利用天然磁性矿物进行光催化降解制氢的方法和装置制造方法及图纸

本申请提供了采用天然磁性矿石作为光催化剂对染料进行降解的装置、方法和用途。

【技术实现步骤摘要】
利用天然磁性矿物进行光催化降解制氢的方法和装置
本申请大体上涉及光催化降解制氢的方法和装置，具体而言，其涉及利用天然磁性矿石作为光催化剂对染料进行降解的装置、方法。在本申请中，在对染料进行光催化降解的同时可产生氢气。
技术介绍
环境污染和能源短缺是人类面对的重大问题。如纺织行业的工业活动产生了含有不同类型的合成染料的废水。大部分的合成染料是不可生物降解的且有毒的污染物。在合成染料的有效光催化降解领域已经进行了很多研究。H2气体被认为是潜在的清洁能源之一，以便补救未来的燃油危机。如今，世界能源生产依赖于化石燃料，然而据估计化石燃料将在未来几十年耗尽。然而，在传统技术降解染料过程中不能产生氢气。在市场上存在的光催化反应器仅用于任何染料降解或产生氢气。此外，它们通常采用人工合成的化合物作为光催化剂。另外，其合成方法比较复杂，并且产量较低，这使得其处理过程变得非常昂贵。此外，因为所用的光催化剂为纳米尺寸，因此光催化剂难于分离和回收。另外，同时用于染料降解和制取氢气的反应器还没有出现。概述本申请的第一方面，提供了光催化降解染料的方法，其包括用天然磁性矿物作为光催化剂对包含染料的含水混合物进行光催化降解。本申请的第二方面，提供了产生氢气的方法，其包括用天然磁性矿物作为光催化剂对包含染料的含水混合物进行光催化降解，收集所产生的氢气。本申请的第三方面，提供了天然磁性矿物作为用于降解染料而产生氢气的光催化剂的用途。本申请的第四方面，提供了光催化降解制氢装置，其包括允许天然磁性矿物和包含染料的含水混合物进行光催化反应的反应器。在一些实施方式中，与其他的制氢装置和方法(例如电解水和天然气重整)相比，本申请的装置和方法采用阳光或其他无害可见光光源来降解废水中的染料，同时产生H2。根据一些实施方式的反应器设计简单，通过简单地把含水混合物泵入反应器，其很容易被纳入废水排放系统。另外，在一些实施方式中，在废水处理的染料降解过程中生产作为燃料的H2，因此其具有同时解决环境和能源问题的潜力。附图说明本申请的附图目的仅为对某些具体实施方式进行说明和描述，其并非是对本申请保护范围的限制。图1是本公开的一些实施方案的光催化降解制氢反应器的示意图。图2表示不同天然磁性矿物的光催化产氢性能。图3表示不同染料和浓度的天然磁性矿物的光催化产氢性能。图4表示不同染料和浓度的天然磁性矿物的光催化同时降解染料的性能。图5表示不同浓度的NMS-2的光催化降解染料同步产氢的结果。图6表示不同pH值的NMS-2的光催化降解染料同步产氢的结果。图7表示日光照射下NMS-2的光催化降解染料同步产氢的结果。图8表示NMS-2的产氢的可重复使用性能。图9显示NMS-2的降解染料的可重复使用性能。详述本申请的目的之一是提供利用天然磁性矿石作为光催化剂在染料降解的同时产生H2。本申请收集并测试了四种来自中国的不同的天然磁性矿石，包括两种天然闪锌矿、一种天然磁黄铁矿和一种钒钛铁矿。对于该两种天然闪锌矿，本文中被称为NMS-1和NMS-2，其主要成分均为ZnS。采用电子微探针(EMPA)分析，该两种天然闪锌矿含有不同的元素，其中经分析确定，NMS-1的化学式为(Zn0.732Fe0.284Cu0.043Ni0.003Ag0.003Cd0.002Mn0.002Co0.001)1.070S，NMS-2的化学式为(Zn0.856Fe0.169Cu0.0004)1.0254S。对于该天然磁黄铁矿，本文中被称为NP，其主要成分为Fe1-xS，式中x表示Fe原子亏损数(结构空位)，一般x＝0～0.223。