一种利用太阳能通过光-电-热三场耦合降解有机废水的方法技术

本发明专利技术涉及一种利用太阳能通过光‑电‑热三场耦合降解有机废水的方法，所述方法采用太阳能电池提供电能，采用太阳能集热装置提供热能，以碳纳米管/二次阳极氧化TiO2纳米管作为工作电极，以铂电极作为对电极，工作电极与所述太阳能电池的正极电导通，对电极与所述太阳能电池的负电极电导通；降解前，将工作电极和对电极放入有机废水中，利用所述太阳能集热装置加热有机废水，然后在黑暗环境中且不通电的条件下静置；降解时，利用所述太阳能集热装置加热有机废水，利用太阳能电池对废水进行通电，在太阳光照射工作电极的条件下进行电解。该方法本发明专利技术将太阳能三场能量相耦合：热场、光场和电场能量，提高降解效率和太阳能的利用率。

A method of solar energy degradation of organic wastewater by photo electric thermal three field coupling

The present invention relates to a method for the degradation of organic waste water by three fields of solar energy through a solar cell. The method uses a solar cell to provide electric energy and uses a solar collector to provide heat. A carbon nanotube / two anodized TiO2 nanotube is used as a working electrode and a platinum electrode is used as a pair of electrodes and a working electrode. The electrode is connected with the positive electrode of the solar cell, and the electrode is connected with the negative electrode of the solar cell. Before degradation, the working electrode and the opposite electrode are placed in the organic wastewater, and the organic wastewater is heated by the solar collector, and then in the dark environment and without electricity. The solar collector is used to heat organic wastewater. The solar cells are used to electrify the waste water, and electrolysis is carried out under the condition of sunlight irradiating the working electrodes. The invention combines solar energy three field energy: thermal field, light field and electric field energy, improving degradation efficiency and solar energy utilization rate.

