一種光催化燃料電池的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種電池系統，尤其涉及一種光催化燃燒電池。
【背景技術】
[0002]能量和水資源的短缺，是全球面臨的兩個重要挑戰，對人類社會可持續發展構成了嚴重威脅。污水中蘊含了巨大的能量，Ikg化學需氧量(COD)完全氧化為水和CO2理論上可以產生3.86kff -h的能量，如果生活污水以400 mg/L COD計，則所含能量為1.544kff -h/m3，是我國污水處理廠處理Im3污水平均電耗的5.3倍。近幾年光催化燃料電池(PFC)的出現和快速發展，也實現了從廢水中回收電能，但現有的大多數PFC多采用鉑作為陰極材料，使得PFC的成本大大提高；在處理難降解物質時，PFC出水仍有一部分小分子物質需進一步降解。
【發明內容】
[0003]本發明的目的是提供一種光催化燃料電池。
[0004]為實現上述目的，本發明所采取的技術方案是:本發明光催化燃料電池包括反應容器，所述反應容器包括陽極室、光催化陽極、陰極室、生物陰極和離子交換膜；所述反應容器被所述離子交換膜分隔成陽極室和陰極室；所述陰極室內為好氧環境；陽極室內置有光催化陽極，陰極室內置有生物陰極；陽極室設有陽極室進水口、陽極室出水口，陰極室設有陰極室進水口、陰極室出水口和陰極室出氣口；所述陽極室出水口通過導管與所述陰極室進水口相連通；所述光催化陽極和所述生物陰極之間串聯有外電阻。
[0005]進一步地，本發明所述陽極室的側壁上鑲嵌有石英玻璃窗口。
[0006]進一步地，本發明在反應容器的外部設有光源，所述光源發射的光能夠通過所述石英玻璃窗口進入所述陽極室內以使陽極室內的光催化陽極進行光催化反應。
[0007]進一步地，本發明還包括為所述陰極室提供氧氣的供氧裝置。
[0008]進一步地，本發明所述供氧裝置包括相互連通的曝氣頭和空氣栗，其中，所述曝氣頭置于陰極室內，所述空氣栗置于所述反應容器的外部。
[0009]進一步地，本發明所述陰極室的頂部呈敞口狀，該敞口為所述陰極室出氣口。
[0010]與現有技術相比，本發明具有的有益效果是:(1)采用陽極室的光催化反應與陰極室的好氧生物反應相耦合，利用光催化無選擇性降解污染物的特性，先將具有生物毒性的物質降解為毒性低的小分子，再進入陰極室進行生物降解，強化難降解污染物的去除；
(2)采用具有電化學活性的生物膜作為陰極催化劑，在生長代謝的同時催化陰極反應，具有穩定、可再生的特點，避免了貴金屬催化劑的使用，降低了裝置的成本；(3)采用離子交換膜將陽極室的光催化反應和陰極室的生物反應分隔開，保障陰極室的生物反應不受陽極室的光催化反應的影響；(4)能以廢水為燃料生產電能，實現廢水處理和產電的同步進行，有效回收廢水中所蘊含的能量，降低廢水處理的成本。
【附圖說明】
[0011]圖1是本發明光催化燃料電池的結構示意圖。
[0012]圖中:1-陽極室進水口，2-陽極室，3-離子交換膜，4-陰極室，5-陰極室出水口，
6-光催化陽極，7-生物陰極，8-外電阻，9-陽極室出水口，10-陰極室進水口，11-曝氣頭，12-空氣栗，13-陰極室出氣口，14-反應容器，15-石英玻璃窗口，16-光源，17.導管。
【具體實施方式】
