CN212198625U - 一种太阳能电池-光电化学池一体化装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种太阳能电池‑光电化学池一体化装置，包括：光电化学池、金属硫氧化物光阳极、钛片阴极、直流稳压电源、太阳能发电系统和LED光源。联用太阳能发电系统可实现体系的连续运行和能量自供应，极大程度提高了对于太阳能的利用率。施加较低的外加偏压、使用LED光源作为激发光源和采用有机玻璃材质的光电化学池，极大地降低了成本。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种太阳能电池-光电化学池一体化装置。
背景技术
充足的清洁水源的获取，是影响人类健康状况的世界性问题。通过水体传播的各种疾病是目前需要亟待解决的影响人类健康的问题之一。传统的水处理消毒工艺一般需要消耗大量的化学药剂、需要较高的能耗或需要昂贵的水处理设备。世界范围内使用较多的消毒工艺包含氯化消毒法、紫外消毒法和臭氧消毒法等。化学消毒法会产生具有三致效应的消毒副产物，不仅会对水体产生二次污染也会对人体健康产生巨大威胁；紫外消毒法需要较高的能耗，处理后的细菌存在一定程度的光复活作用。因而，亟需开展低风险、低能耗、环境友好的消毒工艺的开发。
为了弥补传统消毒技术的不足，作为潜在的能用于环境修复的高级氧化技术(AOPS)之一—光电催化(PEC)消毒近年来被广泛研究。光电催化技术通常采用电光源作为激发光源，其具有可控和稳定等优点，但常用的电光源如氙灯，能耗大且使用寿命短，这样一来光电催化技术在实际应用中的运行和投资成本过高，与传统水处理技术相比，在经济上并不占优势。而太阳光是一种资源丰富的清洁能源，利用太阳能作为光电催化反应的能量来源并结合寿命长、能耗低的LED灯作为光源，不仅可以大大降低废水处理的运行成本，而且还符合节能减排的要求，该技术将具有强大的工程应用潜力。太阳能光电催化氧化技术虽具有很多优势，但至今没有实现大规模的工业化应用，这是由于整个光催化工艺过程的研究以及光催化反应器设计方面并没有达到工业化应用的要求，限制了该技术走向工业化的进程。因此，开发高效节能、结构简单、光催化效率高的新型太阳能光电催化反应器已成为光电催化领域的一个重要研究方向。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题，就是提供一种太阳能电池-光电化学池一体化装置，使用其对水体进行大肠杆菌的灭活，能破坏细菌细胞结构，彻底灭活大肠杆菌，且装置具有成本低廉、无消毒副产物等优点。
解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案为：
一种太阳能电池-光电化学池一体化装置，其特征是包括：
一太阳能发电系统1，由蓄电池以及单晶硅太阳能板太阳能发电一体机构成，单晶硅太阳能板接收太阳能给予太阳能发电一体机发电，太阳能发电一体机在供电的同时又与蓄电池连接蓄电；
一光电催化反应系统，由直流稳压电源2、光电化学池3、光源4、金属硫氧化物光阳极5和钛片阴极6构成，金属硫氧化物光阳极5和钛片阴极6设置在所述的光电化学池3内，光源4设置在光电化学池3外并射向所述的金属硫氧化物光阳极5和钛片阴极6，光电化学池3设有让被处理污水流经的进出口；
所述的太阳能发电系统1为光源4供电并通过直流稳压电源2为金属硫氧化物光阳极5提供正偏压、为钛片阴极提供负偏压。
优选地，所述的光电化学池为受光面材质为有机玻璃的池子。
优选地，所述的光源为LED可见光光源。
采用上述装置进行光电催化灭活大肠杆菌时，使电极间距为1cm～10cm、光源或紫外光或太阳光强度为0.01W/cm2～10W/cm2、外加偏压为0.1V～100V、污水中氯化盐浓度为0.01mol/L～3mol/L、反应时间为1h～10h。
本实用新型中的太阳能电池-光电化学池一体化装置中的金属硫氧化物光阳极可在可见光或紫外光或太阳光照射和一定外加偏压条件下可用于水中大肠杆菌的灭活，在太阳能发电系统的驱动下可实现体系的能量自供应。
