协同反应池及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明公开一种新型自维持光催化转化污染物和CO2协同反应池及其制备方法，单独利用清洁太阳能处置废物协同发电和产生高附加值化工产品，无需外加能源，属于环保与新能源及相关领域。
[0002]
【背景技术】
[0003]温室气体0)2和污水中存在的有机污染物严重威胁着人类的生存繁衍和社会经济的可持续发展，甚至引发极端的气候现象，引起世界各国的高度重视。很多工业过程(如:印染、照相、农药、炸药、消毒剂、润滑剂、石油化工、橡胶、塑料等)都会产生大量的含酚类废液，而且酚类和染料等有毒化合物会在生物链和环境中传递，不仅难以生物降解，而且滞留时间长，较难处理。CO2减排的有效措施是CO 2捕获利用，但是空气中低浓度的CO 2很难捕获并富集利用；同时，对水环境破坏最严重的难降解有机污染物在浓度低时也很难富集处理。太阳能是一种清洁可再生能源，自然界中很容易免费获得，在0)2催化转化[Physical Chemistry Chemical Physics, 2014，16(37): 19790-19827]和有机物催化降角军[Journal of Photochemistry and Photob1logy C - Photochemistry Reviews,2008，9(1): 1-12]等方面引起了人们的广泛兴趣。
[0004]然而，目前利用太阳能降解污染物与转化0)2多发生在不同的体系中，忽视了有机污染物的还原性和CO2的氧化性耦合关联，割裂了二者反应的互补性与连续性，增加了低浓度污水与CO2处置的成本。目前报道的同槽光电化学池由于没有考虑阳极室和阴极室间的化学偏压而导致额外另外施加偏压促使电极反应发生，整个体系不能单独依靠太阳能长时间自维持工作，增加了能耗和运行成本。另外，T12等粉体光催化剂不仅空穴和电子的分离效率低，附着力差，会引起二次污染，而且打02薄膜的有效可利用比表面积比同样条件下的阵列管的低，导致光电转换效率低[Journal of Physical Chemistry C, 2011.115(26):12844-12849]。因此，开发高效单独利用太阳能同时降解有机污染物和转化CO2的耦合技术不仅有利于应用取之不尽的清洁太阳能大量处置工业废液和CO2，而且可以实现以废治废，减少光反应池的体积和能耗，解决空气中〔02捕获难及其利用和污水处理成本闻的问题，达到节能减排的目的。
[0005]耦合电化学和光化学氧化法的光电催化技术是一种有效的处置污染物和CO2的方法。然而，目前的光催化转化0)2与光催化降解有机污染物的耦合技术报道很不完善，仍需外加偏压促进反应发生，消耗外加能量，没有结合二者反应过程与特点的仅靠太阳能工作的自维持连续工作技术，运行成本高。
[0006]为了单独利用太阳能协同氧化降解污染物与转化CO2，我们设计了一种双室协同反应光电化学池(如附图1所示)，阳极室与阴极室由离子交换膜隔开，利用光催化氧化降解污染物产生的电子促使CO2转化，利用两室溶液组成、浓度和PH值引起的的化学电位差实现协同反应池的连续自维持运行。
[0007]
【发明内容】
[0008]本发明的目的是为了解决上述问题，克服现有技术的不足，提供一种利用太阳能氧化污染物和转化CO2发电并产生高附加值化工产品的协同反应池及其制备方法。该反应池由阴极室、阳极室和隔膜组成，其中，光电催化材料与还原性污染物放在阳极室，0)2通入阴极室。该协同反应池仅利用自然界的太阳能为外加能源，通过控制阴极室与阳极室的溶液调控两室的化学偏压，弥补太阳能造成的电压不足的缺陷，无需其他外加能源，具有气体容易扩散、溶液离子传质效果和输运特性好、电极的可利用比表面积和孔隙率高、循环稳定性好等优点，适应于长期稳定运行的光催化降解污染物协同转化CO2的环保与新能源及其相关领域。
