CN115594242A - 一种基于太阳能光热界面降解水中易挥发有机物并全天候产净水的装置 - Google Patents

一种基于太阳能光热界面降解水中易挥发有机物并全天候产净水的装置 Download PDF

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Abstract

本发明属于水资源净化领域，具体涉及一种基于太阳能光热界面降解水中易挥发有机物并全天候产净水的装置。所述装置包括净水收集模块、蒸发‑催化模块和发电‑蓄电模块。本发明使用光伏板和蓄电池利用太阳能，通过半导体制冷技术增大蒸汽和冷凝器之间的温差，实现全天候产净水并主动冷凝集水，提高冷凝水水质和水量的稳定性。在光照充足时，光伏板和蓄电池正常工作，将多余的光能转换为电能，导入到蓄电池内充电，同时蓄电池连为系统提供电能，此时，系统直接利用光能和电能产净水；在弱光或者无光时，光伏板不工作，蓄电池直接为系统提供电能，系统利用电能产净水，实现了全天候产净水，进而提高了冷凝水水质和水量的稳定。

Description

一种基于太阳能光热界面降解水中易挥发有机物并全天候产 净水的装置
技术领域
本发明属于水资源净化领域，具体涉及一种基于太阳能光热界面降解水中易挥发有机物并全天候产净水的装置。
背景技术
基于太阳能界面加热的水体净化工艺作为一种绿色、环保、低能耗的技术，在海水淡化、淡水净化等领域具有广阔的应用前景。该工艺对水体进行净化的过程，实际上是将太阳的光能在材料界面上转化为热能，进而将水分子通过蒸发的方式和盐分以及大多数的污染物相分离。但是在天然水体中，会含有微生物代谢产生的和人工合成的易挥发性有机物(VOCs)，这些挥发性有机物因为沸点低，容易和水蒸气一起被蒸发并富集在蒸发水中，造成蒸发水的二次污染，从根本上限制了基于太阳能界面加热的水体净化工艺的实用性。
近年来，虽然基于太阳能界面加热的水体净化工艺的研究越来越多，但是却鲜有研究如何去除水中VOCs并同时产净水。目前，一些研究侧重于将界面蒸发和高级氧化过程(如Fenton反应)相结合，以同时去除VOCs并产生清洁的蒸气。例如，有研究通过投加过硫酸盐或者双氧水进行去除VOCs；但是这些措施依赖额外投加的氧化剂，这可能会导致源水的二次污染并增加水质净化的成本；也有研究将光催化和太阳能界面水蒸发过程结合，以达到同时降解VOCs并产蒸气的目的，但在该过程中，蒸发水中的VOCs虽然能够得到一定程度的去除，但却依赖于太阳光，产水速率和VOCs去除效率受到太阳辐照总强度的限制，导致收集到冷凝水的水质和水量不稳定。
太阳能界面蒸馏对水处理只发生在界面，处理的水马上就变成水蒸气被蒸发，所以水在界面上的停留时间很短，与传统光电化学水处理不同，水是一直停留在反应器里面，换而言之，污染物也会一直停留在反应器里面，水停留时间很长。所以，污染物降解和水蒸发速率之间存在一个trade-off效应(博弈效应)，具体体现为水蒸发速率越快，水力停留时间越短，污染物降解得就越不足，相反地，水蒸发速率越慢，水力停留时间越长，污染物降解得就越充分。因此，如何协调污染物降解和水蒸发速率之间的矛盾，实现大幅提高水蒸发速率的同时保证其降解效果，是本申请需要克服的技术难题之一。
