TWI621593B - 光電化學反應系統 - Google Patents
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Abstract
一種光電化學反應系統，包含一個海水收集單元、一個過濾單元、一個蒸餾單元，以及一個光電化學單元。該蒸餾單元包括一個位於該過濾單元一側的蒸餾模組，以及一個連接該蒸餾模組的第一收集模組。該蒸餾模組用於蒸餾受到該過濾單元過濾後的海水。該第一收集模組收集蒸餾海水後所產生的一電解水溶液，該電解水溶液的鹽度高於海水鹽度。透過本發明上述單元，可將海水經由過濾、蒸餾後得到鹽度較高的該電解水溶液，以作為電解液進行光電化學反應，由於海水為大自然環境中的資源，故為一種自然、乾淨、環保的電解液來源。
Description
本發明是有關於一種光電化學反應系統，特別是指一種整合海水蒸餾，並能轉化二氧化碳與產生氫氣的光電化學反應系統。
參閱圖1，為一種已知用於減少二氧化碳(CO2)的光電化學系統，包含一個具有一陽極空間111與一陰極空間112並容裝有電解液的容器11、分別位於該陽極空間111與該陰極空間112的一個陽極電極12與一個陰極電極13、一連接該陽極電極12與陰極電極13的導線14、一個位於該容器11的陰極空間112與陽極空間111之間的陽離子交換膜15，以及一光源16，此光源16可以是太陽光或燈具。該陽極電極12又可稱為光電極，其為半導體材料，當受到該光源16之光線照射後可進行光電解反應，受光激發而產生電子電洞對分離，電洞於陽極分解水而產生氫離子與氧氣，電子會由外部電路(即該導線14)傳導至陰極電極13，而該容器11之陰極可通入CO2，電子於陰極可以還原CO2並產生氫氣與甲酸等碳氫化合物，如此可降低CO2含量，達到產生潔淨能源及減緩溫室效應的目的。
然而，該光電化學系統所使用的電解液，例如KOH、NaOH等電解液，必須另外透過人工方式以化學藥品進行配製，如此會有廢液處理的問題，而且化學藥品對於環境較容易造成污染，故此問題有待改良。
因此，本發明之目的，即在提供一種環保、乾淨，可利用自然資源取得電解液的光電化學反應系統。
於是，本發明光電化學反應系統，包含一個海水收集單元、一個過濾單元、一個蒸餾單元，以及一個光電化學單元。
該海水收集單元包括一個用於儲存海水的第一儲存槽。該過濾單元連接該海水收集單元，並用於過濾自該第一儲存槽輸送而來的海水。該蒸餾單元包括一個位於該過濾單元一側的蒸餾模組，以及一個連接該蒸餾模組的第一收集模組，該蒸餾模組用於蒸餾受到該過濾單元過濾後的海水，該第一收集模組收集蒸餾海水後所產生的一電解水溶液，該電解水溶液的鹽度高於海水鹽度。該光電化學單元位於該第一收集模組一側，並能於照光後進行光電化學反應，以轉化二氧化碳及產生氫氣。該光電化學單元包括一個具有一個陽極空間與一個陰極空間並用於容裝該電解水溶液的容器、一個位於該陽極空間並能吸收光而產生電子電洞對分離的陽極、一個位於該陰極空間的陰極電極，以及一個位於該容器的該陰極空間與該陽極空間之間的陽離子交換膜。
本發明之功效在於：透過該海水收集單元、該過濾單元、該蒸餾單元與該光電化學單元的配合，可將海水經由過濾與蒸餾後得到鹽度較高的該電解水溶液，以作為電解液進行光電化學反應。由於海水為大自然環境中的資源，故為一種自然、乾淨、環保的電解液來源，可以免去以往利用化學藥品配製電解液所產生的污染問題與廢液處理問題。
參閱圖2、3、4，本發明光電化學反應系統之一實施例，包含一個海水收集單元2、一個過濾單元3、一個蒸餾單元4，以及一個光電化學單元5。