本实用新型的原理是：在光电化学池中，设有金属硫氧化物电极作光阳极，在可见光或紫外光或太阳光照射和一定外加偏压条件下，利用光电催化产生的多种活性自由基作用于水中的大肠杆菌，破坏细菌细胞结构，彻底灭活大肠杆菌，无光复活现象。
利用制备的金属硫氧化物电极，在可见光或紫外光或太阳光照射和外加偏压条件下，在光化学反应池中进行大肠杆菌灭活试验。试验证明了光电催化灭活大肠杆菌的活性：0.1M氯化盐和106CFU/mL大肠杆菌的混合溶液，反应6h后氨氮的降解率达到99.99％，且细菌结构被破坏，彻底灭活大肠杆菌，避免光复活现象的产生。此外，试验证明装置对革兰氏阳性菌有很好的灭活效果，具有良好的通用性。
本实用新型的效果和益处是：联用太阳能发电系统可实现体系的连续运行和能量自供应，极大程度提高了对于太阳能的利用率。施加较低的外加偏压、使用LED光源作为激发光源和采用有机玻璃材质的光电化学池，极大地降低了成本。金属硫氧化物电极光电催化过程可产生多种自由基高效灭活大肠杆菌，且可破坏细菌细胞结构，彻底灭活大肠杆菌，无光复活现象及消毒副产物产生。
附图说明
下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步的详细说明：
图1为本实用新型实施例的示意图；
图2为金属硫氧化物电极的扫描电镜图；
图3为金属硫氧化物电极的X射线衍射图；
图4为金属硫氧化物电极在连续光照条件下的光电流检测图；
图5为金属硫氧化物电极的紫外可见吸收光谱图；
图6为大肠杆菌浓度变化图；
图7为杀菌前后细菌结构变化图。
图中的附图标记表示如下：1-太阳能发电一体机，2-直流稳压电源，3-光电化学池，4-LED光源，5-金属硫氧化物光阳极，6-钛片阴极。
具体实施方式
参见图1，本实用新型的太阳能电池-光电化学池一体化装置实施例，包括：一太阳能发电系统1，由蓄电池以及单晶硅太阳能板太阳能发电一体机构成，单晶硅太阳能板接收太阳能给与太阳能发电一体机发电，太阳能发电一体机在供电的同时又与蓄电池连接蓄电；一光电催化反应系统，由直流稳压电源2、光电化学池3、LED光源4、金属硫氧化物电极光阳极5和钛片阴极6构成，硫化钼光阳极5和钛片阴极6设置在所述的光电化学池3内，光电化学池的受光面材质为有机玻璃的池子，LED光源4设置在光电化学池3外并射向所述的硫化钼电极光阳极5和钛片阴极6，光电化学池3设有让被处理污水流经的进出口。太阳能发电系统1为LED光源4供电并通过直流稳压电源2为金属硫氧化物光阳极5提供正偏压、为钛片阴极提供负偏压。
上述装置所使用的金属硫氧化物电极的制备方法如下：通过水热法合成金属硫氧化物纳米片，使其生长于钛基底上，然后在含有5％氢气的氮气的保护下高温煅烧，最后在空气中对电极进行高温热氧化处理制得；光电化学池为受光面材质为有机玻璃的池子。
制备的电极材料扫描电镜表征图如图2所示，结果表明金属硫氧化物纳米片厚度大多为10nm左右，为少层结构。
制备的金属硫氧化物电极的X射线衍射图如图3所示，图谱中的各个峰都分别对应着金属硫氧化物、二氧化钛和钛的衍射峰，说明制备的电极中没有其他杂质的掺入。
制备的金属硫氧化物电极在0.5V外加偏压下连续光照1h的光电流检测图如图4所示。连续光照1h其电流持续上升，说明电极具备优异的光电性能。
制备的金属硫氧化物电极紫外可见吸收光谱如图5所示，可看出金属硫氧化物电极对于全谱可见光(400～800nm)有着很好的吸收能力，可见光约占整个太阳能光谱的40％，可看出制备的电极材料对于太阳光谱有着较好的利用效率。
以下为以本实用新型进行水处理的有益效果。
实施例1
对比了不同外加偏压条件下大肠杆菌的灭活效果。外加偏压分别选择了1V、1.4V、1.5V四个水平。实验流程如下，以金属硫氧化物电极(42cm2)作光阳极，钛片作阴极(84cm2)，电解质为0.1M NaCl，菌液初始浓度为～106CFU/mL，溶液总体积为3L，利用LED光源提供波长范围400～800nm、光强度为74mW/cm2的可见光。6h内杀菌效率随着外加偏压的升高而不断增大，在1V外加偏压条件下杀菌效率相对较低，电压上升至1.5V时，6h内杀菌效率显著提升至99.99％。
实施例2
