本發(fā)明涉及光催化分解水產(chǎn)氫技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種水熱法合成催化劑的批量制備裝置及制備方法，是實現(xiàn)工業(yè)化的重要實踐。

背景技術(shù)：

“能源安全是關(guān)系國家經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的全局性、戰(zhàn)略性問題，對國家繁榮發(fā)展、人民生活改善、社會長治久安至關(guān)重要?！币爸Πl(fā)展非煤能源，形成煤、油、氣、核、新能源、可再生能源多輪驅(qū)動的能源供應(yīng)體系”，就必須進(jìn)一步加強(qiáng)新能源、可再生能源的研究及開發(fā)。利用光催化反應(yīng)將太陽能轉(zhuǎn)化為氫能，建立規(guī)?；男滦汀疤柲?氫能”系統(tǒng)，即解決兩者的利用難題及不足，又有利于建立可持續(xù)發(fā)展的綠色低碳能源體系，具有重要的社會、經(jīng)濟(jì)價值。

從1972年Fujishima和Honda報道TiO₂單晶電極上的光解水產(chǎn)氫氣現(xiàn)象以來，光電化學(xué)分解水制氫以及隨后發(fā)展起來的光催化分解水制氫已成為能源領(lǐng)域研究的熱點。DOE報告指出太陽能光化學(xué)分解水制氫是最理想也是未來最主要的氫能生產(chǎn)技術(shù)。光催化制氫技術(shù)經(jīng)過近十年來的快速發(fā)展已取得了重大的進(jìn)展。然而，目前單批次合成光催化劑均在數(shù)克到十?dāng)?shù)克量級，還沒有關(guān)于催化劑大批量制備的研究報道，而將幾克催化劑應(yīng)用于實踐中是不現(xiàn)實的。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明的目的在于針對單批次合成光催化劑產(chǎn)量低的問題，實現(xiàn)水熱法合成光催化劑的工業(yè)生產(chǎn)，提供了一種水熱法合成催化劑的批量制備裝置及制備方法。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：

一種水熱法合成催化劑的批量制備裝置，包括物料混合單元、高溫高壓反應(yīng)單元、廢氣吸收單元和超濾單元：所述物料混合單元包括物料混合釜1，設(shè)置在物料混合釜1內(nèi)的物料混合腔26，設(shè)置在物料混合腔26腔體頂部的進(jìn)料口2和攪拌器a3，物料混合腔26外周圍為循環(huán)水層，物料混合腔26上部為循環(huán)水出水口a27，下部為循環(huán)水進(jìn)水口a24，物料混合腔26腔體底部為手動控制閥h22控制下部的出液口a23，出液口a23通過輸液管和其上的控制閥g21連通高溫高壓反應(yīng)單元的高壓反應(yīng)釜20；高溫高壓反應(yīng)單元包括高壓反應(yīng)釜20內(nèi)，高壓反應(yīng)釜20外圍以框架28為支撐，高壓反應(yīng)釜20的反應(yīng)釜容器29內(nèi)壁涂有反應(yīng)釜內(nèi)襯30，中間反應(yīng)釜容器29頂部為下釜蓋32和上釜蓋36，上釜蓋36上的螺孔通過與下釜蓋32上對應(yīng)的螺母33和螺釘34保持釜內(nèi)密封，上釜蓋36上還設(shè)置壓力傳感器4、溫度傳感器6和出氣口35；所述廢氣吸收單元包括廢氣吸收釜12，出氣口35通過輸氣管連通廢氣吸收單元的廢氣吸收釜12內(nèi)廢氣吸收液41液面下，輸氣管上依次設(shè)置控制閥a7和控制閥b8，控制閥a7為三通控制閥，另一端通過輸氣管連接真空泵9，廢氣吸收釜12的結(jié)構(gòu)同物料混合腔26；所述超濾單元包括超濾組件13，超濾組件13通過輸液管連接高壓反應(yīng)釜20，高壓反應(yīng)釜20與超濾組件13的進(jìn)液口44連接的輸液管上依次設(shè)置控制閥e18、恒流泵17和控制閥d16，高壓反應(yīng)釜20與超濾組件13的出液口d47連接的輸液管上設(shè)置控制閥f19；超濾組件13的出液口c45通過輸液管連接廢液桶15，輸液管上設(shè)置控制閥c14；超濾組件13內(nèi)設(shè)置有超濾薄膜46。

