一种稳定的太阳光海水淡化反应器及制备方法与流程

本发明涉及海水淡化领域，尤其涉及一种稳定的太阳光海水淡化反应器及制备方法。

背景技术：

随着人口增长和社会发展，人类对淡水资源的需求量会越来越多，而部分地区淡水资源极度匮乏，极大的影响人类正常生活。在地球上，97％的水资源都是海水，并占据约70％的地球表面积，通过海水淡化工艺，可以以海水为原料生产出源源不断的淡水资源。但是目前的蒸馏法及电渗析法耗能较多，且产量有限，能量消耗大，器件成本高。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的技术问题，本发明的首要目的是提供一种稳定的太阳光海水淡化反应器，该反应器的阴极为光阴极，光阴极通过导线连接至阳极，该光阴极能够充分的利用太阳光，不需要额外供电，以太阳光为能源在光阴极腔室与阳极腔室之间发生氧化还原反应，使得阴极腔室的带负电离子增多，阳极腔室的带正电离子增多，从而吸引第一盐流室中的阳离子流向阴极腔室，氧化还原液在光阴极腔室和阳极腔室之间循环，使得阴极腔室的阳离子带到了阳极腔室，阳极腔室与第二盐流室中阳离子形成浓度差，阳离子通过阳离子交换膜渗透进第二盐流室，并吸引第一盐流室中阴离子流向第二盐流室，从而使得第一盐流室中离子浓度不断降低，第二盐流室中离子浓度不断升高，达到了太阳光海水淡化的目的。本发明的光阴极稳定性好，与阳极适配性高，尤其是，本发明的光阴极与修饰后的阳极适配性极高。另外该光阴极的制备方法简单，成本低，环保无毒，并且该光阴极首次应用于太阳光海水淡化领域，且该反应器涉及的制备方法灵活，可操控性强，通过选择吸收层和缓冲层的材料改变光阴极的表面结构、以及通过阳极的选择进而实现成本的控制和适应外界不同环境的目的。

本发明一方面提供一种稳定的太阳光海水淡化反应器，其包括，

光阴极腔室，其中设置有光阴极；

阳极腔室，其中设置有阳极，所述光阴极和所述阳极之间通过导线连接；

氧化还原液，其在光阴极腔室和阳极腔室之间循环；

第一、第二盐流室，位于光阴极腔室和阳极腔室之间，其中盛放有海水，第一盐流室与所述光阴极腔室之间、第二盐流室与所述阳极腔室之间通过阳离子交换膜隔离，第一盐流室与第二盐流室之间通过阴离子交换膜隔离；

其中所述光阴极腔室具有一透光窗口，太阳光经过该透光窗口照射在光阴极上。

所述光阴极由依次层叠于基底上的背电极层、吸收层、缓冲层、钝化层和表面催化剂构成。

所述吸收层选用cu2znsns4或cubis3，其厚度为800～1300nm；所述缓冲层为cds、zns、zncds或in2s3，其厚度为30～130nm。

所述阳极选用碳纸、碳布、修饰碳纸、修饰碳布和pt片电极其中一种。

优选地，所述阳极选用修饰碳纸或修饰碳布。

所述cu2znsns4或cubis3吸收层采用喷雾热解法生长，其中cu2znsns4吸收层以cu(no3)2、zn(no3)2、sn(ch3so3)2以及sc(nh2)2混合液为原料，将混合液喷涂至加热的背电极层上，其加热温度为300℃～500℃，加热喷涂时间为5～15min，生长厚度为800～1300nm；cubis3吸收层以cu(no3)2、bino3以及sc(nh2)2混合液为原料，将混合液喷涂至加热的背电极层上，其加热温度为300℃～500℃，加热喷涂时间为5～15min，生长厚度为800～1300nm。

优选地，碳布或碳纸的修饰选用如下工艺：首先采用胶带粘连剥离碳纸或碳布电极5～10次或砂纸打磨碳布或碳纸电极使其粗糙化，之后将pt或pt/c催化剂负载在粗糙化后的碳布或碳纸电极表面；

