自驱动发电的光催化CO2还原及污染物降解装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种自驱动发电的光催化CO2还原及污染物降解装置及方法。该装置包括自供电模块和反应模块。自供电模块包括发电模块和整流模块。发电模块的输出接口与整流模块的输入接口连接。发电模块采用水波驱动的摩擦纳米发电机。本发明专利技术将水波机械能转换为电催化所需要的电能；同时，水波驱动的摩擦纳米发电机的输出的电信号经过整流后直接产生直流脉冲电；直流脉冲电相对于恒定直流能够减少Ag电极上的碳沉积；从而增加Ag电极从开始使用到失活的整个生命周期中还原CO2的量；由于本发明专利技术中的直流脉冲电直接来自于摩擦纳米发电机产生的电信号；故本发明专利技术避免了脉冲电源的使用，在节约电能的同时更降低了设备成本。约电能的同时更降低了设备成本。约电能的同时更降低了设备成本。

【技术实现步骤摘要】
自驱动发电的光催化CO2还原及污染物降解装置及方法


[0001]本申请涉及水厂废弃能源收集、自驱动发电、光催化二氧化碳还原绿氢和污染物降解领域，特别是涉及一种自驱动发电提升二氧化碳还原及污染物降解协同反应效率的方法。

技术介绍

[0002]传统污水处理过程中，产生的CO2一般通过直排形式进入环境。随着环境治理的深入，越来越需要对工业生产中产生的CO2进行处理。当前，光电催化还原技术通过太阳能和外加电源的方式为消除污染物和减少CO2提供了一站式解决方案，因而受到广泛关注。
[0003]在光电催化还原技术中，Ag电极具有优异的电化学还原活性和极高的CO选择还原性，常作为阴极使用；但是，在持续的电流作用下，CO2还原产生的CO易进一步还原为碳；而产生的碳易沉积在Ag电极表面，导致在电化学反应开始4小时后，Ag电极的工作效率就会迅速下降，进而大大减少了产物的生成量，制约电化学还原效率。
[0004]解决Ag电极的失活问题具有两种方案，方案一是周期性更换Ag电极；方案二是将恒定直流电源更换为直流脉冲电源，通过间歇性供电的方式减少碳的生成量，延长Ag电极的时间。但是，由于Ag电极和性能稳定的直流脉冲电源的价格均较高，故该两种方案均会显著提高光电催化还原CO2、降解有机物的成本。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种自驱动发电提升光催化二氧化碳还原及污染物降解协同反应效率的方法。
[0006]一种自驱动发电的光催化CO2还原及污染物降解装置，包括自供电模块和反应模块。自供电模块包括发电模块和整流模块。发电模块的输出接口与整流模块的输入接口连接。发电模块采用水波驱动的摩擦纳米发电机。水波的驱动下，发电模块产生间歇性的交流电信号；整流模块用于将发电模块产生的间歇性的交流电信号转化为直流脉冲信号。
[0007]所述的反应模块包括CO2电还原反应池、污染物降解反应池、纳米纤维交换膜和电极组件。CO2电还原反应池与污染物降解反应池的连接处设置有纳米纤维交换膜。所述的电极组件包括光催化电极和阴极。光催化电极设置在污染物降解反应池中。阴极设置在CO2电还原反应池中。光催化电极和阴极与整流模块的输出接口的正极、负极分别连接。
[0008]作为优选，所述的CO2电还原反应池与污染物降解反应池通过连通流道连接。纳米纤维交换膜设置在连通流道中。
[0009]作为优选，所述的光催化电极采用0.2mM氯化钠改性后的二氧化钛薄膜电极。
[0010]作为优选，所述的阴极采用Ag电极。
[0011]一种自驱动发电的光催化CO2还原及污染物降解方法，使用前述的光催化CO2还原及污染物降解装置；该方法具体如下：
[0012]向CO2电还原反应池中通入CO2；向污染物降解反应池中加入含有有机污染物的废
水。用自然光对光催化电极施加光照；自供电模块在水波动力的驱动下产生直流脉冲。
[0013]在光照和直流脉冲的作用下，光催化电极上发生光电子与空穴分离的现象，在空穴处生成活性自由基；活性自由基对有机污染物进行氧化分解。同时，光电子由光催化电极通过导线流入阴极，将CO2被还原成为包括CO和HCOOH，同时CO2电还原反应池中的水发生电解产生H2。CO还原为碳的反应受到直流脉冲的抑制。
[0014]作为优选，所述的有机污染物为双酚A。
[0015]本专利技术的有益效果为：
[0016]1.本专利技术收集水厂中废弃的水波机械能，将其转换为电催化还原CO2和降解有机污染物过程中所需要的电能；同时，水波驱动的摩擦纳米发电机的输出的电信号经过整流后直接产生直流脉冲电；直流脉冲电相对于恒定直流能够减少Ag电极上的碳沉积；从而增加Ag电极从开始使用到失活的整个生命周期中还原CO2的量；由于本专利技术中的直流脉冲电直接来自摩擦纳米发电机产生的电信号；故本专利技术避免了脉冲电源的使用，在节约电能的同时更降低了设备成本；从而在总体上大幅降低了电催化还原CO2和降解有机污染物的成本。