此外，目前使用太阳能界面加热的系统收集冷凝水的效率普遍较低，因为大多数方法直接使用收集装置透光顶部对水蒸气进行冷凝，即被动冷凝集水。一方面，水蒸气冷凝在收集装置的顶部，形成小液滴(起雾)，对从装置顶部进入的太阳光形成阻碍，降低光热转换材料对太阳光的吸收，进而降低了产水效率；另一方面，大多数当前的蒸汽冷凝过程很大程度上依赖于蒸汽与顶部玻璃盖(蒸汽冷凝器)之间的热交换(被动冷凝集水)。由于玻璃热导率为0.712-1.340W/(m·K)，远低于金属铜、铝的热导系数(铜的导热系数为：398W/m.K，铝的导热系数为：237W/m.K)，所以蒸气液化时释放的热量不能有效传递出去，热量累积在装置中，导致水蒸气和冷凝器之间的温度差ΔT逐渐减小，而水蒸气液化是放热的过程，温差越大则越容易液化，所以ΔT减小导致集水量减少，降低集水效率，从而降低太阳能界面加热系统的产水效率。
发明内容
为了解决上述太阳能光热界面蒸发水质和水量不稳定的问题，本发明提供了基于太阳能光热界面降解水中易挥发有机物并全天候产净水的装置。
根据本申请的基于太阳能光热界面降解水中易挥发有机物并全天候产净水的装置，包括净水收集模块、蒸发-催化模块和发电-蓄电模块，其中，
所述净水收集模块包括透光玻璃、漏斗形冷凝器，其中，所述漏斗形冷凝器底部设有集水槽和导水管，透光玻璃设置于漏斗形冷凝器顶部，和漏斗形冷凝器构成半封闭空间，所述漏斗形冷凝器内层涂有疏水材料，所述漏斗形冷凝器外套有半导体制冷外壳，紧贴漏斗形冷凝器，扩大蒸汽和冷凝器之间的温差，进行主动冷凝集水；
所述蒸发-催化模块包括光热光催化阳极、伞形导水器、电热电催化阴极和隔热支撑层，光热光催化阳极和电热电催化阴极均设置在隔热支撑层之上，光热光催化阳极和电热电催化阴极之间设置伞形导水器，电热电催化阴极和隔热支撑层中心均开有便于伞形导水器穿过的孔，伞形导水器的伞柄和待处理水直接接触，隔热支撑层漂浮于待处理水储水箱之中；
所述发电-蓄电模块包括光伏板和蓄电池，光伏板和蓄电池直接连接，所述蓄电池和所述光热光催化阳极、电热电催化阴极相连，所述半导体制冷外壳与所述蓄电池连通，所述蓄电池的正极和负极连接到半导体制冷外壳。
根据本申请的基于太阳能光热界面降解水中易挥发有机物并全天候产净水的装置，其中，所述蓄电池的正极和所述光热光催化阳极相连接，所述蓄电池的负极和所述电热电催化阴极相连接。
根据本申请的基于太阳能光热界面降解水中易挥发有机物并全天候产净水的装置，其中，所述漏斗形冷凝器的可以使用铜、铝、不锈钢等金属或者合金，其内测涂有聚二甲基硅氧烷作为超疏水层。
根据本申请的基于太阳能光热界面降解水中易挥发有机物并全天候产净水的装置，其中，所述光热光催化阳极和所述电热电催化阴极内包括碳毡，所述碳毡经以下步骤改性：将未改性碳毡在500℃煅烧2h，5℃/min升温速率。碳毡作为光热和电热材料，在光照充足的情况下，光伏板和蓄电池正常工作，碳毡不仅可以将光能转化为热能，而且还可以将电能转化为焦耳热能，增加了水蒸发的速率；在弱光或者无光的条件下，光能不足以转化为热能，但蓄电池仍为系统提供电能，电能通过碳毡转换为焦耳热能，确保了在弱光或者无光条件下的水蒸发速率。
作为优选，所述光热光催化阳极制备方法为：将碳毡浸泡于硝酸24h，得到亲水性碳毡，将二氧化钛和硼氢化钠以5:1混合并进行充分搅拌，并和亲水性碳毡一起转移至水热反应釜中，之后密封反应釜，将其转移至烘箱中，加热到200℃并保持16h，自然冷却至室温后取出碳毡，使用超纯水冲洗并于室温下晾干，即得到光热光催化阳极。