优选地，pt/c催化剂的负载选用如下工艺：取含有pt/c催化剂的溶液分散在粗糙化后的碳布或碳纸电极上，随后将其置于惰性气氛中，在400℃～600℃下退火5min～15min；

pt的负载选用如下工艺：取0.2～1mm氯铂酸前驱体溶液，将粗糙化后的碳布或碳纸电极置于前驱体溶液中以紫外线灯照射10-30mins，经光沉积后pt纳米颗粒分散在电极表面，pt纳米颗粒的粒径为2nm～10nm。

所述表面催化剂选用pt、pt/c、ni、pt/ni或co纳米颗粒，所述表面催化剂的粒径范围为2nm～10μm。

所述第一、第二盐流室各自连接有导管，其中的海水沿各自的导管循环。

本发明的另一方面提供一种太阳光海水淡化系统，包括上述太阳光海水淡化反应器。

总的来看本发明提供的太阳光海水淡化反应器以太阳光为能源，不需要额外供电，通过稳定的光电阴极、阳极及氧化还原液和离子交换膜构成，该设计具有结构简单，成本低廉，能耗较低且持续稳定的优点，有望日后实现低能耗淡化海水，大大降低海水淡化的能量消耗。

附图说明

图1是本发明一实施例的太阳光海水淡化反应器的结构示意图。

图2是本发明一实施例反应器的第一盐流室电导率变化图。

具体实施方式

接下来将结合本发明的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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其它实施例，均属于本发明保护的范围。下述实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从公开商业途径获得。下面来对本发明做进一步详细的说明。

本说明书中使用例如“之下”、“下方”、“下”、“之上”、“上方”、“上”等空间相对性术语，以解释一个元件相对于第二元件的定位。除了与图中所示那些不同的取向以外，这些术语意在涵盖器件的不同取向。

另外，使用诸如“第一”、“第二”等术语描述各个元件、层、区域、区段等，并非意在进行限制。使用的“具有”、“含有”、“包含”、“包括”等是开放式术语，表示存在所陈述的元件或特征，但不排除额外的元件或特征。除非上下文明确做出不同表述。

本发明一实施例提供一种稳定的太阳光海水淡化反应器，该反应器包括光阴极腔室、阳极腔室、第一盐流室和第二盐流室，光阴极腔室和阳极腔室盛放有氧化还原液，氧化还原液在光阴极腔室和阳极腔室之间循环。具体地，光阴极腔室和阳极腔室采用导管相连，以水泵作为驱动力，使氧化还原液在光阴极和阳极腔室内循环。

第一盐流室和第二盐流室设置于光阴极腔室和阳极腔室之间，第一盐流室与光阴极腔室之间通过阳离子交换膜隔离，第一盐流室与第二盐流室之间通过阴离子交换膜隔离，第二盐流室与阳极腔室之间通过阳离子交换膜隔离。第一、第二盐流室中盛放有海水，其连接有导管各自进行外部循环。

光阴极腔室中设置有光阴极，光阴极由依次层叠于基底上的背电极层、吸收层、缓冲层、钝化层和表面催化剂构成。基底优选钠钙玻璃基底，基底的厚度为2～3mm。背电极层选用mo、ito、fto或azo，背电极层的厚度为200～500nm。

吸收层选用cu2znsns4(czts)或cubis3(cbs)，吸收层的厚度为800～1300nm。在一优选方案中，吸收层cu2znsns4或cubis3采用喷雾热解法生长，其中cu2znsns4吸收层以cu(no3)2、zn(no3)2、sn(ch3so3)2以及sc(nh2)2混合液为原料，将混合液喷涂到加热的背电极玻璃衬底上，其加热温度为300℃～500℃，加热喷涂时间为5～15min，生长厚度为800～1300nm；cubis3吸收层以cu(no3)2、bino3以及sc(nh2)2混合液为原料，将混合液喷涂到加热的背电极玻璃衬底上，其加热温度为300℃～500℃，加热喷涂时间为5～15min，生长厚度为800～1300nm。更优选地，吸收层选用喷雾热解法生长的cubis3。

