[發(fā)明專利]一種利用太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的光電催化降解有機(jī)污染物耦合制氫的裝置及工藝

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210343918.7
• 申請(qǐng)日: 2012-09-17
• 公開（公告）號(hào): CN102826635A
• 公開（公告）日: 2012-12-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 叢燕青;金曉林;孫愛蕓;丁衛(wèi)徐;劉亞莉;吳俊彥;張軼
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 浙江工商大學(xué)
• 主分類號(hào): C02F1/461
• 分類號(hào): C02F1/461;C02F1/30;C25B1/04;C25B11/06;C02F101/30
• 代理公司: 杭州天勤知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 33224
• 代理人: 胡紅娟

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及屬于新能源技術(shù)和水處理技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種利用太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的光電催化降解有機(jī)污染物耦合制氫的裝置及工藝。

背景技術(shù)

能源短缺、環(huán)境污染是人類面臨的兩大難題，尋找可持續(xù)供應(yīng)的清潔的替代能源已經(jīng)是全球刻不容緩的一件大事。氫氣作為一種二次能源，能量密度高、潔凈燃燒，被公認(rèn)為是礦物燃料的最理想替代能源。目前生產(chǎn)氫氣的方法主要有兩種：一種是以化石能源為原料與水蒸氣反應(yīng)制得水煤氣，然后經(jīng)變換、凈化等工序制得；另一種應(yīng)用較廣且較成熟的方法是電解水制氫。化石燃料制氫要消耗大量的礦物資源，而且在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的污染物對(duì)地球環(huán)境造成破壞，不具有可持續(xù)發(fā)展性。

電解水制氫不產(chǎn)生二氧化碳排放，是清潔的制氫技術(shù)，目前工業(yè)規(guī)模的水電解裝置電流效率可以達(dá)到56-73％，然而電解水制氫成本隨著電價(jià)的提高而不斷提高。

太陽(yáng)能光解水制氫是太陽(yáng)能光化學(xué)轉(zhuǎn)化與儲(chǔ)存的最佳途徑之一，其利用太陽(yáng)光的能量，在催化劑作用下分解水產(chǎn)生氫氣，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為氫能，氫作為能源使用后又回到水的形態(tài)，達(dá)到完全的可持續(xù)開發(fā)和利用。

但是由于直接光催化分解水產(chǎn)氫效率低，限制了其實(shí)際應(yīng)用。要提高產(chǎn)氫效率，必須添加電子給體作為犧牲劑來抑制光生電子和空穴的復(fù)合以及氫和氧復(fù)合的逆反應(yīng)，從而獲得產(chǎn)氫。電子給體的加入還可以促進(jìn)催化劑的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定而不易失活。

許多有機(jī)物都是很好的電子給體，能顯著提高光催化分解水產(chǎn)氫的效率，尤其是利用廢水中的有機(jī)污染物作為電子給體進(jìn)行光催化分解水制氫，有機(jī)廢物被氧化降解的同時(shí)水被還原產(chǎn)生氫氣，既提高制氫效率，又去除了環(huán)境污染物。

例如申請(qǐng)?zhí)枮?01010518600.9的中國(guó)發(fā)明專利公開了一種利用太陽(yáng)能熱光伏系統(tǒng)進(jìn)行電解水制氫的裝置，屬于太陽(yáng)能利用和電解制氫技術(shù)領(lǐng)域。該裝置由兩大主要部分組成：改進(jìn)的太陽(yáng)能熱光伏系統(tǒng)和電解水制氫系統(tǒng)。太陽(yáng)能熱光伏系統(tǒng)相對(duì)于一般的光伏技術(shù)其轉(zhuǎn)換效率和輸出功率更高，能夠?yàn)楦鞣N規(guī)模的電解水制氫裝置提供充足的直流電源。通過該裝置把系統(tǒng)產(chǎn)生的電能用于電解制氫，再對(duì)氫氣進(jìn)行儲(chǔ)存，可以解決光伏發(fā)電隨著天氣，晝夜變化而輸出不穩(wěn)定的問題。但是該裝置的太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)太復(fù)雜，不利于制氫成本的控制。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供了一種利用太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的光電催化降解有機(jī)污染物耦合制氫的裝置及工藝，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，有效利用光伏電池系統(tǒng)，充分利用了太陽(yáng)光，不需外加電源，減少了能量消耗。

一種利用太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的光電催化降解有機(jī)污染物耦合制氫的裝置，包括反應(yīng)器、集氫裝置和光源，還包括一太陽(yáng)能電池，所述反應(yīng)器內(nèi)設(shè)有至少一個(gè)反應(yīng)池，所述反應(yīng)池內(nèi)設(shè)有至少一對(duì)光催化電極對(duì)，所述光催化電極對(duì)通過所述太陽(yáng)能電池供電，所述反應(yīng)池底部設(shè)有磁力攪拌器，所述反應(yīng)池內(nèi)設(shè)有磁子。

優(yōu)選地，還設(shè)有作為備用電源向陰極和陽(yáng)極供電的蓄電池，該蓄電池通過太陽(yáng)能控制器接入所述太陽(yáng)能電池。

設(shè)置太陽(yáng)能控制器和蓄電池保證了整個(gè)系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定，可在無(wú)太陽(yáng)光或黑夜時(shí)由蓄電池為光催化反應(yīng)裝置提供電壓，減少了能耗。

優(yōu)選地，所述光催化電極對(duì)的陽(yáng)極均為可見光響應(yīng)型光電極；所述光催化電極對(duì)的陰極均為產(chǎn)氫電極。

可見光響應(yīng)型光電極可采用現(xiàn)有技術(shù)中已開發(fā)的過渡金屬摻雜改性的新型可見光響應(yīng)型光電極，例如，可以是可見光型BiVO₄，BiVWO₄，改性TiO₂，F(xiàn)e₂O₃等材料制成；陰極優(yōu)選采用鉑電極、鎳片、不銹鋼網(wǎng)等。

優(yōu)選地，所述陽(yáng)極為BiVWO₄電極。

優(yōu)選地，所述光催化電極對(duì)的陰極與陽(yáng)極之間的距離為1～10cm，更優(yōu)選為2～5cm。電極間距太小，兩電極之間容易短路，對(duì)可見光也有一定的阻礙作用；電極間距太大，兩電極間電阻增大，反應(yīng)物擴(kuò)散到電極表面的距離太大，傳質(zhì)速率受到影響。

優(yōu)選地，所述的反應(yīng)池設(shè)置為3～5個(gè)且相互連通，所有反應(yīng)池內(nèi)的光催化電極對(duì)依次串聯(lián)，提高制氫效率。

優(yōu)選地，所述集氫裝置為真空集氫裝置，該集氫裝置還可以是其他任何能夠滿足本發(fā)明要求的氫氣收集裝置。

為了方便及時(shí)的對(duì)收集的氫氣進(jìn)行檢測(cè)分析，優(yōu)選地，所述氫氣收集裝置上連有氣相色譜儀。

本發(fā)明還提供了一種利用太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的光電催化降解有機(jī)污染物耦合制氫的工藝，包括：