对比了不同光强条件下大肠杆菌的灭活效果。以金属硫氧化物电极(42cm2)作光阳极，钛片作阴极(84cm2)，电解质为0.1M NaCl，菌液初始浓度为～106CFU/mL，溶液总体积为3L，利用LED光源提供波长范围400～800nm、光强度分别为25、38、63、74mW/cm2的可见光，6h内杀菌效率随着光强的增大杀菌效率逐渐提高，在25mW/cm2的光强下下杀菌效率相对较低，光强上升至74mW/cm2时，6h内杀菌效率显著提升至99.99％。
实施例3
比较了光电催化杀菌过程中光效应、电效应及光电协同效应的占比情况。以金属硫氧化物电极(42cm2)作光阳极，钛片作阴极(84cm2)，外加偏压1.5V，电解质为0.1M NaCl，菌液初始浓度为～106CFU/mL，溶液总体积为3L，利用LED光源提供波长范围400～800nm、光强度为74mW/cm2的可见光，分别在仅通电无光照、仅光照无通电、既通电且光照三种条件下进行杀菌实验，6h内杀菌效率分别约为30％、52％、99.99％，金属硫氧化物电极光电催化杀菌过程中，光效应占比高于电效应的占比，光效应占主导作用，其余部分为光电协同作用。
实施例4
对比了不同电极位置下大肠杆菌的灭活效果。以金属硫氧化物电极(42cm2)作光阳极，钛片作阴极(84cm2)，电解质为0.1M NaCl，菌液初始浓度为～106CFU/mL，溶液总体积为3L，利用LED光源提供波长范围400～800nm、光强度为74mW/cm2的可见光，在阴极与光阳极的距离分别为1cm、3cm、5cm下，6h内杀菌效率先减小后增大，电极间距为5cm时杀菌率为99.99％。
实施例5
考察了一体化装置杀菌的通用性，分别选择大肠杆菌和粪肠球菌作为革兰氏阴性菌和阳性菌的典型代表来考察光电催化杀菌效果。以金属硫氧化物电极(42cm2)作光阳极，钛片作阴极(84cm2)，外加偏压1.5V，电解质为0.1M NaCl，大肠杆菌和粪肠球菌的初始浓度均为～106CFU/mL，溶液总体积为3L，利用LED光源提供波长范围400～800nm、光强度为74mW/cm2的可见光，分别在不同种类的细菌条件下进行杀菌实验，6h内杀菌效率均能达到99.99％，表明金属硫氧化物电极对于革兰氏阴性菌和阳性菌均有很好的灭活效果，对灭活阴性菌和阳性菌具有很好的通用性。
Claims (4)
1.一种太阳能电池-光电化学池一体化装置，其特征是包括：
一太阳能发电系统（1），由蓄电池以及单晶硅太阳能板太阳能发电一体机构成，单晶硅太阳能板接收太阳能给予太阳能发电一体机发电，太阳能发电一体机在供电的同时又与蓄电池连接蓄电；
一光电催化反应系统，由直流稳压电源（2）、光电化学池（3）、光源（4）、金属硫氧化物光阳极（5）和钛片阴极（6）构成，金属硫氧化物光阳极和钛片阴极设置在所述的光电化学池内，光源设置在光电化学池外并射向所述的金属硫氧化物光阳极和钛片阴极，光电化学池设有让被处理污水流经的进出口；
所述的太阳能发电系统为光源供电并通过直流稳压电源为金属硫氧化物光阳极提供正偏压、为钛片阴极提供负偏压。
2.根据权利要求1所述的太阳能电池-光电化学池一体化装置，其特征是：所述的光电化学池为受光面材质为有机玻璃的池子。
3.根据权利要求2所述的太阳能电池-光电化学池一体化装置，其特征是：所述的光源为LED可见光光源。
4.根据权利要求3所述的太阳能电池-光电化学池一体化装置，其特征是：所述的金属硫氧化物光阳极（5）和钛片阴极（6）间距为1 cm~10 cm。
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|---|---|---|---|---|
| CN113321353A (zh) * | 2021-04-23 | 2021-08-31 | 大唐环境产业集团股份有限公司 | 一种光电催化废水处理系统及处理方法 |
| CN114146658A (zh) * | 2021-11-30 | 2022-03-08 | 哈尔滨工业大学 | 一种电场驱动型Z-Scheme结构光催化反应器 |
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