作为优选，所述的电热电催化阴极制备方法为：将碳纳米管(CNT)分散于超纯水中，形成碳分散液，然后用带有0.5mm喷嘴的喷枪在0.2MPa的压力下，将碳分散液喷涂到碳毡上，再将预制的0.1wt％的聚乙烯醇溶液喷涂到碳毡上，最后，碳毡在70℃下浸入含有10.6ml戊二醛和3.7ml盐酸的溶液中交联60min，并于室温下晾干，即得到电热电催化阴极。
作为优选，所述的伞形导水器为棉布通过裁剪和粘贴制备而成。
作为优选，所述的隔热支撑层的材质可以使用聚乙烯泡沫棉等多孔塑料泡沫。
利用本申请的基于太阳能光热界面降解水中易挥发有机物并全天候产净水的装置净水时包括：
1、在光照充足的情况下：
太阳辐射透过透光玻璃，光热光催化阳极将光能转换为热能，形成水蒸发，同时光热光催化阳极上的光催化材料对VOCs进行降解。
光伏板将吸收到的光能转化为电能，①对于光热光催化阳极，电能一方面被转换为焦耳热能，一方面为光催化剂提供偏压，促进光生载流子的分离提高光催化的活性，提高VOCs的去除效率；②对于电热电催化阴极，电能一方面被转换为焦耳热能，一方面用于产生H2O2(O2+2H++2e-→H2O2)，H2O2和被阳极活化为自由基形式的污染物反应，进而强化VOCs的去除；③对于半导体制冷外壳，利用Peltier Effect(珀尔贴效应)，使载流子从低能级向高能级跃迁，向外界吸热，表现出制冷特性；④多余的电能储存在蓄电池模块。
2、在光照不充足或没有光照的情况下：
蓄电池模块为光热光催化阳极和电热电催化阴极提供电能，一方面，电能被阳极和阴极转化为热能，进而保证在光照不充足或没有光照的情况下的水蒸发，另一方面，在阳极上发生H2O→·OH+H++e-反应，在阴极上发生O2+2H++2e-→H2O2，H2O2和·OH均可以降解VOCs，进而保证在光照不充足或没有光照的情况下VOCs的去除。
综合上述情况，待处理水因伞形导水器的毛细作用而被导入阳极和阴极中，再经过阳极和阴极的蒸发和催化后，产生的水蒸气在漏斗形冷凝器上快速液化为冷凝水，流入到集水槽，经导水管的导出，进而实现全天候产净水。
本发明和现有技术相比具有的优点:
1.为了协调污染物降解和水蒸发速率之间的矛盾，实现大幅提高水蒸发速率的同时保证其降解效果，根据本申请的技术方案，电热电催化阴极可以产生H2O2、和被阳极活化为自由基形式的VOCs反应，进而去除VOCs；通过对碳毡改性，提高界面的亲水性，促进水分子扩散，强化水传输过程，使得污染物和污染物更充分地进行接触；增加碳毡的厚度，提高水力停留时间，可以在保证污染物去除的情况下，提高水蒸发效率。
2.为了提高水蒸发速率和VOCs的去除率。本申请除采用电辅助设备(发电-蓄电模块)外，还优化了黑色介孔TiO2制备方法的制备方法。电能通过碳毡被转化为焦耳热能，从外界输入能量，提高水蒸发速率。此外，黑色介孔TiO2催化剂将光谱的吸收范围从紫外区拓展到近红外区，在光照充足的情况下，不仅起到氧化VOCs的效果，而且还可以起到将光能转化为热能的作用，提高水蒸发速率。在有光照的情况下，光伏板和蓄电池正常工作，为光催化剂提供偏压，提高光生载流子分离效率，进而提高光催化活性，即提高VOCs的去除效率；在弱光或无光的条件下，负载有黑色TiO2的碳毡作为阳极，电催化降解VOCs，确保在弱光或者无光条件下VOCs也能够得到连续去除。
