申请日2017.06.06
公开(公告)日2017.09.19
IPC分类号C02F1/467; C02F1/30; C02F1/461; C02F101/30
摘要
本发明公布了一种利用太阳能与光电催化协同处理污水的复合装置。该污水处理复合装置包括反应器，反应器包含至少一个光电催化反应池，光电催化反应池中设有至少一对光电催化电极对，在光电催化反应池上设有污水进口和污水出口，其特征在于，该污水处理复合装置还包括可见光光源和太阳能电池，所述光电催化电极对的阳极为负载可见光响应半导体材料的电极;所述可见光光源照射所述阳极;所述光电催化电极对由所述太阳能电池供电。本发明以廉价高效的太阳能电池取代了传统电化学工作站等设备的外加电场，极大地降低了成本，增加了安全性，且实现了太阳光的有效利用，协同光电催化降解反应，在节省了能耗的同时提高了降解效率。
权利要求书
1.一种污水处理复合装置，包括反应器，所述反应器包含至少一个光电催化反应池，光电催化反应池中设有至少一对光电催化电极对，在光电催化反应池上设有污水进口和污水出口，其特征在于，所述污水处理复合装置还包括可见光光源和太阳能电池，所述光电催化电极对的阳极为负载可见光响应半导体材料的电极;所述可见光光源照射所述阳极;所述光电催化电极对由所述太阳能电池供电。
2.如权利要求1所述的污水处理复合装置，其特征在于，所述阳极上负载的半导体材料为水钠锰矿。
3.如权利要求1所述的污水处理复合装置，其特征在于，所述阳极的电极材料为FTO导电玻璃、泡沫镍、多孔碳布、不锈钢网或多孔石墨板。
4.如权利要求1所述的污水处理复合装置，其特征在于，所述光电催化电极对的阴极为石墨电极。
5.如权利要求1所述的污水处理复合装置，其特征在于，所述光电催化反应池中设置有两对以上并联的光电催化电极对。
6.如权利要求1所述的污水处理复合装置，其特征在于，所述太阳能电池的正极和负极分别连接所述光电催化电极对的阳极和阴极。
7.如权利要求1所述的污水处理复合装置，其特征在于，所述光电催化反应池中设有参比电极。
8.如权利要求1所述的污水处理复合装置，其特征在于，在所述光电催化反应池底部设有磁力搅拌器，在光电催化反应池中设有磁子。
9.如权利要求1所述的污水处理复合装置，其特征在于，所述可见光光源为LED光源。
10.如权利要求1所述的污水处理复合装置，其特征在于，所述污水处理复合装置设有可见光光源的散热系统。
说明书
一种利用太阳能与光电催化协同处理污水的复合装置
技术领域
本发明涉及水质污染物光催化处理技术领域，具体涉及一种太阳能电池协同光电催化系统的低能耗废水处理装置。
背景技术
环境问题是21世纪人类面临和亟待解决的重大问题之一，水质改善及其对安全保障的需求，始终都是水处理科学与技术的根本追求。伴随现代工业化快速发展，有机废水对环境的影响愈发严重。光催化以其室温条件下可直接利用太阳能作为光源来驱动反应等独特性能，成为一种理想的环境污染治理技术和洁净能源生产技术。借助各种半导体材料的光催化方法能将多种有机污染物彻底矿化去除，提供了被认为是一种极具前途的环境污染深度净化技术。
根据半导体理论，半导体包括一个充满电子的低能价带和一个空的高能导带，价带和导体之间由禁带分开。当能量等于或大于禁带宽度的光照射时，价带上电子被激发跃迁到导带，同时在价带上产生光生空穴。光生空穴具有极强氧化能力，可夺取半导体颗粒表面有机物或溶液中的电子，使原本不吸收光的物质都被活化氧化，因此具有很强的氧化能力，通过直接或者间接方式将有机物氧化，最终降解为CO2和H2O等简单的无机物。
在光催化的研究和应用中，存在着三个比较明显的问题。第一，在以二氧化钛粉末为光催化剂的悬浮体系中，粉末催化剂在使用后很难同溶液分离。第二，二氧化钛等半导体禁带宽度较大，对可见光部分利用率低，因此对太阳光利用有限。第三，光催化剂受光照射后产生的电子空穴对复合概率较大，因而光子利用效率较低，光催化活性不高，对于负载型光催化反应体系，由于光的利用效率大大降低，更是如此。
为了解决光催化研究中存在的问题，1982年Ward等首次将TiO2膜作为电极并借助电化学工作站施加了阳极偏压，所形成的Schottky势垒使光生电子和空穴反向移动，从而实现分离，减少了光生电子与空穴复合，进而提高了光催化效率。而后，包括新型光电催化剂、新型反应器构型等基于光催化与电化学氧化协同作用的光电催化技术处理水溶液有机污染物成为主要研究热点之一，然而该技术虽然有着提升效率的结果，但同时也伴随着额外能量的输入过程，如何进一步提升能量利用率是主要难题之一。
