CN204966591U - 光催化燃料电池 - Google Patents

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周昱宏
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Abstract

本实用新型公开了一种光催化燃料电池。其反应容器被离子交换膜分隔成阳极室和阴极室；所述阴极室内为好氧环境；阳极室有光催化阳极，阴极室内置有生物阴极；阳极室设有阳极室进水口、阳极室出水口，阴极室设有阴极室进水口、阴极室出水口和阴极室出气口；所述阳极室出水口通过导管与所述阴极室进水口相连通；所述光催化阳极和所述生物阴极之间串联有外电阻。本实用新型将具有电化学活性的生物膜作为阴极催化剂，阳极室的光催化反应与阴极室的好氧生物反应相耦合，先将具有生物毒性的物质降解为毒性低的小分子，再进入阴极室进行生物降解，强化难降解污染物的去除；具有稳定、可再生的特点，避免了贵金属催化剂的使用，降低了装置的成本。

Description

光催化燃料电池
技术领域
本实用新型涉及一种电池***，尤其涉及一种光催化燃烧电池。
背景技术
能量和水资源的短缺，是全球面临的两个重要挑战，对人类社会可持续发展构成了严重威胁。污水中蕴含了巨大的能量，1kg化学需氧量（COD）完全氧化为水和CO2理论上可以产生3.86kW·h的能量，如果生活污水以400mg/LCOD计，则所含能量为1.544kW·h/m3，是我国污水处理厂处理1m3污水平均电耗的5.3倍。近几年光催化燃料电池（PFC）的出现和快速发展，也实现了从废水中回收电能，但现有的大多数PFC多采用铂作为阴极材料，使得PFC的成本大大提高；在处理难降解物质时，PFC出水仍有一部分小分子物质需进一步降解。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种光催化燃料电池。
为实现上述目的，本实用新型所采取的技术方案是：本实用新型光催化燃料电池包括反应容器，所述反应容器包括阳极室、光催化阳极、阴极室、生物阴极和离子交换膜；所述反应容器被所述离子交换膜分隔成阳极室和阴极室；所述阴极室内为好氧环境；阳极室内置有光催化阳极，阴极室内置有生物阴极；阳极室设有阳极室进水口、阳极室出水口，阴极室设有阴极室进水口、阴极室出水口和阴极室出气口；所述阳极室出水口通过导管与所述阴极室进水口相连通；所述光催化阳极和所述生物阴极之间串联有外电阻。
进一步地，本实用新型所述阳极室的侧壁上镶嵌有石英玻璃窗口。
进一步地，本实用新型在反应容器的外部设有光源，所述光源发射的光能够通过所述石英玻璃窗口进入所述阳极室内以使阳极室内的光催化阳极进行光催化反应。
进一步地，本实用新型还包括为所述阴极室提供氧气的供氧装置。
进一步地，本实用新型所述供氧装置包括相互连通的曝气头和空气泵，其中，所述曝气头置于阴极室内，所述空气泵置于所述反应容器的外部。
进一步地，本实用新型所述阴极室的顶部呈敞口状，该敞口为所述阴极室出气口。
与现有技术相比，本实用新型具有的有益效果是：（1）采用阳极室的光催化反应与阴极室的好氧生物反应相耦合，利用光催化无选择性降解污染物的特性，先将具有生物毒性的物质降解为毒性低的小分子，再进入阴极室进行生物降解，强化难降解污染物的去除；（2）采用具有电化学活性的生物膜作为阴极催化剂，在生长代谢的同时催化阴极反应，具有稳定、可再生的特点，避免了贵金属催化剂的使用，降低了装置的成本；（3）采用离子交换膜将阳极室的光催化反应和阴极室的生物反应分隔开，保障阴极室的生物反应不受阳极室的光催化反应的影响；（4）能以废水为燃料生产电能，实现废水处理和产电的同步进行，有效回收废水中所蕴含的能量，降低废水处理的成本。
附图说明
图1是本实用新型光催化燃料电池的结构示意图。
图中：1-阳极室进水口，2-阳极室，3-离子交换膜，4-阴极室，5-阴极室出水口，6-光催化阳极，7-生物阴极，8-外电阻，9-阳极室出水口，10-阴极室进水口，11-曝气头，12-空气泵，13-阴极室出气口，14-反应容器，15-石英玻璃窗口，16-光源，17.导管。
具体实施方式
如图1所示，本实用新型光催化燃料电池包括反应容器14，反应容器14包括阳极室2、阴极室4和离子交换膜3。反应容器14被离子交换膜3分隔成阳极室2和阴极室4；光催化阳极6置于阳极室2内，生物阴极7置于阴极室4内。本实用新型利用离子交换膜3将阳极室2的光催化反应和阴极室4的生物反应分隔开，保障阴极室4的生物反应不受阳极室2的光催化反应的影响。本实用新型可在阴极室4内接种好氧污泥，从而使得阴极室4为好氧环境。阳极室2设有阳极室进水口1和阳极室出水口9，阴极室4设有阴极室进水口10、阴极室出水口5和阴极室出气口13。阳极室出水口9通过导管17与阴极室进水口10相连通。光催化阳极6与生物阴极7之间串联有外电阻8。
本实用新型在阳极室2的侧壁上密封镶嵌有石英玻璃窗口15。在石英玻璃窗口15的外部设有光源16，光源16正对石英玻璃窗口15，使得光源16发射的光能够通过石英玻璃窗口15进入阳极室2，从而使阳极室2内的光催化阳极6在光源16发射的光的作用下发生光催化反应。
本实用新型可利用供氧装置为阴极室4提供氧气。来自供氧装置的氧气进入阴极室4内。作为本实用新型的一种实施方式，供氧装置可由相互连通的曝气头11和空气泵12组成。其中，曝气头11置于阴极室4内，空气泵12置于反应容器14外，曝气头11通过穿过反应容器14底部的导气管与空气泵12连通。
本实用新型光催化燃料电池工作时，先将废水由阳极室进水口1引入到阳极室2内，在阳极室2内的光催化阳极6发生光催化反应后流出阳极室出水口9，然后通过外接导管17经阴极室进水口10流入至阴极室4内，再经阴极室4作好氧处理后通过阴极室出水口5流出反应容器14。作为本实用新型的一种实施方式，可使阳极室2的水位高于阴极室4的水位，从而利用两者的水位差使阳极室2内的废水通过导管17溢流至阴极室4内。
为使阴极室4保持好氧环境，可在阴极室4内接种好氧污泥。来自外部的废水经过阳极室2时，光催化阳极6在光源16照射作用下，可将废水中具有生物毒性的物质降解为毒性低的小分子有机物；小分子有机物可在光催化作用下进一步降解，同时产生电子和质子。其中，光催化阳极6所产生的电子流经外电阻8到达生物阴极7上，光催化阳极6所产生的质子则由离子交换膜3进入阴极室4内。生物阴极7上的电子与阴极室4内的质子和氧气在好氧生物催化作用下反应最终生成水；同时，具有生物毒性的物质经光催化降解后的毒性低的小分子有机物更易被好氧微生物在生长代谢中降解。阴极室4内的氧气主要由供氧装置提供。此外，废水自阳极室2流入阴极室4内后，废水中的含氮的化合物在阴极微生物的催化下，发生硝化及反硝化等反应，其主要反应的反应式为：NH4++2O2→NO3-+H2O+2H+、2NO3-+12H++10e-→N2+6H2O，由此最终生成氮气由阴极室出气口13排出，从而实现总氮的去除。
本实用新型的阴极室4的顶部优选呈敞口状，并以此敞口作为阴极室出气口13，使得阴极室4内生成的氮气可以很好地从阴极室出气口13排除，同时方便阴极室4的曝气。
离子交换膜3可选用质子交换膜或阳离子交换膜。离子交换膜3在本实用新型反应容器中起到了双重作用：一是将阳极室2的光催化反应和阴极室4的生物反应分隔开，保障阴极室4的生物反应不受阳极室2光催化反应的影响；二是将光催化阳极6所产生的质子由阳极室2传输至阴极室4内，保证本实用新型电池进行正常工作。
光催化阳极6可为半导体材料附着在导电基底上，其中，半导体材料可选用二氧化钛、氧化锌、三氧化钨、硫化钼、溴氧化铋等。
光源16可根据光催化阳极6半导体材料的性质决定。例如，当光催化阳极6所用的半导体材料选用溴氧化铋等可见光光催化剂时，则光源16可使用可见光光源，如太阳光、氙灯等；当光催化阳极6所用的半导体材料选用二氧化钛等紫外光光催化剂时，则光源16使用紫外光光源，如汞灯等。
生物阴极7为附着在载体上的具有电化学活性的生物膜，其中，载体可选用碳纸、碳布、碳纤维刷或碳毡。生物阴极7的微生物可以催化还原氧气，并且生物膜中还包含硝化细菌和反硝化细菌可以去除废水中的含氮化合物，最终变成氮气排出。生物阴极7具有稳定、可再生的特点，避免了贵金属催化剂的使用，降低了装置的成本。