[0009]本发明的基本构思在于:本发明利用光降解污染物产生的电子促使0)2在阴极室的转化，利用离子膜两边溶液的组成、浓度和PH值差产生的化学电位弥补单一光电化学池电压不足的缺陷，实现协同反应池的自维持连续运行，实现节能减排，容易操作，对设备要求低，维护成本低。
[0010]本发明的技术方案是:一种自维持光催化转化污染物和CO2协同反应池是由阳极室(I)和阴极室(2)构成，二者用隔膜(3)隔开，阳极(4)与阴极(5)分别放置在阳极室
(I)和阴极室(2)中，隔膜上方加一弧形挡板(6)，结构示意图如图1所示，引导阳极室产生的CO2进入阴极室进行循环利用，溶液中离子移动构成内电路，连接阴极室与阳极室的电子通道构成外电路；半导体光电催化材料与污染物放置在阳极室，光照时污染物发生降解，将CO2引入阴极室，光电催化氧化污染物产生的电子通过外电路促使CO2转化；通过控制阳极室和阴极室的溶液组成、浓度和PH值调整两室的化学电位差，利用该电位差使阴、阳极反应自维持连续运行。
[0011]本发明中，所述的阳极室指光照时污染物发生氧化反应的区域。
[0012]本发明中，所述的阴极室指0)2发生转化的区域。
[0013]本发明中，所述的隔膜指离子交换膜，包括阳离子交换膜、阴离子交换膜、两性交换膜、镶嵌离子交换膜、聚电解质复合膜。
[0014]本发明中，所述的污染物指能失去电子的物质，包括含硫废液、CN_废液、NH4+废液、SO2、含苯环有机物、CHC13、CCl4、多氯联苯、染料、农药、印染废液、电镀废液、石油化工与橡胶废液。
[0015]本发明中，所述的CO2可以被其他能发生还原反应的物质取代。
[0016]本发明中，所述的溶液指能导电的碱性、中性、酸性的无机、有机、高分子溶液与离子液体。
[0017]本发明中，所述的弧形挡板的夹角为90~160°。
[0018]本发明中，所述的外电路上可以施加其他负载。
[0019]本发明与现有技术相比，本发明解决了仅利用大自然中取之不尽的清洁太阳能光催化降解污染物协同转化CO2的技术难题，克服了 0)2转化时因光电化学电压不高而需要外加能量的问题，消除了 0)2转化时所需能量的不足，创造性的提出“利用太阳光催化降解污染物产生的电子促使CO2转化，利用隔膜两边的溶液调控附加的化学偏压实现协同反应池的自维持运行”的新型协同光化学反应池及其制备方法，不需要另外补充其他能源，利用太阳能产生的光电压和阴极室与阳极室溶液产生的化学偏压进行发电和转化CO2，实现自维持运行，具有以下优点和突出性效果:反应工艺独特，阳极室采用半导体光催化材料和能失去电子的污染物为溶液，阴极室引入CO2，原料对环境污染大而且来源非常广泛，成本低，两个过程耦合进行，实现以废治废，消除污染物对环境的影响；耦合太阳能产生的光电压与隔膜两边产生的化学偏压，利用该耦合电压促进CO2的转化与发电；通过控制阴极室和阳极室的溶液组成、浓度与PH值可以有效调控两室的化学偏压，通过该偏压可以调控CO2的转化产物；利用反应池上面的挡板将阳极室光催化降解污染物产生的CO2引入阴极室继续反应，0)2由于密度相对较小而会沿着电极上升，在协同反应池上面的挡板作用下进入阴极室被转化掉，消耗掉阳极室副产的CO2，与目前的光电催化降解有机物不同，本发明的阳极室没有CO2逸出，对环境没有危害；阳极室的阳离子或阴离子可以通过隔膜进入阴极室，与CO2的转化产物形成盐，反应过程中污染物和0)2不断被消耗并转化成附加值高的碳酸氢盐、甲酸盐或碳氢燃料；阴极室加入孔材料强化CO2的吸附与转化，工艺简单；反应只利用太阳光，无需外加能源，同时处理污染物和并将CO2转化成附加值高的化工产品，节