缓冲层选用cds、zns、zncds或in2s3。其中cds、zns、zncds或in2s3采用化学水浴沉积的生长方式，沉积厚度为30～130nm。更优选的，缓冲层选用cds。钝化层选用al2o3、tio2或hfo2。优选地，钝化层选用原子层沉积法生长，生长厚度为5～100nm。表面催化剂选用pt、pt/c、ni、pt/ni或co纳米颗粒。纳米颗粒的粒径范围为2nm～10μm。在一优选方案中，表面催化剂选用pt/c采用溶胶凝胶法分散在光电极表面，经退火凝结后粒径为1～10μm。在另一优选方案中，pt纳米颗粒经光沉积分散在光电极表面，粒径为2～10nm。在其它优选方案中，ni、pt/ni、co纳米颗粒由电沉积方式沉积在光电极表面，粒径为10～200nm。更优选的，表面催化剂选用pt/c纳米颗粒。

阳极腔室中设置有阳极，阳极选用碳纸、碳布、修饰碳纸、修饰碳布或者pt片电极。在一优选方案中，阳极选用修饰碳纸或修饰碳布。具体地，碳布或碳纸的修饰选用如下工艺：首先采用胶带粘连在碳布或者碳纸电极上然后迅速剥离，该过程反复进行5～10次，或者采用砂纸打磨碳布或者碳纸电极使其粗糙化，在一优选方案中，选用胶带粗糙化碳布或者碳纸电极。粗糙化之后，将pt或pt/c催化剂负载在粗糙化后的碳布或碳纸电极表面。具体地，以甲醇为溶剂，配制浓度为0.2～1mm的氯铂酸前驱体溶液。将粗糙化后的碳布或者碳纸电极放置于前驱体溶液中以紫外线灯照射10-30min，在碳布或者碳纸电极上制备获得粒径为2～10nm的pt纳米颗粒，获得修饰碳布或者修饰碳纸。在另一实施方式中，先将0.002-0.02gpt/c催化剂溶解在1-10ml异丙醇溶液中制备前驱体溶液，超声2-6h；然后以滴铸法取20～100μlpt/c前驱体溶液分散在粗糙化处理后的的碳布或碳纸电极上，并放置于n2氛围条件中，在400～600℃温度下退火5-15min，获得修饰碳布或者修饰碳纸。

由上述制备方法可以得知，本发明光阴极和阳极制备方法灵活，可操控性强，可以根据实际环境需要选择光阴极中吸收层和缓冲层的材料来改变光阴极的表面结构，根据阳极的的材料选择合适的阳极，进而实现了控制成本、适应外界不同环境的目的。

将上述制备好的光电阴极用密封胶水做表面密封处理并用导电银胶将导线连接到电极上，阳极选用修饰碳布或修饰碳纸，与阴极一起封装进反应器中。在光阴极腔室和阳极腔室中通入氧化还原液并连接导管进行外部循环，氧化还原液选用溶解有铁氰化钾和亚铁氰化钾的海水，其中铁氰化钾和亚铁氰化钾的浓度比例为2/2mm～80/80mm。同时在第一盐流室(a)和第二盐流室(b)中通入海水，各盐流室连接导管各自进行外部循环，单个的海水淡化反应器设计示意图如图1所示。在光阴极腔室内，光电阴极通过光照产生光电子参与还原反应将使腔室内带负电离子增多，从而吸引第一盐流室中的阳离子流向光阴极腔室，同时，阳极修饰碳纸电极表面发生氧化反应使得阳极腔室内带正电离子增多，从而使得第二盐流室中的阴离子流向阳极腔室；并通过光阴极腔室和阳极腔室外部循环的驱动力将光阴极腔室阳离子带到阳极腔室，使得阳极腔室与第二盐流室中阳离子形成浓度差，阳离子渗透进第二盐流腔室中，并吸引第一盐流室中阴离子流向第二盐流室，从而使得第一盐流室中离子浓度不断减低，而第二盐流室中离子浓度不断升高，以此达到太阳光海水淡化的目的。在实际使用中可以选用多个反应器叠加组成阵列海水淡化系统，从而减少外部循环的次数，并在最终可以达到海水一次流过即可淡化的目的；并且后续进行化学净水处理组成阵列海水淡化及净化水系统，最终生产可饮用淡水。

一优选实施例的反应器中，阳极选用pt/c负载的碳纸修饰电极，光阴极的吸收层选用喷雾热解法生长的cubis3，缓冲层选用cds。图2是该优选实施例的反应器第一盐流室中的电导率随时间变化图，可以看到随着时间增加，第一盐流室中电导率逐渐降低，说明第一盐流室中的盐含量在逐步降低，达到了在太阳光照下实现海水脱盐淡化的目的。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。