【技术实现步骤摘要】
一种利用太阳能通过光-电-热三场耦合降解有机废水的方法
本专利技术涉及有机废水降解
，尤其涉及一种利用太阳能通过光-电-热三场耦合降解有机废水的方法。
技术介绍
传统的有机废水处理方法包括泡沫分离技术、吸附和膜分离技术等物理方法，絮凝沉淀法、混凝沉淀法、高级氧化技术等化学方法以及光催化降解和光助芬顿氧化以及生物降解等等。然而，迄今为止还没有一种令人满意的方法能够广泛应用于有机废水的高效降解当中，高效的废水处理方法应该充分考虑到经济合理性(例如：没有或低消耗的化学药剂)和环保性(“绿色修复路径”)。因此，开发新的技术，高效且环境友好的降解有机废水的方法已成为一个紧迫的挑战。太阳能是一种清洁、安全、取之不尽用之不竭的绿色能源。目前，太阳能-热能和太阳能电能的应用技术较为成熟，例如太阳能集热、太阳能热水系统、太阳能暖房、太阳能发电、太阳能电池等。但由于太阳能-热能利用和太阳能-电能利用都需要借助中间设备进行能量的转化应用，转化过程中就伴随着很大的能量损失。而且，太阳能-光能利用虽然为直接利用，但由于紫外部分能量只占太阳光谱能量中很小一部分的比例，所以并不能从根本上提升太阳能的利用率。若能够将太阳能光谱的各部分能量结合起来，耦合应用于同一化学反应当中，实现太阳光-电-热能的耦合应用，为化学反应提供充足能源，整个过程不需要额外输入能量，同时不需要添加其他的化学药剂，这样的技术将具有重大的研究意义及广阔的应用前景。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题针对现有技术中缺乏一种利用太阳能对有机废水进行高效、环保的降解方法，本专利技术提出将太阳能光-电-热三场耦合应用于氧化处理有机废水的实验模式当中，同时通过调配三场，寻求太阳能利用的高效耦合模式，并首次将碳纳米管负载改性的TiO2纳米管电极作为中心电极应用于有机废水的降解过程当中，最大限度地利用太阳能进行有机废水的降解。(二)技术方案为了解决上述技术问题，本专利技术提供了如下技术方案：一种利用太阳能通过光-电-热三场耦合降解有机废水的方法，所述方法采用太阳能电池提供电能，采用太阳能集热装置提供热能，以碳纳米管/二次阳极氧化TiO2纳米管作为工作电极，以铂电极作为对电极，工作电极与所述太阳能电池的正极电导通，对电极与所述太阳能电池的负电极电导通；降解前，将工作电极和对电极放入有机废水中，利用所述太阳能集热装置加热有机废水，然后在黑暗环境中且不通电的条件下静置；降解时，利用所述太阳能集热装置继续加热有机废水，利用太阳能电池对废水进行通电，在太阳光照射工作电极的条件下进行电解。优选地，降解前和降解时，利用所述太阳能集热装置将有机废水加热至60～90℃；和降解时，利用所述太阳能电池提供1.2～1.8V的电压。优选地，所述碳纳米管/二次阳极氧化TiO2纳米管采用如下方法进行制备：(1)以钛片作为阳极，铂片作为阴极，以氟化铵、乙二醇和水组成的混合溶液作为电解液，进行电解；将电解后的钛片在460～500℃下保温40～50min，得到一次阳极氧化TiO2纳米管；(2)以一次阳极氧化TiO2纳米管作为阳极，铂片作为阴极，以氟化铵、乙二醇和水组成的混合溶液作为电解液，再次进行电解；将电解后的阳极材料在450～460℃下保温50～60min，得到二次阳极氧化TiO2纳米管；(3)以熔融碳酸盐作为电解质，二次阳极氧化TiO2纳米管作为阴极，镍电极作为阳极，进行电解，将电解后的阴极依次进行超声波酸洗和干燥，从而获得碳纳米管/二次阳极氧化TiO2纳米管。进一步优选地，所述碳酸盐为碳酸锂、碳酸钠和碳酸钾按照(60～65)：(20～25)：(15～20)质量比组成的混合物。更优选地，所述碳酸盐为碳酸锂、碳酸钠和碳酸钾按照61：22：17质量比组成的混合物。进一步优选地，步骤(3)中，所述电解的工艺条件为：电解温度为500～750℃，电流密度为100～150mA，电解时间为10～50s。优选地，所述太阳能电池为硅基太阳能电池。优选地，所述太阳能集热装置选自平板太阳能集热器、槽式太阳能集热器、真空管太阳能集热器中的任一种。优选地，降解前，将工作电极和对电极放入有机废水中，利用所述太阳能集热装置将废水温度升温至60～90℃，然后在黑暗环境中且不通电的条件下静置10～20min。优选地，所述有机废水为含有十二烷基苯磺酸钠和/或硝基苯的工业污水或生活污水。(三)有益效果本专利技术的上述技术方案具有如下优点：本专利技术将太阳能光-电-热三场的能量综合起来，使其得以有效的分配利用，太阳热对反应的增加不仅有利于氧化还原电位的降低，而且有利于反应动力学的增强。太阳能电池提供了稳定电位，可促进电子的转移，太阳光中的紫外光部分为光催化提供了光致电子和空穴的分离，因此，太阳能多场耦合匹配并协同驱动的光热电化学模式能够为有机废水(尤其是含硝基苯和/或十二烷基苯磺酸钠的有机废水)的降解提供太阳能利用的有效途径。本专利技术研究出了一种全光谱太阳能能量耦合匹配作用于有机废水降解当中的方法，该方法将太阳光紫外部分能量应用于光催化剂反应，可见光部分能量应用于太阳能电池发电，而红外光部分能量应用于太阳能集热器生热，当三种部分能量同时利用耦合在一个反应中，可以实现有机废水的高效彻底降解。附图说明图1是采用实施例1提供的太阳能光-热-电三场耦合方法降解硝基苯的紫外-可见光吸收光谱；图2是利用太阳能-电场单独作用下氧化硝基苯的紫外-可见光吸收光谱；图3是太阳能-光场单独作用氧化硝基苯的紫外-可见光吸收光谱；图4是采用实施例1提供的太阳能光-热-电三场耦合方法降解硝基苯的电流曲线；图5是太阳能光-电两场场耦合条件下降解硝基苯的电流曲线。图6示出了太阳能STEP光-热-电三场耦合条件下的能级分析。图7示出了多场驱动的光热电化学降解硝基苯的机理。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例，对本专利技术的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。本专利技术提供了一种利用太阳能通过光-电-热三场耦合降解有机废水的方法，所述方法采用太阳能电池提供电能，采用太阳能集热装置提供热能，以碳纳米管/二次阳极氧化TiO2纳米管作为工作电极，以铂电极作为对电极，工作电极与所述太阳能电池的正极电导通，对电极与所述太阳能电池的负电极电导通。所用的太阳能电池能够提供稳定的电压，用以对电极提供电能。优选的是，所述太阳能电池为硅基太阳能电池。所用的太阳能集热装置可以选择平板太阳能集热器、槽式太阳能集热器、真空管太阳能集热器中的任一种。本专利技术所用的工作电极材料为碳纳米管/二次阳极氧化TiO2纳米管。碳纳米管/二次阳极氧化TiO2纳米管作为光催化剂，实现太阳能-光能的利用。这一光催化剂材料可以按照如下方法进行制备：(1)以钛片作为阳极，铂片作为阴极，以氟化铵、乙二醇和水组成的混合溶液作为电解液，进行电解；将电解后的钛片在460～500℃下保温40～50min，得到一次阳极氧化TiO2纳米管；(2)以一次阳极氧化TiO2纳米管作为阳极，铂片作为阴极，以氟化铵、乙二醇和水组成的混合溶液作为电解液，再次本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用太阳能通过光‑电‑热三场耦合降解有机废水的方法，其特征在于，所述方法采用太阳能电池提供电能，采用太阳能集热装置提供热能，以碳纳米管/二次阳极氧化TiO2纳米管作为工作电极，以铂电极作为对电极，工作电极与所述太阳能电池的正极电导通，对电极与所述太阳能电池的负电极电导通；降解前，将工作电极和对电极放入有机废水中，利用所述太阳能集热装置加热有机废水，然后在黑暗环境中且不通电的条件下静置；降解时，利用所述太阳能集热装置继续加热有机废水，利用太阳能电池对废水进行通电，在太阳光照射工作电极的条件下进行电解。