[0013]如圖1所示，本發明光催化燃料電池包括反應容器14，反應容器14包括陽極室2、陰極室4和離子交換膜3。反應容器14被離子交換膜3分隔成陽極室2和陰極室4 ;光催化陽極6置于陽極室2內，生物陰極7置于陰極室4內。本發明利用離子交換膜3將陽極室2的光催化反應和陰極室4的生物反應分隔開，保障陰極室4的生物反應不受陽極室2的光催化反應的影響。本發明可在陰極室4內接種好氧污泥，從而使得陰極室4為好氧環境。陽極室2設有陽極室進水口 I和陽極室出水口 9，陰極室4設有陰極室進水口 1、陰極室出水口 5和陰極室出氣口 13。陽極室出水口 9通過導管17與陰極室進水口 10相連通。光催化陽極6與生物陰極7之間串聯有外電阻8。
[0014]本發明在陽極室2的側壁上密封鑲嵌有石英玻璃窗口 15。在石英玻璃窗口 15的外部設有光源16，光源16正對石英玻璃窗口 15，使得光源16發射的光能夠通過石英玻璃窗口 15進入陽極室2，從而使陽極室2內的光催化陽極6在光源16發射的光的作用下發生光催化反應。
[0015]本發明可利用供氧裝置為陰極室4提供氧氣。來自供氧裝置的氧氣進入陰極室4內。作為本發明的一種實施方式，供氧裝置可由相互連通的曝氣頭11和空氣栗12組成。其中，曝氣頭11置于陰極室4內，空氣栗12置于反應容器14外，曝氣頭11通過穿過反應容器14底部的導氣管與空氣栗12連通。
[0016]本發明光催化燃料電池工作時，先將廢水由陽極室進水口 I引入到陽極室2內，在陽極室2內的光催化陽極6發生光催化反應后流出陽極室出水口 9，然后通過外接導管17經陰極室進水口 10流入至陰極室4內，再經陰極室4作好氧處理后通過陰極室出水口 5流出反應容器14。作為本發明的一種實施方式，可使陽極室2的水位高于陰極室4的水位，從而利用兩者的水位差使陽極室2內的廢水通過導管17溢流至陰極室4內。
[0017]為使陰極室4保持好氧環境，可在陰極室4內接種好氧污泥。來自外部的廢水經過陽極室2時，光催化陽極6在光源16照射作用下，可將廢水中具有生物毒性的物質降解為毒性低的小分子有機物；小分子有機物可在光催化作用下進一步降解，同時產生電子和質子。其中，光催化陽極6所產生的電子流經外電阻8到達生物陰極7上，光催化陽極6所產生的質子則由離子交換膜3進入陰極室4內。生物陰極7上的電子與陰極室4內的質子和氧氣在好氧生物催化作用下反應最終生成水；同時，具有生物毒性的物質經光催化降解后的毒性低的小分子有機物更易被好氧微生物在生長代謝中降解。陰極室4內的氧氣主要由供氧裝置提供。此外，廢水自陽極室2流入陰極室4內后，廢水中的含氮的化合物在陰極微生物的催化下，發生硝化及反硝化等反應，其主要反應的反應式為:NH/+ 202 — NO3 +H2O + 2H+、2N03 + 12H++ 1e — N2 + 6H20，由此最終生成氮氣由陰極室出氣口 13排出，從而實現總氮的去除。
[0018]本發明的陰極室4的頂部優選呈敞口狀，并以此敞口作為陰極室出氣口 13，使得陰極室4內生成的氮氣可以很好地從陰極室出氣口 13排除，同時方便陰極室4的曝氣。
[0019]離子交換膜3可選用質子交換膜或陽離子交換膜。離子交換膜3在本發明反應容器中起到了雙重作用:一是將陽極室2的光催化反應和陰極室4的生物反應分隔開，保障陰極室4的生物反應不受陽極室2光催化反應的影響；二是將光催化陽極6所產生的質子由陽極室2傳輸至陰極室4內，保證本發明電池進行正常工作。
[0020]光催化陽極6可為半導體材料附著在導電基底上，其中，半導體材料可選用二氧化鈦、氧化鋅、三氧化鎢、硫化鉬、溴氧化鉍等。