对于该钒钛铁矿，本文中被称为VTM，经XRD分析确认其主要成分为V-FeTiO3。上述四种天然磁性矿石均可作为光催化剂，并可以以比较低的成本大量获得，并容易通过外部磁场进行分离和循环回收利用。在一些实施方式中，采用本申请的光催化装置来测试天然磁性矿石对废水中的染料进行光催化降解并同时产生氢的可行性。其中，氙灯(来自北京PrefectLight科技有限公司的300CUV型号)光源放置在光催化反应器的顶部。氢气可从光催化反应器的一侧的气体出口收集。用适量体积的废水样品完全填充该反应器(约50毫升以去除光催化单元内的空气)后，分别开启氙灯进行照射并开启搅拌器以进行混合。该装置的运行时间为2小时。在处理后，经过处理的废水样品可从底部的一个或多个出口排出。在一些实施方式中，光照射为激发天然磁性矿石提供能量从而形成光生空穴(h+)和电子(e-)。光生空穴(h+)能够降解各种染料，而电子(e-)能够将水(H2O)还原以产生H2。在一些实施方式中，包含染料的含水混合物为污水或废水。在一些实施方式中，包含染料的含水混合物为工业污水、生活污水或废水。在一些实施方式中，包含染料的含水混合物为包含染料的污水溶液。在一些实施方式中，包含染料的含水混合物为包含染料的废水溶液。在一些实施方式中，包含染料的含水混合物为包含染料的水溶液。在一些实施方式中，包含染料的含水混合物为水溶液。在一些实施方式中，随后天然磁性矿石可在下次运行中通过添加新的包含染料的含水混合物重新使用。另外，在本申请的实施方式中，该反应器也可以适用于直接阳光照射下同时进行光催化染料降解和制氢。采用天然磁性矿石的装置进行光催化染降解和制氢，在多次实验后验证了其可行性。在一些实施方式中，设备的制氢可通过自动光催化制氢/监测系统(例如气相色谱)进行在线监测。在一些实施方式中，光催化降解染料同步产氢的装置包括反应器、光源或光透射结构、天然磁性矿物、气相色谱和控制器。在一些实施方式中，光催化反应器是玻璃容器和连接气相色谱的气路玻璃管道。在一些实施方式中，光源为氙灯光源或者日光源。在一些实施方式中，天然磁性矿物是来源于中国的磁性闪锌矿。在一些实施方式中，闪锌矿颗粒的质量与反应器的体积之比为50至400mg/L，优选为50mg/L。在一些实施方式中，光催化降解制氢装置还包括放置光催化剂的玻璃容器。在一些实施方式中，光催化降解制氢装置还包括检测氢气的气相色谱。在一些实施方式中，光催化降解制氢装置还包括控制器。在一些实施方式中，光催化降解制氢装置是实验室规模或生产规模的。在一些实施方式中，光催化降解制氢装置使用天然磁性物质作为光催化剂，并使用太阳光来降解染料并同步产氢。在一些实施方式中，选择从中国不同地区收集的天然磁性矿物作为光催化剂。在一些实施方式中，作为光催化剂的天然磁性物质可以以相对较低成本大量获得。在一些实施方式中，作为光催化剂的天然磁性物质可以重复循环使用。在一些实施方式中，光催化降解制氢装置是间歇式的。在一些实施方式中，光催化降解制氢装置是连续式的。在一些实施方式中，光催化降解制氢装置还包括真空泵和/或管线系统。在一些实施方式中，光催化降解制氢装置的光源为日光源。在一些实施方式中，光催化降解制氢装置的光源为氙灯，其可位于玻璃容器(反应器)的上方。在一些实施方式中，光催化降解制氢装置中的均质化处理由(磁力)搅拌器提供。在一些实施方式中，在注入被染料污染的含水混合物(水)溶液之后(例如50mL)，打开氙灯和搅拌器以分别提供光照和均质化。在一些实施方式中，光催化消毒器中的停留时间为至少2小时。在一些实施方式中，在光照停止后，可以通过加入新的(水本文档来自技高网...

