基于太陽能和海水電池協(xié)同驅(qū)動的光電降解有機污染物制氫的裝置的制造方法
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及新能源技術和水處理技術領域，具體涉及一種基于太陽能和海水電池協(xié)同驅(qū)動的光電降解有機污染物制氫的裝置。
【背景技術】
[0002]當今社會，能源和環(huán)境問題已成為人類可持續(xù)發(fā)展中面臨的非常重要的兩大問題。一方面，隨著人類經(jīng)濟活動的不斷發(fā)展，石油、天然氣、煤等“地殼資源”已面臨枯竭；另一方面，全球性的環(huán)境污染特別是水體污染越來越嚴重。因此研宄開發(fā)新的環(huán)境污染物處理方法和清潔的能源技術在緩解能源危機、減少環(huán)境污染等方面具有非常重要的科學價值和深遠的現(xiàn)實意義。
[0003]近年來，伴隨著海洋經(jīng)濟的發(fā)展，近海污染越來越嚴重，給海洋帶來了一系列極為不利的環(huán)境問題。在現(xiàn)有的海洋污染物處理方法中，生物處理法受外界環(huán)境影響較大(如海水鹽度、溫度，洋流活動，海水中生物的平衡等)，而傳統(tǒng)單一的物理法、化學法因處理費用、海水的腐蝕性、海洋污染物濃度較低等原因已經(jīng)不能滿足目前海洋污染治理的需求。海洋面積占全球總面積的71%，海水不僅是寶貴的水資源，而且蘊藏著豐富的化學資源。因此，采用經(jīng)濟有效的方法降解近海污染物同時獲取化學資源是環(huán)境和能源工作者長期以來追求的目標。
[0004]氫氣作為一種二次能源，能量密度高、燃燒潔凈，被公認為是礦物燃料的最理想替代能源。太陽能光解水制氫是太陽能光化學轉化與儲存的最佳途徑之一，其利用太陽光的能量，在催化劑作用下分解水產(chǎn)生氫氣，將太陽能轉化為氫能，氫作為能源使用后又回到水的形態(tài)，達到完全的可持續(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，限制了其實際應用，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合以及氫和氧復合的逆反應，從而獲得產(chǎn)氫。電子給體的加入還可以促進催化劑的結構穩(wěn)定而不易失活。許多有機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，尤其是利用海水中的有機污染物作為電子給體進行光催化分解水制氫，有機廢物被氧化降解的同時水被還原產(chǎn)生氫氣，既提高制氫效率，又去除了環(huán)境污染物。
[0005]另一種提高光催化分解水產(chǎn)氫效率的方法是提供外加電壓，在外加偏壓的作用下促使光催化劑產(chǎn)生的電子和空穴迅速分離，空穴用于氧化有機污染物，電子用于還原氫離子產(chǎn)生氫氣。海水電池作為一種新型的化學電池，具有價格適中、安全性好、貯存壽命長、低溫性能好、比能量、比功率高等優(yōu)點，可為太陽能光解水制氫系統(tǒng)提供外加偏壓，促進光催化分解水產(chǎn)氫效率，而且海水電池提供的電壓還有利于陰極電解水產(chǎn)氫。海水電池以取之不盡的海水為電解液，靠空氣中的氧氣使正極金屬不斷氧化而產(chǎn)生電流。海水電池可以在水下全天候工作，取材方便且能夠最大程度的降低運行成本，具有造價低廉，適用性強，工作時間長，應用范圍廣等特點?！緦嵱眯滦蛢?nèi)容】
[0006]針對現(xiàn)有技術的不足，本實用新型提供了一種基于太陽能和海水電池協(xié)同驅(qū)動的光電降解有機污染物制氫的裝置。
