申请日2015.04.15
公开(公告)日2017.07.11
IPC分类号C25B1/04; C25B13/02; C25B11/10; C25B11/06; C02F1/461
摘要
本发明提供了一种可利用高色度含醇废水氢‑电联产的光化学电池装置。包括：以疏水多孔膜将反应器分为两区，阳极液为高色度含醇废水，阴极液为酸性溶液;以沉积铂黑的镀铂片作阴极;将负载TiO2光催化剂的旋鼓作阳极，通过转轴控制转速，在其表面形成微米级的液膜;激发光易于透过液膜照射到催化剂表面，产生空穴和电子，空穴氧化有机物后复合，可再被光激发，电子则通过外电路流入阴极区还原产氢;对阴极区氢气进行取样测定，并对外电路电流实时监测，完成利用高色度含醇废水实现氢‑电联产的过程。本发明实现了同步产电、产氢、处理高色度含醇废水的三重功效;无需外加电压，实现了将有机污染物的化学能转化成氢能和电能等清洁的能源形式。
权利要求书
1.一种可利用高色度含醇废水氢-电联产的旋鼓型光化学电池装置，其特征在于，所述装置包括疏水多孔膜、反应器、光电旋鼓阳极、激发光源、铂阴极;所述疏水多孔膜将反应器分成阴极区和阳极区;所述光电旋鼓阳极内设转轴，所述转轴与马达连接，所述转轴与碳刷接触，所述碳刷连接外电路导线;所述光电旋鼓阳极下部浸没于阳极区内的阳极液中，上部暴露于空气中，所述阳极液为含醇废水，所述激发光源设置于光电旋鼓阳极上方;所述铂阴极置于阴极区内的阴极液中，所述阴极液为酸性溶液，所述铂阴极通过所述外电路导线与碳刷相连，所述阴极区为氮气氛围密封;
所述阳极液为碱性高色度含醇废水，pH值为13～14;所述装置无需外加偏压，由阴阳极电解液间的酸碱度差提供化学电势;
所述光电旋鼓阳极是采用钛旋鼓为基底，将TiO2光催化剂负载在基底上制备而得。
2.根据权利要求1所述的可利用高色度含醇废水氢-电联产的旋鼓型光化学电池装置，其特征在于，所述负载采用的方法为溶胶-凝胶法、直接热氧化法或阳极氧化法。
3.根据权利要求1所述的可利用高色度含醇废水氢-电联产的旋鼓型光化学电池装置，其特征在于，所述马达工作时的转速为10～100rpm。
4.根据权利要求1所述的可利用高色度含醇废水氢-电联产的旋鼓型光化学电池装置，其特征在于，所述铂阴极是将镀铂片进行阴极极化，沉积少量铂黑后制备而得。
5.根据权利要求1所述的可利用高色度含醇废水氢-电联产的旋鼓型光化学电池装置，其特征在于，所述装置反应体系温度为5～45℃。
6.根据权利要求1所述的可利用高色度含醇废水氢-电联产的旋鼓型光化学电池装置，其特征在于，所述激发光源为人造光源或太阳光。
说明书
可利用高色度含醇废水氢-电联产的光化学电池装置
技术领域
本发明涉及的是一种化工技术领域的光催化方法，尤其涉及一种可利用高色度含醇废水氢-电联产的光化学电池装置。
背景技术
随着化石燃料的广泛应用，特别是石油和煤炭的大量使用，引发严重的能源危机和环境污染。因此，迫切需要寻找清洁可再生的能源以有效替代化石燃料，而氢能具有高效、环保的优点，是理想的能源替代品。
传统的制氢的方法主要有电解水、化石燃料合成、生物质气化、微生物制氢以及光催化法等。其中，电解水与化石燃料合成是传统的制氢方法，也是目前应用最为广泛的产氢技术，但各自存在优缺点。自从1972年Nature上刊登关于在TiO2电极上光裂解水制备氢气的报道，标志着光催化制氢新时代的开始。传统的光催化制氢大多以铂等贵金属作为助催化剂，成本高且难以大批量使用。并且传统的光催化制氢的反应器基本上都是将光电极完全浸入反应液中，激发光需穿透厚厚的液层才能到达光催化剂的表面，由于溶液对光的吸收而引起光能的很大损失。
经过对现有技术的检索发现，中国专利号ZL201010527940.8，“尖锥结构光阳极光电转盘处理有机废水光电催化的方法”，中国专利号ZL201010528324.4，“尖劈结构光阳极光电转盘处理有机废水光电催化的方法”，以及中国专利号ZL201010300873.6，“复合转盘液膜反应器及其处理有机废水的方法”，这些技术包括了一种动态光阳极的单片/复合转盘光电液膜反应器：将TiO2电极制作成转盘，转盘部分浸没在溶液中，利用转盘的转动使其在空气中的部分形成了几十微米的液膜，解决了传统反应器中的激发光必须通过较厚(往往是数厘米)的溶液层才能照射到电极上的问题，同时强化了激发光的利用率和传质效率。在上述现有技术中，虽然光阳极有效催化降解有机废水，由于：(1)转盘阳极在单片样机时可方便利用紫外灯及太阳光的光能，但对于多片转盘并排放置，彼此之间有阻挡，利用太阳光则有难度，需要放置多光源以保证照射面积，而用旋鼓结构代替转盘就可方便地利用太阳光或紫外灯;(2)阴阳极处于同一反应溶液，整个体系暴露于空气，阴极的还原反应被忽略，并且催化处理有机废水需外加电压，该转盘反应器的性能并未得到全面发挥。