3.现有光电催化水处理技术，导线直接连接碳毡，热量会从该连接点开始向四周传递，达到温度平衡时，连接点处温度最高，热量向周围辐射，这会产生热量分配不均匀的问题，该点因为温度过高而烧坏碳毡，说明电流分配得不均匀，还会导致各处的催化能效不一致。根据本发明的技术方案，为了提高电催化层有效接触面积，将导线与碳毡的连接方式由导线和碳毡单点连接，变成通过预埋式平行线连接，使得电催化层更均匀，增加了电催化层的有效面积，更有利于催化降解和材料的安全。
4.为了提高集水效率，本申请提出了透光防雾玻璃和金属漏斗形冷凝器的设计，同时结合半导体外壳，来增加水蒸气和冷凝器之间的温差，进行主动冷凝集水。采用透光防雾玻璃，可以确保入射光光强不会被水珠削弱，进而保证了水蒸气的温度不会降低；采用金属漏斗形冷凝器，增加热传导，避免蒸气液化时释放的热量不能有效传递出去；金属漏斗形冷凝器外设半导体外壳，可增大水蒸气和冷凝器之间的温度差ΔT，使水蒸气液化为冷凝水的效率提高，进而提高了收集水的效率。
5.本发明使用了光伏板和蓄电池，充分利用太阳能，实现全天候产净水，提高冷凝水水质和水量的稳定性。具体而言，在光照充足的条件下，光伏板和蓄电池正常工作，光伏板将多余的光能转换为电能，导入到蓄电池内，对蓄电池充电，同时蓄电池连接系统，为系统提供电能，此时，系统直接利用光能和电能产净水；在弱光或者无光的条件下，光伏板不工作，蓄电池直接为系统提供电能，系统利用电能产净水。
综上，本申请实现了全天候产净水，提高了冷凝水水质和水量的稳定。此外，无论是在光照充足与否，蓄电池均会向半导体制冷外壳提供电能，利用珀耳帖效应制冷，扩大蒸汽和漏斗形冷凝器的温差，提高集水效率。
附图说明
图1为本申请的基于太阳能光热界面降解水中易挥发有机物并全天候产净水的装置的结构示意图，其中：1-透光玻璃；2-疏水性改性的漏斗形冷凝器；3-集水槽；4-导水管；5-光热光催化阳极；6-伞形导水器；7-电热电催化阴极；8-隔热支撑层；9-待处理水储水箱；10-光伏板；11-蓄电池；12-导线；13-半导体制冷外壳；
图2显示本申请的装置的蒸发速率；
图3显示经过阳极和阴极的催化降解作用，冷凝水中苯酚的浓度；
图4显示不同情况下的自由基信号，其中，(a)：为光照+蓄电池时光热光催化阳极产生的自由基信号，(b)：为仅蓄电池通电时光热光催化阳极产生的自由基信号，(c)：仅光照时光热光催化阳极产生的自由基信号；
图5显示电热电催化阴极7在1h时的H2O2浓度；
图6显示碳毡的亲水性；
图7显示碳毡的吸水性；
图8显示改性碳毡和未改性碳毡的水蒸发量；
图9显示不同催化剂的阻抗比较；
图10显示不同催化剂的光电流大小；
图11显示不同厚度碳毡的降解效率；
图12显示被动冷凝和主动冷凝集水效率对比。
具体实施方式
实施例1
根据本申请的基于太阳能光热界面降解水中易挥发有机物并全天候产净水的装置，包括净水收集模块、蒸发-催化模块和发电-蓄电模块，
所述净水收集模块包括透光玻璃、漏斗形冷凝器和半导体制冷外壳，所述漏斗形冷凝器底部设有集水槽和导水管，所述透光玻璃设置于所述漏斗形冷凝器顶部，与漏斗形冷凝器构成半封闭空间，所述半导体制冷外壳套在所述漏斗形冷凝器外，并紧贴漏斗形冷凝器，扩大蒸汽和冷凝器之间的温差，进行主动冷凝集水；