該海水收集單元2包括一個用於儲存海水的第一儲存槽21，以及一個用於將海水抽送到該第一儲存槽21的抽水泵浦22。
該過濾單元3連接該海水收集單元2，並用於過濾自該第一儲存槽21輸送而來的海水。該過濾單元3可以包括一個濾網31、一個過濾棉片32、活性碳等元件與物質。或者，該過濾單元3可以採用已知的過濾器，並可利用離子交換或逆滲透或其他方式進行海水過濾。該過濾單元3可以將海水中較大的雜質、垃圾、漂浮物、泥沙、藻類過濾掉，另外還可以過濾海水中的有機質，以及過濾MgCl2、KCl等易形成固態晶體的物質。
該蒸餾單元4包括一個位於該過濾單元3一側的蒸餾模組41，以及連接該蒸餾模組41的一個第一收集模組42與一個第二收集模組43。該蒸餾模組41用於蒸餾受到該過濾單元3過濾後的海水，並包括一個用於儲存自該過濾單元3輸送而來的海水的第二儲存槽411，以及一個位於該第二儲存槽411一側的集光鏡412。本實施例的集光鏡412是一個凸透鏡，能將太陽光聚焦，使聚焦後的太陽光照射該第二儲存槽411中的海水，以使海水中的部分水分蒸發並凝結，達到蒸餾目的。但於實施時，不限於以上述方式蒸餾為限制。
該第一收集模組42與該第二收集模組43皆可包括一連接該蒸餾模組41的管路，以及一連接該管路的容器。上述蒸餾海水後蒸發凝結出的水分可受到該第二收集模組43收集，此蒸發凝結出的水分為淡水，其鹽度低於海水鹽度。而海水蒸發凝結出水分後，剩餘留在該第二儲存槽411中的海水由於水分變少，故形成鹽度較高的海水，此為一電解水溶液。該第一收集模組42收集蒸餾海水後所產生的該電解水溶液，該電解水溶液的鹽度高於一般海水的鹽度，所述一般海水即是指由海洋收集得到，且未經由蒸餾處理的海水。該電解水溶液為濃度大於或等於0.7M的氯化鈉水溶液，較佳地，為濃度大於或等於1M的氯化鈉水溶液。
該光電化學單元5位於該第一收集模組42一側，並能於照光後進行光電化學反應，以轉化二氧化碳及產生氫氣。該光電化學單元5包括一個具有一個陽極空間511與一個陰極空間512並用於容裝該電解水溶液的容器51、一個位於該陽極空間511的陽極電極52、一個位於該陰極空間512的陰極電極53、一個連接該陽極電極52與陰極電極53的導線54、一個位於該容器51的陰極空間512與陽極空間511之間的陽離子交換膜55，以及一個連接該第一收集模組42，並用於將該電解水溶液輸送至該容器51中的輸送管56。該陽極電極52又可稱為光電極，能吸收光而產生電子電洞對分離。該陽極電極52材料例如半導體、金屬氧化物、金屬等材料。
本發明使用時，首先由該海水收集單元2引進海水，儲存於該第一儲存槽21，接著可透過管路將海水引入該過濾單元3，過濾海水中多餘的雜質。過濾後的海水被輸送進入該蒸餾單元4的該第二儲存槽411，再將該第二儲存槽411置於室外，而該集光鏡412將太陽光聚焦照射於該第二儲存槽411中的海水，使海水蒸發後遇冷凝結，蒸發凝結出的水分可經由管路引入該第二收集模組43收集，並且成為鹽分較低的淡水，可再透過適當管路將該第二收集模組43中的淡水引入民生或工業系統中，使淡水作為民生或工業運用。
