CN216377792U - 一种基于光催化处理污水的发电、产氢装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种基于光催化处理污水的发电、产氢装置，所述装置包括透明筒、顶盖、底盖、光电阴极和导电片；所述透明筒的上端密封连接有顶盖，透明筒的下端密封连接有底盖，顶盖上设置有进污水口、氢气排出口，底盖上设置有排污水口，透明筒用于盛装污水；所述透明筒的内壁自内向外依次附着有透明导电涂层和二氧化钛纳米管阵列，光电阴极固定在底盖中，光电阴极的下端固定有导电片，导电片、透明导电涂层与污水形成回路。本实用新型低成本、易制造、大光照面积、可长时间持续处理污水，增大光催化剂表面积并且易于回收光催化剂，有效解决了污水处理问题。

Description

一种基于光催化处理污水的发电、产氢装置

技术领域

本实用新型涉及光催化处理污水与电催化析氢领域，具体为一种基于光催化处理污水的发电、产氢装置。

背景技术

光催化处理污水是一种新兴的对污水进行处理的技术，主要集中在如何高效地回收污水中的可利用物质并转化为可用的能源，同时还要尽可能多地回收已使用过的光催化剂。其中，光催化效率主要通过提高比表面积实现，整个处理过程的成本控制主要通过回收光催化剂实现。

二氧化钛纳米管阵列是一种用于光催化处理污水的高效光催化剂，较高的光生电子-空穴对分离效率和较大的比表面积是其拥有优良性能的原因。但是，用于处理污水的二氧化钛光催化剂往往是纳米颗粒或者薄膜材料，纳米颗粒比表面积大，但是回收过程复杂；薄膜材料易制备、易回收但是比表面积相对较小。

实用新型内容

针对现有技术中存在的问题，本实用新型提供一种基于光催化处理污水的发电、产氢装置，低成本、易制造、大光照面积、可长时间持续处理污水，增大光催化剂表面积并且易于回收光催化剂，有效解决了污水处理问题。

本实用新型是通过以下技术方案来实现：

一种基于光催化处理污水的发电、产氢装置，包括透明筒、顶盖、底盖、光电阴极和导电片；

所述透明筒的上端密封连接有顶盖，透明筒的下端密封连接有底盖，顶盖上设置有进污水口、氢气排出口，底盖上设置有排污水口，透明筒用于盛装污水；

所述透明筒的内壁自内向外依次附着有透明导电涂层和二氧化钛纳米管阵列，光电阴极固定在底盖中，光电阴极的下端固定有导电片，导电片、透明导电涂层与污水形成回路。

优选的，所述的顶盖中还设置有导线出口，第一导线的一端连接在透明导电涂层的上端，第二导线的一端连接在导电片的下端，第一导线的另一端通过导线出口与第二导线的另一端连接，导线出口与第一导线密封设置。