[0021]光源16可根據光催化陽極6半導體材料的性質決定。例如，當光催化陽極6所用的半導體材料選用溴氧化鉍等可見光光催化劑時，則光源16可使用可見光光源，如太陽光、氙燈等；當光催化陽極6所用的半導體材料選用二氧化鈦等紫外光光催化劑時，則光源16使用紫外光光源，如汞燈等。
[0022]生物陰極7為附著在載體上的具有電化學活性的生物膜，其中，載體可選用碳紙、碳布、碳纖維刷或碳氈。生物陰極7的微生物可以催化還原氧氣，并且生物膜中還包含硝化細菌和反硝化細菌可以去除廢水中的含氮化合物，最終變成氮氣排出。生物陰極7具有穩定、可再生的特點，避免了貴金屬催化劑的使用，降低了裝置的成本。
【主權項】
1.一種光催化燃料電池，其特征在于:包括反應容器(14)，所述反應容器(14)包括陽極室(2)、陰極室(4)和離子交換膜(3);所述反應容器(14)被所述離子交換膜(3)分隔成所述陽極室(2)和所述陰極室(4);所述陰極室(4)內為好氧環境；陽極室(2)內置有光催化陽極(6)，陰極室(4)內置有生物陰極(7);陽極室(2)設有陽極室進水口(1)、陽極室出水口(9)，陰極室(4)設有陰極室進水口(10)、陰極室出水口(5)和陰極室出氣口(13);所述陽極室出水口(9)通過導管(17)與所述陰極室進水口(10)相連通；所述光催化陽極(6)和所述生物陰極(7)之間串聯有外電阻(8)。2.根據權利要求1所述的光催化燃料電池，其特征在于:所述陽極室(2)的側壁上鑲嵌有石英玻璃窗口(15)。3.根據權利要求2所述的光催化燃料電池，其特征在于:在反應容器(14)的外部設有光源(16)，所述光源(16)發射的光能夠通過所述石英玻璃窗口(15)進入所述陽極室(2)內以使陽極室(2)內的光催化陽極(6)進行光催化反應。4.根據權利要求1至3任一項所述的光催化燃料電池，其特征在于:還包括為所述陰極室(4)提供氧氣的供氧裝置。5.根據權利要求4所述的光催化燃料電池，其特征在于:所述供氧裝置包括相互連通的曝氣頭(11)和空氣栗(12)，其中，所述曝氣頭(11)置于陰極室(4)內，所述空氣栗(12)置于所述反應容器(14)的外部。6.根據權利要求1、2、3或5所述的光催化燃料電池，其特征在于:所述陰極室(4)的頂部呈敞口狀，該敞口為所述陰極室出氣口( 13)。7.根據權利要求4所述的光催化燃料電池，其特征在于:所述陰極室(4)的頂部呈敞口狀，該敞口為所述陰極室出氣口(13)。
【專利摘要】本發明公開了一種光催化燃料電池。其反應容器被離子交換膜分隔成陽極室和陰極室；所述陰極室內為好氧環境；陽極室有光催化陽極，陰極室內置有生物陰極；陽極室設有陽極室進水口、陽極室出水口，陰極室設有陰極室進水口、陰極室出水口和陰極室出氣口；所述陽極室出水口通過導管與所述陰極室進水口相連通；所述光催化陽極和所述生物陰極之間串聯有外電阻。本發明將具有電化學活性的生物膜作為陰極催化劑，陽極室的光催化反應與陰極室的好氧生物反應相耦合，先將具有生物毒性的物質降解為毒性低的小分子，再進入陰極室進行生物降解，強化難降解污染物的去除；具有穩定、可再生的特點，避免了貴金屬催化劑的使用，降低了裝置的成本。
【IPC分類】C02F9/14, H01M8/04, H01M4/86, H01M8/02
【公開號】CN105047948
【申請號】CN201510508409
【發明人】周國旺, 史惠祥, 周昱宏, 史宇濱, 周旻昀, 鄒俊華, 王河
【申請人】浙江大學
【公開日】2015年11月11日
【申請日】2015年8月19日