所述蒸发-催化模块包括光热光催化阳极、伞形导水器、电热电催化阴极和隔热支撑层，所述光热光催化阳极和电热电催化阴极均设置在所述隔热支撑层之上，在所述光热光催化阳极和所述电热电催化阴极之间设置伞形导水器，在所述电热电催化阴极和隔热支撑层的中心均开有孔，便于伞形导水器穿过，所述伞形导水器的伞柄和待处理水直接接触，所述隔热支撑层漂浮于待处理水储水箱之中；
所述发电-蓄电模块包括光伏板和蓄电池，所述光伏板与所述蓄电池直接连接，蓄电池的正极和光热光催化阳极相连接，蓄电池的负极和电热电催化阴极相连接。
作为优选，所述漏斗形冷凝器可以使用铜、铝、不锈钢等金属或者合金，其内测涂有聚二甲基硅氧烷作为超疏水层。
如图1所示，本申请的基于太阳能光热界面降解水中易挥发有机物并全天候产净水的装置包括透光玻璃1、漏斗形冷凝器2、漂浮在待处理水储水箱9的隔热支撑层8、设置在所述隔热支撑层8之上的光热光催化阳极5、伞形导水器6和电热电催化阴极7，其中伞形导水器6夹在所述光热光催化阳极5和所述电热电催化阴极7之间，在所述电热电催化阴极7和隔热支撑层8中心均开设大小与所述伞形导水器6伞柄大小一致的孔，便于所述伞形导水器6穿过，并和所述待处理水储水箱9中的水直接接触；蓄电池11的正极和所述光热光催化阳极5连接，负极和所述电热电催化阴极7连接；半导体制冷外壳13和蓄电池通过导线12连接；光伏板10和所述蓄电池11通过导线12连接。
所述漏斗形冷凝器2顶部设有卡槽，可以与所述透光玻璃1匹配，底部设有集水槽3和导水管4，所述集水槽3的开口可以容纳所述光热光催化阳极5。所述漏斗形冷凝器具体2使用厚为2mm铜片制成，整体高10cm，内壁涂有聚二甲基硅氧烷作为超疏水层，顶部开口为半径4cm的圆形，底部开口为半径2.5cm的圆形，集水槽3高0.5cm，槽宽0.5cm，导水管4使用长为1cm、厚为1mm的橡胶材质制备而成。
优选，透光玻璃1为防雾玻璃。目前大多数当前的蒸汽冷凝过程很大程度上依赖于蒸汽与顶部玻璃盖(蒸汽冷凝器)之间的热交换，为被动冷凝集水。由于玻璃热导率为0.712-1.340W/(m·K)，远低于金属铜、铝的热导系数(铜的导热系数为：398W/m.K，铝的导热系数为：237W/m.K)，所以蒸气液化时释放的热量不能有效传递出去，导致水蒸气和冷凝器之间的温度差ΔT逐渐减小，而水蒸气液化是放热的过程，温差越大则越容易液化，所以ΔT减小导致集水量减少，降低集水效率。本申请采用透光防雾玻璃和金属漏斗形冷凝器的设计，来增加水蒸气和冷凝器之间的温差。采用透光防雾玻璃，可以确保入射光光强不会被水珠削弱，进而保证了水蒸气的温度不会降低；采用金属漏斗形冷凝器，增加热传导，避免蒸气液化时释放的热量不能有效传递出去，从而增加水蒸气和冷凝器之间的温差；采用半导体制冷法进行主动冷凝集水，即在金属漏斗形冷凝器外增加一层半导体制冷外壳，并紧贴漏斗形冷凝器，消耗电能，主动地降低漏斗形冷凝器的温度，扩大水蒸气和冷凝器之间的温度差ΔT，进而有效地增大集水效率。
经过实验发现，在仅有漏斗形冷凝器的时候，1h可以产生1.95kg/m2的蒸汽，但仅有0.56kg/m2的水被收集，集水效率为28.7％。如图12所示，在相同的条件下，漏斗形冷凝器+半导体制冷外壳同时存在时，1h能够集水1.41kg/m2，集水效率为72.3％，集水效率提升了2.5倍。
