[发明专利]一种利用太阳能驱动的光电催化降解有机污染物耦合制氢的装置及工艺

说明书

技术领域

本发明涉及属于新能源技术和水处理技术领域，具体涉及一种利用太阳能驱动的光电催化降解有机污染物耦合制氢的装置及工艺。

背景技术

能源短缺、环境污染是人类面临的两大难题，寻找可持续供应的清洁的替代能源已经是全球刻不容缓的一件大事。氢气作为一种二次能源，能量密度高、洁净燃烧，被公认为是矿物燃料的最理想替代能源。目前生产氢气的方法主要有两种：一种是以化石能源为原料与水蒸气反应制得水煤气，然后经变换、净化等工序制得；另一种应用较广且较成熟的方法是电解水制氢。化石燃料制氢要消耗大量的矿物资源，而且在生产过程中产生的污染物对地球环境造成破坏，不具有可持续发展性。

电解水制氢不产生二氧化碳排放，是清洁的制氢技术，目前工业规模的水电解装置电流效率可以达到56-73％，然而电解水制氢成本随着电价的提高而不断提高。

太阳能光解水制氢是太阳能光化学转化与储存的最佳途径之一，其利用太阳光的能量，在催化剂作用下分解水产生氢气，将太阳能转化为氢能，氢作为能源使用后又回到水的形态，达到完全的可持续开发和利用。

但是由于直接光催化分解水产氢效率低，限制了其实际应用。要提高产氢效率，必须添加电子给体作为牺牲剂来抑制光生电子和空穴的复合以及氢和氧复合的逆反应，从而获得产氢。电子给体的加入还可以促进催化剂的结构稳定而不易失活。

许多有机物都是很好的电子给体，能显著提高光催化分解水产氢的效率，尤其是利用废水中的有机污染物作为电子给体进行光催化分解水制氢，有机废物被氧化降解的同时水被还原产生氢气，既提高制氢效率，又去除了环境污染物。

例如申请号为201010518600.9的中国发明专利公开了一种利用太阳能热光伏系统进行电解水制氢的装置，属于太阳能利用和电解制氢技术领域。该装置由两大主要部分组成：改进的太阳能热光伏系统和电解水制氢系统。太阳能热光伏系统相对于一般的光伏技术其转换效率和输出功率更高，能够为各种规模的电解水制氢装置提供充足的直流电源。通过该装置把系统产生的电能用于电解制氢，再对氢气进行储存，可以解决光伏发电随着天气，昼夜变化而输出不稳定的问题。但是该装置的太阳能光伏系统太复杂，不利于制氢成本的控制。

发明内容

本发明提供了一种利用太阳能驱动的光电催化降解有机污染物耦合制氢的装置及工艺，结构简单，有效利用光伏电池系统，充分利用了太阳光，不需外加电源，减少了能量消耗。

一种利用太阳能驱动的光电催化降解有机污染物耦合制氢的装置，包括反应器、集氢装置和光源，还包括一太阳能电池，所述反应器内设有至少一个反应池，所述反应池内设有至少一对光催化电极对，所述光催化电极对通过所述太阳能电池供电，所述反应池底部设有磁力搅拌器，所述反应池内设有磁子。

优选地，还设有作为备用电源向阴极和阳极供电的蓄电池，该蓄电池通过太阳能控制器接入所述太阳能电池。

设置太阳能控制器和蓄电池保证了整个系统电压的稳定，可在无太阳光或黑夜时由蓄电池为光催化反应装置提供电压，减少了能耗。

优选地，所述光催化电极对的阳极均为可见光响应型光电极；所述光催化电极对的阴极均为产氢电极。

可见光响应型光电极可采用现有技术中已开发的过渡金属掺杂改性的新型可见光响应型光电极，例如，可以是可见光型BiVO₄，BiVWO₄，改性TiO₂，Fe₂O₃等材料制成；阴极优选采用铂电极、镍片、不锈钢网等。

优选地，所述阳极为BiVWO₄电极。

优选地，所述光催化电极对的阴极与阳极之间的距离为1～10cm，更优选为2～5cm。电极间距太小，两电极之间容易短路，对可见光也有一定的阻碍作用；电极间距太大，两电极间电阻增大，反应物扩散到电极表面的距离太大，传质速率受到影响。

优选地，所述的反应池设置为3～5个且相互连通，所有反应池内的光催化电极对依次串联，提高制氢效率。

优选地，所述集氢装置为真空集氢装置，该集氢装置还可以是其他任何能够满足本发明要求的氢气收集装置。

为了方便及时的对收集的氢气进行检测分析，优选地，所述氢气收集装置上连有气相色谱仪。

本发明还提供了一种利用太阳能驱动的光电催化降解有机污染物耦合制氢的工艺，包括：