【技术保护点】
光催化降解染料的方法，其包括用天然磁性矿物作为光催化剂对包含染料的含水混合物进行光催化降解。

【技术特征摘要】
1.光催化降解染料的方法，其包括用天然磁性矿物作为光催化剂对包含染料的含水混合物进行光催化降解。2.如权利要求1所述的方法，所述方法还包括收集降解产生的氢气。3.如权利要求1或2所述的方法，其中所述天然磁性矿物选自闪锌矿、磁黄铁矿、钒钛铁矿以及以上任意组合。4.如权利要求3所述的方法，其中所述闪锌矿的主要成分为ZnS，所述磁黄铁矿的主要成分为Fe1-xS，所述钒钛铁矿的主要成分为V-FeTiO3。5.如权利要求1-4中任一项所述的方法，其中所述含水混合物为被污染的水。6.如权利要求1-5中任一项所述的方法，其中所述含水混合物的pH值为7-13，任选地为7、9、11、12或13。7.如权利要求1-6中任一项所述的方法，其中所述染料选自罗丹明B、甲基橙、活性红24以及以上任意的组合。8.如权利要求1-7中任一项所述的方法，其中所述方法还包括加入牺牲剂；任选地所述牺牲剂选自金属硫化物、金属氧化物、金属硫酸盐、金属亚硫酸盐、醇类、胺类、醇胺类、酸类以及上述任意组合；或者所述牺牲剂选自Na2S、Na2SO3、三乙醇胺、甲酸以及上述任意组合。9.如权利要求1-8中任一项所述的方法，其中所述光催化降解使用紫外光或可见光，任选地所述可见光为氙灯光或日光。10.如权利要求1-9中任一项所述的方法，其中所述光催化降解是将所述天然磁性矿物和包含染料的含水混合物置于反应器中进行。11.如权利要求10所述的方法，其中所述天然磁性矿物的质量与所述反应器的体积的比为10mg/L至500mg/L，或者20mg/L至400mg/L，或者30mg/L至300mg/L，或者40mg/L至300mg/L，或者50mg/L至200mg/L，或者60mg/L至100mg/L。12.如权利要求1-11中任一项所述的方法，其中采用气相监控器对所述光催化降解产生的氢气进行监测，任选地所述气相监控器为气相色谱。13.如权利要求1-12中任一项所述的方法，其中所述天然磁性矿物能够被循环使用。14.如权利要求1-13中任一项所述的方法，其中光催化反应时间为1-10小时，或者为2-9小时，或者为3-8小时，或者为4-7小时，或者为5-6小时。15.产生氢气的方法，其包括用天然磁性矿物作为光催化剂对包含染料的含水混合物进行光催化降解，收集所产生的氢气。16.如权利要求15所述的方法，其中所述天然磁性矿物选自闪锌矿、磁黄铁矿、钒钛铁矿以及上述任意组合。17.如权利要求16所述的方法，其中所述闪锌矿的主要成分为ZnS，所述磁黄铁矿的主要成分为Fe1-xS，所述钒钛铁矿的主要成分为V-FeTiO3。18.如权利要求15-17中任一项所述的方法，其中所述含水混合物为被污染的水。19.如权利要求15-18中任一项所述的方法，其中所述含水混合物的pH值为7-13，或者为7、8、9、10、11、12或13。20.如权利要求15-19中任一项所述的方法，其中所述染料选自罗丹明B、甲基橙、活性红24以及以上任意的组合。21.如权利要求15-20中任一项所述的方法，其中所述方法还包括加入牺牲剂，任选地牺牲剂为Na2S和/或Na2SO3，任选地为0.025MNa2S和/或0.035MNa2SO3。22.如权利要求15-21中任一项所述的方法，其中所述光催化降解使用紫外光或可见光，任选地所述可见光为氙灯光或日光。23.如权利要求15-22中任一项所述的方法，其中所述光催化降解是将所述天然磁性矿物和包含染料的含水混合物置于反应器中进行。...

【专利技术属性】
技术研发人员：王保强，王万军，夏德华，黄国城，叶力群，
申请(专利权)人：香港中文大学，
类型：发明
国别省市：中国香港,81