根据本申请的技术方案，将金属漏斗形冷凝器的内表面做成粗糙和疏水的表面(聚二甲基硅氧烷改性)，有利于水蒸气成核和凝结成冷凝水，进而提高集水效率。
水蒸气在上升的过程中首先通过漏斗形冷凝器，一方面，避免使用顶部的透光玻璃作为冷凝面，进而避免其形成小液滴(起雾)影响光热光催化阳极对光的吸收，确保了光热转换效率和产水效率；另一方面，由于金属的热导率较高，可以将蒸气中的热量快速地导入到周围的空气中，降低热量在装置内的累积，通过该过程(气冷过程)，将水蒸气快速液化形成冷凝水。
所述光热光催化阳极5的具体制备方法如下：使用半径为2cm的碳毡将碳毡浸泡于硝酸24h，得到亲水性碳毡，将0.5g二氧化钛和0.1g硼氢化钠均加入到50mL纯水中，搅拌0.5h后，和亲水性碳毡一起转移至100mL的水热反应釜中，加热到200℃并保持16h，自然冷却至室温后取出碳毡，使用纯水冲洗并于室温下晾干，即得到光热光催化阳极5。
所述电热电催化阴极6的具体制备方法如下：将0.25g碳纳米管分散于25mL的纯水中，形成分散液，然后用带有0.5mm喷嘴的喷枪在0.2MPa的压力下，将分散液喷涂到亲水性碳毡上，再将预制的0.1wt％的聚乙烯醇溶液喷涂到亲水性上，最后，亲水性碳毡在70℃下浸入含有10.6ml戊二醛和3.7ml盐酸的溶液中交联60min，并于室温下晾干，最后在中心处开有半径为5mm的圆孔，即得到电热电催化阴极6。伞形导水器6具体使用棉布材料，将伞盖裁剪为半径2cm厚5mm的圆柱，将伞柄裁剪为半径5mm高6cm的圆柱，伞盖和伞柄通过聚乙烯醇胶粘合，进而构成完整的可以通过毛细作用吸水的伞形导水器6。
根据本申请的技术方案，为了提高电热电催化阴极的电催化层有效接触面积，连接的方式由之前的导线和碳毡单点连接，变成在碳毡中预埋平行线，使得电催化层更均匀，增加了电催化层的有效面积。
“光热光催化阳极”和“电热电催化阴极”的碳毡改性方法：将未改性碳毡放入马弗炉中，500℃煅烧2h，5℃/min升温速率，即可得到亲水性碳毡。如图6所示，通过接触角可以清楚地看到碳毡的亲水性增强。如图7所示，通过吸水性可以看到，在5min时，改性和未改性碳毡的吸水量区别明显，亲水性碳毡的吸水量提高超过100倍。
如图8所示，直接测量了改性碳毡和未改性碳毡的水蒸发量，发现改性碳毡的蒸发量为1.66kg m-2h-1，为未改性碳毡(1.1kg m-2h-1)的1.5倍左右。
黑色介孔TiO2起到光转换为热、光催化和电催化的作用，负载于光热光催化阳极5。黑色介孔TiO2制备方法：将1.5g F127和2mL乙酸、30mL四氢呋喃、3.4mL钛酸丁酯混合搅拌24h，形成透明清澈的黄色溶液，然后将溶液转移到烘箱中，80℃下蒸发8h，然后将粉末在空气中和氮气分别在400℃下煅烧3h，得到介孔TiO2，0.5g介孔TiO2和0.1g硼氢化钠混合均匀，放在Ar气氛中350℃煅烧30min。与之相对比，按照相同的方法，将P25变成黑色的TiO2。
如图9和图10所示，催化效果为本申请的催化剂＞黑色TiO2(P25改性)＞TiO2(自制)＞P25(商用)。
增加碳毡的厚度，trade-off效应的出现，是因为低水力停留时间，所以可以增加催化层的厚度。碳毡厚度分别为0.25mm、0.5mm、1mm和1.5mm，如图11所示，通过实验测得的苯酚降解效率分别为：78.9％、85.3％、91.1％和91.8％，1mm和1.5mm厚度的碳毡降解效率基本一致，所以选择1mm的碳毡来进行后续实验，提高水力停留时间，这可以在保证污染物去除的情况下，提高水蒸发效率。