进一步，所述的第一导线焊接在透明导电涂层的上端，第二导线的一端焊接在导电片的下端。

再进一步，所述第一导线的另一端与蓄电池的负极连接，第二导线的另一端与蓄电池的正极连接。

优选的，所述的底盖中还设置有电极固定孔，导电片密封插接在电极固定孔中，光电阴极固定在电极固定孔中。

优选的，所述的光电阴极固定在底盖的中心。

优选的，所述的光电阴极包括铂碳电极、氧化亚铜电极、阿尔法-氧化铁电极或还原石墨烯电极。

优选的，所述的进污水口密封连接有进污水管道，排污水口密封连接有排污水管道，氢气排出口密封连接有排氢气管道。

优选的，进污水管道之间填充有密封胶，排污水口与排污水管道之间填充有密封胶，氢气排出口与排氢气管道之间填充有密封胶；

所述透明筒的上端与顶盖之间填充有密封胶，透明筒的下端与底盖之间填充有密封胶。

优选的，所述的透明筒由石英玻璃制成。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益的技术效果：

本实用新型一种基于光催化处理污水的发电、产氢装置，基于透明筒的内壁自内向外依次附着有透明导电涂层和二氧化钛纳米管阵列，这样将污水盛装容器设计为筒状可以接受任意角度的太阳光，使得光催化的效率大大提高。在顶盖上设置进污水口、氢气排出口，底盖上设置排污水口，这样可以根据需要接入污水和排出污水，由于光电阴极固定在底盖中，光电阴极的下端固定有导电片，而导电片、透明导电涂层与污水形成回路，这样将盛装有污水的该装置置于太阳光照射下，有机废物会进行氧化还原反应，同时发生光催化发电和产氢过程，得到的氢气可从氢气排出口排出。具体过程为：太阳光照射至光催化剂二氧化钛纳米管阵列表面并被吸收，产生光生电子-空穴对，由于电极之间的费米能级不匹配，电子受外部电势作用离开光阳极二氧化钛纳米管阵列，而空穴将留下来并参与氧化反应，离开的这一部分电子经回路输送后在阴极光电阴极处发生还原反应，使溶液中的氢离子被还原为氢气。本实用新型用筒状结构代替常规的纳米颗粒或薄膜材料，能够常时处理污水，筒式的结构易于制造和安装，解决了常规方法中对太阳能利用率不足，光催化剂难以回收的问题，从而实现高效率的对污水进行处理。二氧化钛纳米管阵列附着于导电涂层上，可以实现电子空穴对的高效分离，并有效吸收太阳光。进污水口和排污水口分别位于装置的上部和下部，可以连续高效的对污水进行处理。上下长度可以调节，可设计成管状，既便于排布，又能用于处理大量的污水。装置中光催化剂的寿命约为3-5年，期限到达时其光催化效率将明显降低，需要更换。

进一步的，第一导线的另一端与蓄电池的负极连接，第二导线的另一端与蓄电池的正极连接，这样装置正常工作时，被分离的空穴留在光阳极参与氧化反应，而被分离的电子沿着导线由阳极(导电涂层)引出，经过蓄电池的负极，再由蓄电池的正极离开，顺导线到达阴极(光电电极)参与还原反应，将氢离子还原为氢气。在这一过程中，同时实现了发电和产氢。

进一步的，光电电极位于底盖的中心，在保持高效制氢的同时，不会阻挡二氧化钛纳米管阵列对太阳光的吸收。

附图说明

图1为本实用新型所述筒式发电、产氢装置的结构示意图。

图2为图1的横截面示意图。

图中：1-透明筒、2-顶盖、3-底盖、4-进污水口、5-氢气排出口、6-导线出口、7-排污水口、8-电极固定孔、9-透明导电涂层、10-二氧化钛纳米管阵列、11-光电电极和12-导电片。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本实用新型做进一步的详细说明，所述是对本实用新型的解释而不是限定。

本实用新型一种基于光催化处理污水的筒式发电、产氢装置，如图1和图2所示，所示，主要包括石英玻璃材质的透明筒1、顶盖2、底盖3、光电电极11和导电片12，透明圆1的上端深入顶盖2密封设置，透明筒1的下端深入底盖3密封设置，透明筒1的内壁附着有透明导电涂层9，透明导电涂层9的表面附着有二氧化钛纳米管阵列10。顶盖2有三个孔，分别为：进污水口4、氢气排出口5、导线出口6。底盖3有两个孔分别为：排污水口7、电极固定孔8。

导电片12密封插接在电极固定孔8的中心，光电阴极11固定在底盖3的电极固定孔8中，光电阴极11的下端为导电片12，导电片12由耐腐蚀的合金制成。光电电极11浸渍在圆筒1的污水中，导电片12、透明导电涂层9与污水需要形成闭合回路。具体连接时，第一导线的一端焊接在透明导电涂层9的上端，第二导线的一端焊接在导电片12的下端，第一导线的另一端通过导线出口6与蓄电池的入口端(负极)连接，第二导线的另一端与蓄电池的出口端(正极)连接，导线出口6与第一导线密封设置。若装置产生的电动势大于蓄电池的放电电压，便对蓄电池充电。

在具体设计该筒式发电、产氢装置时，透明筒1直径为15cm，顶盖2和底盖3的厚度均为1cm，直径均为15.4cm，进污水口4和氢气排出口5的直径均为1cm，导线出口6的直径为0.4cm。透明筒1、透明导电涂层9和二氧化钛纳米管阵列10的总厚度为0.5cm。光电电极11的直径为1cm，高度为15cm。透明筒1漏在外面的高度为25cm。

光电阴极11主要为铂碳电极，铂碳电极是目前商用电催化析氢效率最高的材料。若为了成本考虑，可以更换其他商用电极材料，包括但不限于氧化亚铜电极、阿尔法-氧化铁电极和还原石墨烯电极。

本实用新型一种基于光催化处理污水的筒式发电、产氢装置在使用时，包括以下步骤：

步骤a、将需要处理的污水进行过滤，以去除其中无法光催化降解的大块杂质如碎石、木棍、树叶等；

步骤b、装置在平地上进行安装：

先将光电电极11固定于电极固定孔8中，并在底盖3上安装透明筒1，然后在透明筒1内的透明导电涂层9上焊接导线，将导线从顶盖2的导线出口6引出，并在透明筒1的顶部安装底盖2，此时导线会收到一定程度的挤压，但不影响装置的运行。