【技术特征摘要】
1.一种利用太阳能通过光-电-热三场耦合降解有机废水的方法，其特征在于，所述方法采用太阳能电池提供电能，采用太阳能集热装置提供热能，以碳纳米管/二次阳极氧化TiO2纳米管作为工作电极，以铂电极作为对电极，工作电极与所述太阳能电池的正极电导通，对电极与所述太阳能电池的负电极电导通；降解前，将工作电极和对电极放入有机废水中，利用所述太阳能集热装置加热有机废水，然后在黑暗环境中且不通电的条件下静置；降解时，利用所述太阳能集热装置继续加热有机废水，利用太阳能电池对废水进行通电，在太阳光照射工作电极的条件下进行电解。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，降解前和降解时，利用所述太阳能集热装置将有机废水加热至60～90℃；和降解时，利用所述太阳能电池提供1.2～1.8V的电压。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述碳纳米管/二次阳极氧化TiO2纳米管采用如下方法进行制备：(1)以钛片作为阳极，铂片作为阴极，以氟化铵、乙二醇和水组成的混合溶液作为电解液，进行电解；将电解后的钛片在460～500℃下保温40～50min，得到一次阳极氧化TiO2纳米管；(2)以一次阳极氧化TiO2纳米管作为阳极，铂片作为阴极，以氟化铵、乙二醇和水组成的混合溶液作为电解液，再次进行电解；将电解后的阳极在450～460℃下保温50～60min，得到二...

【专利技术属性】
技术研发人员：谷笛，王宝辉，朱凌岳，姜婷婷，江泓，李海燕，
申请(专利权)人：东北石油大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23