另一方面，該第一收集模組42收集蒸餾後剩下，且鹽度高於一般海水鹽度的該電解水溶液。該電解水溶液的NaCl濃度夠高，故該電解水溶液可作為光電化學反應中的電解液。因此，可經由該光電化學單元5的該輸送管56，將該第一收集模組42中的電解水溶液輸送進入該光電化學單元5的該容器51中，該電解水溶液可填入該陰極空間512與該陽極空間511，以作為電解液。該光電化學單元5的該陽極電極52可照射太陽光，以產生電子電洞對，電洞於陽極進行分解水並產生氫離子與氧氣，電子由該導線54傳輸至陰極，以還原氫離子和原本就溶解於該電解水溶液中的CO2，使CO2減少，並可產生氫氣、甲酸與其他碳氫化合物，其中氫氣可作為燃料，甲酸與其他碳氫化合物可應用於工業中。而且隨著光電化學反應持續進行，陰極處的該電解水溶液中的CO2會持續減少，如此一來，本發明裝置外部，也就是大氣環境中的CO2可再自動溶入陰極電解液中，從而可透過本發明再繼續將CO2進行轉化，以減少空氣中的CO2，降低溫室效應氣體。值得一提的是，由於海水中原本就溶有CO2氣體，再加上前述大氣環境中的CO2可再自動溶入該電解水溶液中並受到該光電化學單元5轉化，故本發明以海水作為電解液，可不需要另外主動於陰極通入CO2，如此可減少主動通入CO2以及事前收集CO2所產生的能源損耗。但於實施時，還是可以透過外加CO2的方式，將CO2通入該容器51的電解水溶液中，使該容器51的電解水溶液的CO2濃度高於該第一收集模組42所收集的電解水溶液的CO2濃度。
本發明使用時，每隔一段時間就可將該光電化學單元5中的電解液換成新的一批經由本發明收集、過濾且蒸餾後的高鹽度海水(也就是該電解水溶液)，該電解水溶液為濃度大於或等於0.7M的氯化鈉水溶液，較佳地大於或等於1M，當其濃度高時，作為電解液的效果更好。本發明利用經處理過的海水作為電解液，由於海水為大自然環境中的資源，故為一種自然、乾淨、環保的電解液來源。本發明設置該過濾單元3先過濾海水後再蒸餾，而非直接將海水進行蒸餾，主要是因為，若在未濾除雜質的情況下直接蒸餾海水並取得電解水溶液，則電解水溶液中會殘存較多雜質，如此會影響光電化學反應的進行，導致轉化CO2、產氫與產生甲酸的效率受到影響，而且含有較多雜質的電解水溶液容易導致該光電化學單元5的各元件殘留雜質與殘留MgCl2、KCl等固態結晶物質，從而影響到元件效能與壽命，故本發明設置該過濾單元3具有其優異效果。而且本發明蒸餾時所用到的光源，以及該陽極電極52吸收的光，皆可由太陽光提供，而不須額外使用燈具來作為光源，如此可避免燈具耗電的問題，因此具有節能效果。
綜上所述，透過該海水收集單元2、該過濾單元3、該蒸餾單元4與該光電化學單元5的配合，可將海水作為電解液進行光電化學反應，達到轉化CO2及產生氫氣的目的，同時免去以往利用化學藥品配製電解液所產生的污染問題與廢液處理問題。更進一步地，本發明可利用太陽能作為光源，搭配海水作為電解液，如此就不需要額外消耗其它能源，此種可結合地球上永續資源來減緩溫室效應氣體以及產生能源(氫氣可作為燃料)之創新結構設計，確實達到本發明的目的，並且對於產業利用有非常大的助益。
惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
2‧‧‧海水收集單元
21‧‧‧第一儲存槽
22‧‧‧抽水泵浦
3‧‧‧過濾單元
31‧‧‧濾網
32‧‧‧過濾棉片
4‧‧‧蒸餾單元
41‧‧‧蒸餾模組
411‧‧‧第二儲存槽
412‧‧‧集光鏡
42‧‧‧第一收集模組
43‧‧‧第二收集模組
5‧‧‧光電化學單元
51‧‧‧容器
511‧‧‧陽極空間
512‧‧‧陰極空間
52‧‧‧陽極電極
53‧‧‧陰極電極
54‧‧‧導線
55‧‧‧陽離子交換膜
56‧‧‧輸送管
21‧‧‧第一儲存槽
22‧‧‧抽水泵浦
3‧‧‧過濾單元
31‧‧‧濾網
32‧‧‧過濾棉片