主体完成后，将另一根导线焊接到导电片12的下端，并将两根导线连接至外部的蓄电池，构成一简单回路。

之后，相应地在进污水口4连接进污水管道、排污水口7连接排污水管道、氢气排出口5连接排氢气管道，密封顶盖2、底盖3与透明筒1的边沿、导线出口6与导线的边沿、各个管道与对应孔的边沿，完成整个装置的安装，并将过滤后的污水通过进污水管道通入透明筒1中，由排污水管道排出。

步骤c、装置不使用时需关闭所有阀门，开始使用时先开启排氢气管阀门和进污水管阀门，污水注入完毕后关闭进污水管阀门，并将筒式光催化处理污水发电、产氢装置置于太阳光照射下，进行光催化反应。待一定时间后检测，若已处理的污水符合国家三类水质，则打开排污水管阀门排出。

内部污水排出完毕后，关闭排污水管阀门，并开启进污水管阀门，再次注入污水。由于装置较小，可以使用直接连接的方式进行密封，比如可以使用密封胶。此时进污水口4与进污水管道之间填充有密封胶，排污水口7与排污水管道之间填充有密封胶，氢气排出口5与排氢气管道之间填充有密封胶，透明筒1的上端与顶盖2之间填充有密封胶，透明筒1的下端与底盖3之间填充有密封胶。

Claims (10)

1.一种基于光催化处理污水的发电、产氢装置，其特征在于，包括透明筒(1)、顶盖(2)、底盖(3)、光电阴极(11)和导电片(12)；

所述透明筒(1)的上端密封连接有顶盖(2)，透明筒(1)的下端密封连接有底盖(3)，顶盖(2)上设置有进污水口(4)、氢气排出口(5)，底盖(3)上设置有排污水口(7)，透明筒(1)用于盛装污水；

所述透明筒(1)的内壁自内向外依次附着有透明导电涂层(9)和二氧化钛纳米管阵列(10)，光电阴极(11)固定在底盖(3)中，光电阴极(11)的下端固定有导电片(12)，导电片(12)、透明导电涂层(9)与污水形成回路。

2.根据权利要求1所述的基于光催化处理污水的发电、产氢装置，其特征在于，所述的顶盖(2)中还设置有导线出口(6)，第一导线的一端连接在透明导电涂层(9)的上端，第二导线的一端连接在导电片(12)的下端，第一导线的另一端通过导线出口(6)与第二导线的另一端连接，导线出口(6)与第一导线密封设置。

3.根据权利要求2所述的基于光催化处理污水的发电、产氢装置，其特征在于，所述的第一导线焊接在透明导电涂层(9)的上端，第二导线的一端焊接在导电片(12)的下端。

4.根据权利要求2所述的基于光催化处理污水的发电、产氢装置，其特征在于，所述第一导线的另一端与蓄电池的负极连接，第二导线的另一端与蓄电池的正极连接。

5.根据权利要求1所述的基于光催化处理污水的发电、产氢装置，其特征在于，所述的底盖(3)中还设置有电极固定孔(8)，导电片(12)密封插接在电极固定孔(8)中，光电阴极(11)固定在电极固定孔(8)中。

6.根据权利要求1所述的基于光催化处理污水的发电、产氢装置，其特征在于，所述的光电阴极(11)固定在底盖(3)的中心。

7.根据权利要求1所述的基于光催化处理污水的发电、产氢装置，其特征在于，所述的光电阴极(11)包括铂碳电极、氧化亚铜电极、阿尔法-氧化铁电极或还原石墨烯电极。

8.根据权利要求1所述的基于光催化处理污水的发电、产氢装置，其特征在于，所述的进污水口(4)密封连接有进污水管道，排污水口(7)密封连接有排污水管道，氢气排出口(5)密封连接有排氢气管道。

9.根据权利要求1或8所述的基于光催化处理污水的发电、产氢装置，其特征在于，所述的进污水口(4)与进污水管道之间填充有密封胶，排污水口(7)与排污水管道之间填充有密封胶，氢气排出口(5)与排氢气管道之间填充有密封胶；

所述透明筒(1)的上端与顶盖(2)之间填充有密封胶，透明筒(1)的下端与底盖(3)之间填充有密封胶。

10.根据权利要求1所述的基于光催化处理污水的发电、产氢装置，其特征在于，所述的透明筒(1)由石英玻璃制成。

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