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中的缺陷，提供一种可利用高色度含醇废水氢-电联产的光化学电池装置。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种可利用高色度含醇废水氢-电联产的旋鼓型光化学电池装置，所述装置包括疏水多孔膜、反应器、光电旋鼓阳极、激发光源、铂阴极;所述疏水多孔膜将反应器分成阴极区和阳极区;所述光电旋鼓阳极内设转轴，所述转轴与马达连接，所述转轴与碳刷接触，所述碳刷连接外电路导线;所述光电旋鼓阳极下部浸没于阳极区内的阳极液中，上部暴露于空气中，所述阳极液为含醇废水，所述激发光源设置于光电旋鼓阳极上方;所述铂阴极置于阴极区内的阴极液中，所述阴极液为酸性溶液，所述铂阴极通过所述外电路导线与阳极的碳刷相连，所述阴极区为氮气氛围密封。优选阳极液为高色度含醇废水。
本发明的旋鼓型光化学电池装置的制备包括如下步骤：
第一步，以疏水多孔膜将反应器分成阴阳两个区，阳极液为高色度含醇废水，阴极液为酸性溶液;
第二步，将镀铂片(在钛片基底上均匀光亮电镀2μm的铂)进行阴极极化，沉积少量铂黑后用作阴极，置于氮气氛围密封的阴极区，通过导线与阳极的碳刷相连接;
第三步，采用钛旋鼓为基底，将TiO2光催化剂负载在基底上，用作光电旋鼓阳极，置于空气氛围的阳极区，光电旋鼓阳极内设转轴，转轴与马达连接并与碳刷相接触，放入含醇废液，使旋鼓下半部分沉没于溶液中，上半部分暴露于空气中;
第四步，调节马达转速器，控制光电旋鼓阳极转动的速度使其表面形成高色度废水的微米级液膜;
第五步，将光源放置光阳极正上方，激发光易于透过液膜照射到光电旋鼓阳极表面，激发催化剂与液膜中的污染物发生催化氧化反应，在阳极TiO2/Ti表面肖特基势垒及阴阳极电势差的作用下，光生电子通过碳刷经外电路导向阴极，从而构成光化学电池的运行;
第六步，光生电子到达阴极镀铂电极上，H+得到电子被还原成H2，对阴极区气体进行取样分析，测定氢气产量，并对外电路电流实时监测，完成利用高色度含醇废水氢-电联产的过程。
作为优选方案，所述光电旋鼓阳极是采用钛旋鼓为基底，将TiO2光催化剂负载在基底上制备而得。
作为优选方案，所述负载采用的方法为溶胶-凝胶法、直接热氧化法或阳极氧化法。
作为优选方案，所述马达工作时的转速为10～100rpm。优选40～100rpm，更优选70～100rpm。
作为优选方案，所述铂阴极是将镀铂片进行阴极极化，沉积少量铂黑后制备而得。
作为优选方案，所述阳极液为酸性、中性或碱性的含醇废水。优选碱性高色度含醇废水，更优选pH值为13～14。
作为优选方案，所述装置反应体系温度为5～45℃。优选20～40℃，更优选25～40℃。
作为优选方案，所述激发光源为人造光源或太阳光。
本发明无需外加偏压，由阴阳极电解液间的酸碱度差提供化学电势。
本发明是利用疏水多孔膜将反应器分为两室，膜两侧引入不同电解液，以其两侧溶液的酸碱浓度差产生化学电势，这样就无需外加电压。阳极区暴露于空气中进行光催化降解高色度含醇废水，阴极区密封隔氧进行还原产氢，并在连接阴阳极的外电路上形成电流，从而实现氢-电联产同时处理高色度含醇废水的目标。
本发明的工作原理为：转轴将光电旋鼓阳极悬空使其下半部分浸没于阳极液中，上半部分暴露于空气中，控制转轴转速在光电旋鼓阳极上半部分形成微米级的液膜，激发光透过液膜照射到阳极表面的TiO2上，形成空穴-电子对。光生空穴氧化液膜中的有机物，生成的中间产物和质子等通过阳极转动进入阳极液，阳极液中的有机物通过转动进入液膜中，从而使液膜不断更新。质子在阴阳极的电极作用下穿过疏水多孔膜到达阴极区，光生电子由外电路传递到阴极而形成电流，质子与电子在阴极区结合发生还原反应形成并释放出氢气。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明利用疏水多孔膜将装置分为阴阳两区，膜两侧放置不同溶液以提供化学偏压，采用具有催化质子还原性能的材料(铂等)为阴极，并且将阴极区密封以隔绝空气，实现光阳极降解有机废物，外电路产生电流以及阴极产生氢气，实现了将光能和有机废物的化学能转化成氢能和电能等可利用的能源形式。
(2)本发明中的旋鼓电极光能利用率高，多个并排使用时，彼此之间没有阻挡，只需放置单一光源。
(3)本发明无需外加电压，由质子交换膜两侧溶液的酸碱度差形成化学偏压，足以提供反应体系进行正常运作的电位电势。
(4)本发明中的商用镀铂片是在钛片基底上均匀光亮电镀2μm的铂，购置后沉积少量铂黑后用在本体系中，从而既保证了催化产氢的效率又降低使用纯铂片所带来的高成本。
