申请日2015.04.15
公开(公告)日2015.08.19
IPC分类号C25B1/04; C25B13/02; C02F1/461; C25B11/06; C25B11/10
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。
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。
3.根据权利要求2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。
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，所述马达工作时的转速为10～100rpm。
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。
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，所述阳极液为酸性、中性或碱性的含醇废水。
7.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℃。
8.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。