4‧‧‧蒸餾單元
41‧‧‧蒸餾模組
411‧‧‧第二儲存槽
412‧‧‧集光鏡
42‧‧‧第一收集模組
43‧‧‧第二收集模組
5‧‧‧光電化學單元
51‧‧‧容器
511‧‧‧陽極空間
512‧‧‧陰極空間
52‧‧‧陽極電極
53‧‧‧陰極電極
54‧‧‧導線
55‧‧‧陽離子交換膜
56‧‧‧輸送管
本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中： 圖1是一種已知光電化學系統的裝置示意圖； 圖2是本發明光電化學反應系統的裝置示意圖； 圖3是該實施例的部分元件的功能方塊圖；及 圖4是該實施例的一光電化學單元的裝置示意圖。
Claims (4)
- 一種光電化學反應系統，包含：一個海水收集單元，包括一個用於儲存海水的第一儲存槽；一個過濾單元，連接該海水收集單元，並用於過濾自該第一儲存槽輸送而來的海水；一個蒸餾單元，包括一個位於該過濾單元一側的蒸餾模組，以及一個連接該蒸餾模組的第一收集模組，該蒸餾模組用於蒸餾受到該過濾單元過濾後的海水，該第一收集模組收集蒸餾海水後所產生的一電解水溶液，該電解水溶液的鹽度高於海水鹽度，該電解水溶液為濃度大於或等於0.7M的氯化鈉水溶液；及一個光電化學單元，位於該第一收集模組一側，並能於照光後進行光電化學反應，以轉化二氧化碳及產生氫氣，該光電化學單元包括一個具有一個陽極空間與一個陰極空間並用於容裝該電解水溶液的容器、一個位於該陽極空間並能吸收光而產生電子電洞對分離的陽極、一個位於該陰極空間的陰極電極，以及一個位於該容器的該陰極空間與該陽極空間之間的陽離子交換膜；其中，該蒸餾單元還包括一個連接該蒸餾模組的第二收集模組，該第二收集模組收集蒸餾海水後所產生之鹽度低於海水鹽度的淡水；該蒸餾模組包括一個用於儲存自該過濾單元輸送而來的海水的第二儲存槽，以及一個位於該第二儲存槽一側 的集光鏡，該集光鏡能將太陽光聚焦，聚焦後的太陽光照射該第二儲存槽中的海水，以使海水中的水分蒸發並凝結。
- 如請求項1所述的光電化學反應系統，其中，該過濾單元包括一個濾網與一個過濾棉片。
- 如請求項1所述的光電化學反應系統，其中，該電解水溶液為濃度大於或等於1M的氯化鈉水溶液。
- 如請求項1所述的光電化學反應系統，其中，該光電化學單元還包括一個連接該第一收集模組，並用於將該電解水溶液輸送至該容器中的輸送管。
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| CN102534645A (zh) * | 2012-02-01 | 2012-07-04 | 华东理工大学 | 一种光催化辅助电解水制氢的方法 |
| CN202430296U (zh) * | 2011-12-22 | 2012-09-12 | 华锐风电科技(集团)股份有限公司 | 用于风电海水淡化系统的电解海水制氯装置 |
| CN103626246A (zh) * | 2013-11-11 | 2014-03-12 | 武汉纺织大学 | 一种太阳能海水资源化处理方法 |
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| CN103626246A (zh) * | 2013-11-11 | 2014-03-12 | 武汉纺织大学 | 一种太阳能海水资源化处理方法 |
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