样光催化分解水制氢装置，它包括：聚光组件(1)、聚光组件支架(3)、光催化反应器(5)，其特征是，它还包括：光催化剂进样器(4)，所述的光催化剂进样器(4)包括：外壁太阳能电池板(34)、进样口(35)、涡旋轨道(36)、太阳能驱动转子(37)、进样阀门(43)、出样口(44)，所述的涡旋轨道(36)为封闭涡旋装置，在所述的涡旋轨道(36)内部设有太阳能驱动转子(37)，在所述的涡旋轨道(36)顶部设有进样口(35)，在所述的涡旋轨道(36)底部设有出样口(44)，所述涡旋轨道(36)的出样口(44)与光催化反应器(5)的进样口密闭连接，在所述的出样口(44)上设置进样阀门(43)，在所述的涡旋轨道(36)外部设置外壁太阳能电池板(34)，所述的外壁太阳能电池板(34)与太阳能驱动转子(37)电连接。

2.根据权利要求1所述的一种涡旋进样光催化分解水制氢装置，其特征是，所述的光催化反应器(5)包括：密闭器皿(22)、透射皿顶板(21)和反应器内胆(27)，在所述的密闭器皿(22)内设置转动搅拌浮板(38)、搅拌叶片(39)、转动轴(40)、电机(41)，所述转动轴(40)的轴线与密闭器皿(22)的中心线重合，所述转动轴(40)与转动搅拌浮板(38)固连，在所述的转动轴(40)上固连一组搅拌叶片(39)，所述的电机(41)与转动轴(40)固定连接，所述的电机(41)与密闭器皿(22)固连。

3.一种涡轮式进样方法，其特征是，它包括以下步骤：

1)光催化剂进样器(4)的进样阀门(43)保持关闭状态，通过光催化剂进样器(4)的进样口(35)，向光催化剂进样器(4)中投加光催化剂溶液，在太阳光照射下，外壁太阳能电池板(34)带动太阳能驱动转子(37)转动，太阳能驱动转子(37)转速为200～300r/min，光催化剂溶液注入光催化剂进样器(4)的速率0.1～0.2mL/s，在所述光催化剂溶液中，光催化剂与水的质量比为1:100～1:150，光催化剂溶液体积与光催化剂进样器(4)体积比为1:10～1:15；

2)在光催化剂进样器(4)中，涡旋轨道(36)采用涡旋转动方式均匀分散光催化剂，水力停留时间2～4h，随着太阳能驱动转子(37)均匀转动，保证光催化剂在涡旋轨道(36)内壁上下翻动10～12次，在涡旋轨道(36)内壁粘附的光催化剂质量与光催化剂质量比小于0.5～1％；

3)打开光催化剂进样器(4)的进样阀门(43)，所述的光催化剂溶液进入光催化反应器(5)内，密闭器皿(22)内部电机(41)转动，带动搅拌浮板(38)转动，转速50～80r/min，光催化剂溶液匀速搅拌并开始光催化反应。

4.根据权利要求3所述的一种涡轮式进样方法，其特征是，在步骤1)中，所述的太阳能驱动转子(37)转速为240r/min。

5.根据权利要求3所述的一种涡轮式进样方法，其特征是，在步骤1)中，光催化剂溶液注入光催化剂进样器(4)速率为0.1mL/s。

6.根据权利要求3所述的一种涡轮式进样方法，其特征是，在步骤1)中，光催化剂溶液中光催化剂与水的质量比为1:120。

7.根据权利要求3所述的一种涡轮式进样方法，其特征是，在步骤2)中，水力停留时间3h。

8.根据权利要求3所述的一种涡轮式进样方法，其特征是，在步骤2)中，涡旋轨道内壁粘附的光催化剂质量与光催化剂质量比1％。

9.根据权利要求3所述的一种涡轮式进样方法，其特征是，在步骤3)中，在密闭器皿(22)内部，搅拌浮板转动转速为60r/min。

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