[0007]一種基于太陽能和海水電池協(xié)同驅(qū)動的光電降解有機污染物制氫的裝置，包括降解室以及與降解室連通的集氫裝置，所述降解室的頂部帶有透光窗，所述降解室中橫向設有光催化電極對，所述光催化電極對中的陽極位于陰極之上，且陽極為可見光響應型光電極，陰極為產(chǎn)氫電極；
[0008]所述降解室的外周設有浮力板；
[0009]還包括海水電池，所述光催化電極對通過海水電池供電。
[0010]本實用新型的基于太陽能和海水電池協(xié)同驅(qū)動的光電降解有機污染物制氫的裝置將光電催化降解污染物制氫和電解水制氫兩種制氫方法相結合，利用海水電池向光催化降解近海污染物和電解水提供穩(wěn)定電壓，降解近海海水中的污染物并產(chǎn)生氫能。這一工藝設計實現(xiàn)了高效產(chǎn)氫、去除污染、提高經(jīng)濟性等多重目標，在緩解能源危機、減少環(huán)境污染等方面具有非常重要的科學價值和深遠的現(xiàn)實意義。
[0011]本實用新型的基于太陽能和海水電池協(xié)同驅(qū)動的光電降解有機污染物制氫的裝置結構緊湊簡單、能耗低、處理效率高，不僅能夠降解近海污染物，與此同時還能產(chǎn)生清潔的氫氣能源。
[0012]本實用新型中為提高光能利用率，使降解室中的光催化電極對橫向設置。作為優(yōu)選，還可以使整個降解室由透明材料制成，如透明玻璃等。
[0013]本實用新型中光電催化電極對中的陽極由可見光響應材料制成，如可見光型Bi2O3, BiVO4Jjd^T12, Fe2O3等材料；陰極采用鈦片，鎳片，鉑電極等。
[0014]實際使用時，降解室為密封，且裝置大小根據(jù)實際應用需求設定。且需要設置進水口和出水口，進水口和出水口的大小根據(jù)裝置的實際大小設置，本實用新型中進水口位于降解室的頂部封頭，出水口位于底部封頭。
[0015]本實用新型中降解室中光催化電極對的數(shù)量至少為1，當有多對光催化電極對時，各光催化電極均橫向設置，且所有陽極排列在同一水平面上，所有陰極排列在同一水平面上，相鄰光催化電極對之間留有一定間隙。由于光催化電極對中電極的面積大，有利于提高污染物降解速率和產(chǎn)氫速率。因此，在工藝條件允許的情況下，優(yōu)選為一個光催化電極對。
[0016]此時，為保證光電催化電極對中陽極和陰極在進出水過程中不會被水流沖擊而松動，光電催化電極對中陽極和陰極的長度等于降解室的長度，陽極和陰極的兩端均通過卡槽結構安裝于降解室的內(nèi)壁上。為確保水流能夠正常流通，陽極和陰極的寬度略小于降解室的寬度，本實用新型中陽極和陰極的邊緣到降解室側壁的之間留有I?2cm的間隙區(qū)域，避免因間隙過大，造成面積浪費。進一步，位于頂部封頭的進水口和位于底部封頭上的出水口的位置剛好與該間隙區(qū)域相對應，以避免電極受到水流沖擊。
[0017]由于使用時，整個裝置漂浮于海面，為保證光電催化電極對中的陽極能夠被太陽光照射，作為優(yōu)選，所述浮力板到降解室頂部的距離大于所述可見光響應型光電極到降解室頂部的距離。作為優(yōu)選，所述光催化電極中的陽極到降解室頂部的距離為5?10cm，便于產(chǎn)生的氫氣逸出。優(yōu)選的，所述浮力板到降解室頂部的距離為8?10cm。
[0018]所述光催化電極對中的陽極和陰極之間的距離為I?10cm，優(yōu)選地，為2?5cm，最優(yōu)為5cm。電極間距太小，兩電極之間容易短路，對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，反應物擴散到電極表面的距離太大，傳遞速率受到影響。
[0019]為保證降解室中反應物擴散到電極表面的速率，所述光催化電極對中的陽極和陰極之間橫向設有攪拌槳。攪拌槳的槳葉邊緣與陽極和陰極之間留有間隙，以免攪拌旋轉時損壞光催化電極對。