因此，通过以上解决方式，实现水蒸发速率和污染物降解相匹配，进而突破trade-off效应。
所述隔热支撑层8由高为5.5cm、半径为2cm的聚乙烯泡沫棉制成，并在中心处开有半径为5mm的圆孔，便于伞形导水器6的穿过。
所述蓄电池电压为5V，额定容量为8000mAh；光伏板具体尺寸为324*216*17mm，功率为10W。
实施例2光照+蓄电池时采用本申请的净水装置产净水
光照+蓄电池时，采用本申请的净水装置产净水的步骤：
以10mg/L的苯酚溶液模拟被VOCs污染的水源，在功率为1kw/m2的光辐照功率下，光伏板10将产生的电能传输到蓄电池11中，一部分电能存储在蓄电池11中，一部分电能被光热光催化阳极5以及电热电催化阴极7转化为热量用于水蒸发，并催化降解VOCs。同时，光透过透光玻璃1被光热光催化阳极5转化为热能，其上的光催化剂也对VOCs进行催化降解。经过1h，如图2所示，可以测得装置的蒸发速率为1.95kg/(h·m2)，远高于自然蒸发时的蒸发速率(0.153kg/(h·m2))；如图3所示，经过阳极和阴极的催化降解作用，冷凝水中苯酚的浓度为0.89mg/L；图4，(a)为光热光催化阳极5产生的自由基信号；如图5所示，电热电催化阴极7在1h时的H2O2浓度为43.1mg/L。
实施例3仅蓄电池通电时，采用本申请的净水装置产净水
以10mg/L的苯酚溶液模拟被VOCs污染的水源，光伏板10不工作，蓄电池11为光热光催化阳极5以及电热电催化阴极7供电，电能一方面转化为热量用于水蒸发，另一方面催化降解VOCs。经过1h，如图2所示，可以测得装置的蒸发速率为0.477kg/(h·m2)；如图3所示，经过阳极和阴极的电催化降解后，冷凝水中苯酚的浓度为6.54mg/L；图4，(b)为光热光催化阳极5产生的自由基信号；如图5所示，电热电催化阴极7在1h时的H2O2浓度为45.6mg/L。
对比例1仅光照时采用本申请的净水装置产净水
以10mg/L的苯酚溶液模拟被VOCs污染的水源，在功率为1kw/m2的光辐照功率下，光伏板10不工作，蓄电池11也不工作，光透过透光玻璃1被光热光催化阳极5转化为热能，其上的光催化剂也对VOCs进行催化降解。经过1h，如图2所示，可以测得装置的蒸发速率为1.56kg/(h·m2)；如图3所示，经过阳极光催化降解作用，冷凝水中苯酚的浓度为2.45mg/L；图4(c)为光热光催化阳极5产生的自由基信号；如图5所示，在蓄电池不工作的情况下，电热电催化阴极7不产生H2O2。
以上实施例仅用于解释本申请的技术方案，不限定本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于太阳能光热界面降解水中易挥发有机物并全天候产净水的装置，其特征在于，所述装置包括净水收集模块、蒸发-催化模块和发电-蓄电模块，其中，
所述净水收集模块包括透光玻璃和漏斗形冷凝器，所述漏斗形冷凝器底部设有集水槽和导水管，所述透光玻璃设置于所述漏斗形冷凝器顶部，与漏斗形冷凝器构成半封闭空间，所述漏斗形冷凝器内层涂有疏水材料，所述漏斗形冷凝器外套有半导体制冷外壳，紧贴漏斗形冷凝器；