[0017]2.本专利技术可完全利用太阳光、废水处理的二次能源等清洁能源驱动反应进行，打破了光电催化对能源投入的依赖，使得其使用成本降到最低。
[0018]3.本专利技术利用自供电模块协同阳极氧化和阴极还原，利用产生的自由基实现污染物降解和CO2的还原。
附图说明
[0019]图1为本专利技术的整体结构示意图；
[0020]图2为本专利技术的污染物降解反应池在不同电压条件下降解双酚A的效率对比图；
[0021]图3为本专利技术的CO2电还原反应池在不同电压条件下反应产物产量对比图。
[0022]图4为使用恒压电源替换本专利技术的自供电模块时反应至阴极时效时各产物的产量对比图。
具体实施方式
[0023]下面结合附图对本专利技术作详细说明：
[0024]实施例1
[0025]如图1所示，一种自驱动发电的光催化CO2还原及污染物降解装置，包括自供电模块和反应模块。自供电模块包括发电模块1和整流模块2。发电模块1的电信号输出接口与整流模块的输入接口连接。发电模块1为一个水波发电单元或通过多个水波发电单元串联或并联得到；水波发电单元采用水波驱动的摩擦纳米发电机(TENG)；优选专利申请号为“202111261414.6”，专利名称为“一种用于收集水波能的纳米摩擦发电装置及其发电方法”的专利申请的权利要求1
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9中任意一项所述的纳米摩擦发电装置。发电模块1设置在现有水处理设备的曝气池3中，从而利用曝气池中的逸散的动能。
[0026]发电模块1的水波的驱动下，能够产生间歇性的交流电信号；整流模块用于将发电模块1产生的间歇性的交流电信号转化为直流脉冲信号提供至反应模块。
[0027]反应模块包括CO2电还原反应池4、污染物降解反应池5、纳米纤维交换膜6和电极
组件。CO2电还原反应池4与污染物降解反应池设置在同一池体中，且通过纳米纤维交换膜6隔开。CO2电还原反应池4、污染物降解反应池5在反应中分别为阴极室、阳极室。
[0028]电极组件包括光催化电极7和阴极8。光催化电极7设置在污染物降解反应池5中。阴极8设置在CO2电还原反应池4中。光催化电极7采用0.2mM氯化钠改性后的二氧化钛薄膜电极。阴极8采用Ag电极。光催化电极7和阴极8与整流模块的输出接口的正极、负极分别连接。
[0029]工作过程中，污染物降解反应池5中设置有含有有机污染物的废水；CO2电还原反应池4中含有碳酸氢钠。自供电模块持续向反应模块提供直流脉冲信号。在直流脉冲信号的作用下CO2电还原反应池4内的CO2被还原为清洁能源，污染物降解反应池5内的有机污染物被氧化降解。
[0030]该自驱动发电的光催化CO2还原及污染物降解装置的工作原理如下：
[0031]利用自然光对光催化电极7施加光照；自供电模块在水波动力的驱动下产生直流脉冲信号。向CO2电还原反应池4中持续通入CO2或投加吸附CO2的试剂；向污染物降解反应池5中持续通入被处理的有机本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.自驱动发电的光催化CO2还原及污染物降解装置，包括反应模块；其特征在于：还包括自供电模块；自供电模块包括发电模块和整流模块；发电模块的输出接口与整流模块的输入接口连接；发电模块采用水波驱动的摩擦纳米发电机；水波的驱动下，发电模块产生间歇性的交流电信号；整流模块用于将发电模块产生的间歇性的交流电信号转化为直流脉冲信号；所述的反应模块包括CO2电还原反应池、污染物降解反应池、纳米纤维交换膜和电极组件；CO2电还原反应池与污染物降解反应池通过纳米纤维交换膜隔开；所述的电极组件包括光催化电极和阴极；光催化电极设置在污染物降解反应池中；阴极设置在CO2电还原反应池中；光催化电极和阴极与整流模块的输出接口的正极、负极分别连接。2.根据权利要求1所述的自驱动发电的光催化CO2还原及污染物降解装置，其特征在于：所述的光催化电极采用0.2mM氯化钠改性后的二氧化钛薄膜电极。3.根据权利要求1所述的自驱动发电的光催化CO2还原及污染物降解装置，其特征在于：所述的阴极采用Ag电极。4.根据权利要求1所述的自驱动发电的光催化CO2还原及污染物...

【专利技术属性】
技术研发人员：董飞龙，庞振，张培锋，马晓雁，宋爽，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：