Claims (7)

1.一种光催化燃料电池，其特征在于：包括反应容器（14），所述反应容器（14）包括阳极室（2）、阴极室（4）和离子交换膜（3）；所述反应容器（14）被所述离子交换膜（3）分隔成所述阳极室（2）和所述阴极室（4）；所述阴极室（4）内为好氧环境；阳极室（2）内置有光催化阳极（6），阴极室（4）内置有生物阴极（7）；阳极室（2）设有阳极室进水口（1）、阳极室出水口（9），阴极室（4）设有阴极室进水口（10）、阴极室出水口（5）和阴极室出气口（13）；所述阳极室出水口（9）通过导管（17）与所述阴极室进水口（10）相连通；所述光催化阳极（6）和所述生物阴极（7）之间串联有外电阻（8）。
2.根据权利要求1所述的光催化燃料电池，其特征在于：所述阳极室（2）的侧壁上镶嵌有石英玻璃窗口（15）。
3.根据权利要求2所述的光催化燃料电池，其特征在于：在反应容器（14）的外部设有光源（16），所述光源（16）发射的光能够通过所述石英玻璃窗口（15）进入所述阳极室（2）内以使阳极室（2）内的光催化阳极（6）进行光催化反应。
4.根据权利要求1至3任一项所述的光催化燃料电池，其特征在于：还包括为所述阴极室（4）提供氧气的供氧装置。
5.根据权利要求4所述的光催化燃料电池，其特征在于：所述供氧装置包括相互连通的曝气头（11）和空气泵（12），其中，所述曝气头（11）置于阴极室（4）内，所述空气泵（12）置于所述反应容器（14）的外部。
6.根据权利要求1、2、3或5所述的光催化燃料电池，其特征在于：所述阴极室（4）的顶部呈敞口状，该敞口为所述阴极室出气口（13）。
7.根据权利要求4所述的光催化燃料电池，其特征在于：所述阴极室（4）的顶部呈敞口状，该敞口为所述阴极室出气口（13）。
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