所述蒸发-催化模块包括光热光催化阳极、伞形导水器、电热电催化阴极和隔热支撑层，所述光热光催化阳极和电热电催化阴极均设置在所述隔热支撑层上方，在所述光热光催化阳极和所述电热电催化阴极之间设置伞形导水器，在所述电热电催化阴极和所述隔热支撑层的中心均开有伞形导水器穿过的孔，所述伞形导水器的伞柄和待处理水直接接触，所述隔热支撑层漂浮于待处理水储水箱之中；
所述发电-蓄电模块包括光伏板和蓄电池，所述光伏板与所述蓄电池直接连接，所述蓄电池和所述光热光催化阳极、电热电催化阴极相连，所述半导体制冷外壳与所述蓄电池连通。
2.根据权利要求1所述的基于太阳能光热界面降解水中易挥发有机物并全天候产净水的装置，其特征在于，所述漏斗形冷凝器由导热的金属制成，所述蓄电池的正极和光热光催化阳极相连接，蓄电池的负极和所述电热电催化阴极相连接。
3.根据权利要求1所述的基于太阳能光热界面降解水中易挥发有机物并全天候产净水的装置，其特征在于，所述伞形导水器由棉布制成。
4.根据权利要求1所述的基于太阳能光热界面降解水中易挥发有机物并全天候产净水的装置，其特征在于，透光玻璃为防雾玻璃。
5.根据权利要求1所述的基于太阳能光热界面降解水中易挥发有机物并全天候产净水的装置，其特征在于，所述集水槽的开口容纳所述光热光催化阳极。
6.根据权利要求1所述的基于太阳能光热界面降解水中易挥发有机物并全天候产净水的装置，其特征在于，所述光热光催化阳极和所述电热电催化阴极内包括碳毡，所述碳毡经以下步骤改性：将未改性碳毡在500℃煅烧2h，5℃/min升温速率。
7.根据权利要求6所述的基于太阳能光热界面降解水中易挥发有机物并全天候产净水的装置，其特征在于，所述光热光催化阳极和所述电热电催化阴极内包括的碳毡的厚度为1mm。
8.根据权利要求6所述的基于太阳能光热界面降解水中易挥发有机物并全天候产净水的装置，其特征在于，所述光热光催化阳极的具体制备方法如下：
将碳毡浸泡于硝酸，得到亲水性碳毡；
将0.5g二氧化钛和0.1g硼氢化钠均加入到50mL纯水中，搅拌0.5h后，加热到200℃，并保持16h，自然冷却至室温后取出碳毡，冲洗并晾干，即得到光热光催化阳极。
9.根据权利要求6所述的基于太阳能光热界面降解水中易挥发有机物并全天候产净水的装置，其特征在于，所述电热电催化阴极的制备方法如下：
将0.25g碳纳米管分散于25mL的纯水中，形成分散液；
将分散液喷涂到亲水性碳毡上；
将预制的0.1wt％的聚乙烯醇溶液喷涂到亲水性碳毡上；
将亲水性碳毡在70℃下浸入含有10.6ml戊二醛和3.7ml盐酸的溶液中交联60min，并于室温下晾干，即得到电热电催化阴极。
10.根据权利要求1所述的基于太阳能光热界面降解水中易挥发有机物并全天候产净水的装置，其特征在于，光热光催化阳极负载有黑色介孔TiO2催化剂，其制备方法如下：
将1.5g F127和2mL乙酸、30mL四氢呋喃、3.4mL钛酸丁酯混合搅拌24h，形成透明清澈的黄色溶液；
将溶液转移到烘箱中，80℃下蒸发8h，然后将粉末在空气中和氮气分别在400℃下煅烧3h，得到介孔TiO2，0.5g介孔TiO2和0.1g硼氢化钠混合均匀，放在Ar气氛中350℃煅烧30min。
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