[0020]此外，也可以通過在進水口和出水口利用循環(huán)泵進行水循環(huán)，促進降解室中的物質(zhì)擴散，或在光催化電極對中的陽極和陰極之間設置折流板。
[0021]作為優(yōu)選，待降解的有機污染物所帶電荷的種類與所述可見光響應型光電極表面電荷的種類相反。可見光響應型光電極與外加電源的正極連接，則其表面電荷為正電，因此待降解的有機污染物所帶電荷為負電時，吸附效果較好。
[0022]當待降解的有機污染物所帶電荷為正電時，由于受到可見光響應型光電極所在電荷的排斥吸附作用不強。
[0023]進一步優(yōu)選，根據(jù)需要可以在所述可見光響應型光電極表面引入不同的官能基團(如氫鍵基團、親水基團、疏水基團等)，光電極可以與帶負電的污染物產(chǎn)生很強的靜電吸附作用，即使對帶有相同電荷的有機污染物，通常也能發(fā)揮較強的氫鍵作用和較強的分子間引力作用而發(fā)生強力吸附。利用靜電力、分子間力、氫鍵等作用力進一步增大污染物在電極表面的定向迀移和吸附，進而提高污染物降解速率。
[0024]因此，在實際使用時，可根據(jù)具體待降解的有機污染物物的類型來合理設計可見光響應型光電極的材料，并為可見光響應型光電極引入官能基團。
[0025]所述海水電池包括若干個反應池，每個反應池內(nèi)均至少設有一對反應電極對，所述反應電極對中的正極為空氣電極。
[0026]本實用新型中海水電池包括(但不限于)4個反應池，每個反應池中的一對電極構建一個小的海水原電池，各個反應池構成的小的海水原電池相互串聯(lián)，以提供足夠的電壓為降解室供電。
[0027]各個反應池之間通過隔板隔離形成，為保證均勻性，各個反應室之間的隔板上設有連通孔，連通孔的個數(shù)和孔徑大小可根據(jù)實際裝置(降解室)的大小設定。
[0028]海水電池中各個反應池中的負極(即陽極)均由面積相等，大小一致的鋁、鎂合金(或多元素合金)制備。
[0029]本實用新型中海水電池位于降解室的下方，各個電極橫向設置，為防止電極漂浮，海水電池中縱向設有一絕緣固定柱，該絕緣固定柱上設有與各個電極(包括正極和負極)和隔板相互對應且間隙配合的固定孔，間隙區(qū)域內(nèi)還夾設有墊片以進行加固。為防止墊片損害電極，所述的墊片為彈性墊片。
[0030]所述絕緣固定柱上還設有一對導線柱，分別連接海水電池的正極和負極，降解室中光電催化電極對應的陽極和陰極也分別連接至對應的導線柱，以通過海水電池為其供電。
[0031]海水電池中的金屬電極采用鎂合金或者鋁合金，具有電極電位低、比能量高、原材料來源豐富、使用安全方便等特點。正極(即陰極)采用空氣電極?？諝怆姌O由聚四氟乙烯、碳納米管(或石墨烯)、MoS2(或MnO2)制備而成。首先將碳納米管(或石墨烯)等離子體氧化處理，使其表面生成大量活性官能團，這些官能團對溶解氧陰極還原反應有極高的電催化活性。然后用乙醇溶液浸潤特殊處理后的碳納米管(或石墨烯)，再加入10?50%的MoS2 (或MnO2)電催化劑進一步提高空氣電極的還原能力，混合均勻后，再加入等比例的聚四氟乙烯，在電極表面形成氣體擴散層，有利于氧氣和水進入到電極上，增強陰極性能。將混合物壓制到集電網(wǎng)表面，厚度為0.2?0.8mm，在250?350°C下燒結制得空氣陰極。
[0032]本實用新型裝置放置在海水表面，海水中溶解氧充分，經(jīng)過特殊等離子體氧化處理和添加MoS2 (或MnO2)電催化劑的空氣陰極具有極高的氧氣還原速率，從而提高了海水電池性能。
[0033]一種利用上述裝置降解有機污染物制氫的工藝，將含有有機污染物的廢水引入降解室進行降解處理，并通