作为取之不尽的能源，太阳能是不容忽视的主要能源形式之一。其中太阳能电池是人们利用太阳能的一种重要方式。其基本工作原理：在被太阳电池吸收的光子中，能量大于半导体禁带宽度的光子使半导体中原子价电子受到激发，在p区、空间电荷区及n区都会产生光生电子空穴对，也称光生载流子。光生载流子由于热运动向各方向迁移。光生载流子在空间电荷区中产生后，立即被内建电场分离，光生电子被推进n区，光生空穴被推进p区。因此，在p-n结两侧正、负电荷积累，与内建电场相反的光生电场形成。此电场一部分要抵消内建电场以外，一部分使p型层带正电，n型层带负电，产生光生电动势，即为光生伏特效应。随我国光伏产业的发展，市场上也已经稳定供应优质硅光电池，并且价格都很低，其已经成为稳定、廉价、商品化、广泛使用材料之一。
发明内容
本发明的目的在于提供一种成本低廉、结构简单、可重复利用且能够高效转化太阳能的污水处理复合装置，对现有光电催化装置的光源系统、外电路系统、电极材料等方面进行改进，实现高效廉价的污水处理装置。
本发明提供的污水处理复合装置，包括反应器、可见光光源和太阳能电池，所述反应器包括至少一个光电催化反应池，光电催化反应池中设有至少一对光电催化电极对，其中阳极为负载可见光响应半导体材料的电极，所述可见光光源照射所述阳极;所述光电催化电极对由所述太阳能电池供电;所述光电催化反应池设有污水进口和污水出口。
本发明的污水处理复合装置利用廉价高效的太阳能电池转化太阳能为电能，可采用市场上常见的太阳能电池板。
本发明的污水处理复合装置中，光电催化电极对中的阳极优选采用对可见光吸收良好的水钠锰矿半导体电极，可以是负载水钠锰矿半导体材料的FTO(Fluorine-doped TinOxide)电极。但所述阳极的电极材料不限于FTO，可以为泡沫镍、多孔碳布、不锈钢网、多孔石墨板等多种材料;负载的半导体材料也不限于水钠锰矿，可以是过渡金属(如Ti、V、Cr、Mn、Fe、Ni、Cu、Cd、Sn、W等)、稀土金属(如La、Eu、Ce、Er等)、贵金属(如Pt、Au、Pd、Ag等)的氧化物或硫化物、多种金属盐配合物等。采用电泳、电化学沉积、电化学氧化等方法可实现所需数量半导体材料在电极上的负载与固定。
所述光电催化电极对中的阴极优选采用碳材料电极，例如价格低廉的石墨电极。
一个光电催化反应池中可设置两对以上并联的光电催化电极对。
所述太阳能电池的正极连接光电催化电极对的阳极，太阳能电池的负极连接光电催化电极对的阴极。
进一步的，在所述光电催化反应池中设置参比电极，可监测电路稳定性。
进一步的，在所述光电催化反应池底部设置磁力搅拌器，在光电催化反应池中设有磁子。
本发明的污水处理复合装置中，所述可见光光源可采用LED光源，无需紫外、氙灯等价格高昂的设备，甚至可采用外加的太阳光汇聚模块，直接利用太阳光。
本发明的污水处理复合装置进一步设有可见光光源的散热系统，例如风扇散热系统。同时，在必要时还可配置有机物检测装置附件，对反应池中废水的有机物含量进行监测。
本发明的污水处理复合装置不同于传统的光催化装置，亦有别于传统的光电催化装置。本发明利用廉价高效的太阳能电池转化太阳能为电能，同时协同可见光光电催化降解含有机污染物的废水。在光催化部分，本发明利用可见光响应的锰矿等电极材料，有效吸收利用LED光源发出的可见光，克服了传统二氧化钛只能吸收紫外光的问题，甚至可在外加太阳光汇聚模块后，直接实现对太阳光的利用。由于未使用昂贵、体积大的紫外灯、氙灯等光源产生系统，节省了能耗，优化了反应条件。
本发明最重要的一点为在外接电路部分以廉价高效的太阳能电池板取代了传统电化学工作站等设备的外加电场，极大地降低了成本，增加了安全性，且实现了太阳光的有效利用。将光能转化为电能，其有效抑制了光电子与空穴的复合，进而协同光电催化降解反应，在节省了能耗的同时提高了降解效率。同时，本发明的污水处理复合装置稳定性高，且加之目前市场上不同电压-电流规格型号太阳能电池较多，本发明具有着可以将现有的所有光电催化装置进行太阳能电池外部电路改造的潜力，拥有广阔的市场应用空间。