所述高壓反應(yīng)釜20為316L不銹鋼材質(zhì)，釜蓋上螺釘扭矩不超過100N·M,反應(yīng)溫度不超過250℃，反應(yīng)壓力不超過12MPa。

所述反應(yīng)釜內(nèi)襯30的材料為聚四氟乙烯。

所述裝置內(nèi)流通液體管道的均為橡膠軟管，流通氣體的管道均為硬質(zhì)塑料管。

上述所述水熱法合成催化劑的批量制備裝置的制備方法，反應(yīng)物通過進(jìn)料口2加入物料混合腔26，在攪拌器a3不斷攪拌至物料分散均勻后，控制手動控制閥h22，并打開控制閥g21，混合液通過出液口a23導(dǎo)入反應(yīng)釜容器29內(nèi)；將上釜蓋36和下釜蓋32對應(yīng)放置，并上緊螺母，保證釜內(nèi)密閉；這樣有利于物料混合均勻，盡可能地保證高溫高壓反應(yīng)的均一性；

高壓反應(yīng)釜20在密封后，打開加熱開關(guān)和攪拌器b5，通過觀察壓力傳感器4和溫度傳感器6，反應(yīng)一定時間后，關(guān)閉加熱開關(guān)，打開控制閥a7和控制閥b8，通過反應(yīng)釜容器29的出氣口35和廢氣吸收釜12的進(jìn)氣口42，將廢氣導(dǎo)入廢氣吸收釜12內(nèi)的廢氣吸收液41液面以下，待不再有氣泡冒出，關(guān)閉控制閥b8，打開真空泵9，當(dāng)高壓反應(yīng)釜20內(nèi)溫度降到預(yù)設(shè)溫度，關(guān)閉真空閥a7和真空泵9；這樣能夠有效地吸收反應(yīng)產(chǎn)生的廢氣以及減少催化劑中溶劑的量，提高催化劑的濃度，有利于催化劑的超濾；

廢氣吸收完畢后，打開控制閥c14、控制閥d16、控制閥e18、控制閥f19和恒流泵17，催化劑溶液通過進(jìn)液口44，進(jìn)入超濾組件13，通過超濾薄膜46過濾后，廢液通過出液口c45進(jìn)入廢液桶15，而高濃度的催化劑溶液通過出液口47回流至高壓反應(yīng)釜20內(nèi)，同時不斷向釜內(nèi)加入溶劑，繼續(xù)超濾，待洗滌結(jié)束后，停止加入溶劑，進(jìn)一步超濾得到催化劑高濃度溶液，最后真空干燥即得催化劑粉末；這樣能夠除去催化劑溶液中的雜質(zhì)，并能進(jìn)一步提純催化劑溶液

和現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：

本發(fā)明裝置將單批次催化劑的產(chǎn)量提高了幾百倍，達(dá)到近千克。除此之外還比較好的保證了催化劑的催化活性，能達(dá)到實驗室階段合成催化劑催化活性的80％，是光催化劑由實驗室階段向工業(yè)化的重要實踐，同時也填補(bǔ)了這一領(lǐng)域的空白。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例制備流程示意圖。

圖2為本發(fā)明批量制備裝置示意圖。

圖3為本發(fā)明物料混合單元剖面明細(xì)圖。

圖4為本發(fā)明高溫高壓反應(yīng)單元剖面明細(xì)圖。

圖5為本發(fā)明廢氣吸收反應(yīng)釜剖面明細(xì)圖。

圖6為本發(fā)明超濾膜組件剖面明細(xì)圖。

其中，1-物料混合釜；2-進(jìn)料口；3-攪拌器a；4-壓力傳感器；5-攪拌器b；6-溫度傳感器；7-控制閥a；8-控制閥b；9-真空泵；10-攪拌器c；11-加液口；12-廢氣吸收釜；13-超濾組件；14-控制閥c；15-廢液桶；16-控制閥d；17-恒流泵；18-控制閥e；19-控制閥f；20-高壓反應(yīng)釜；21-控制閥g；22-手動控制閥h；23-出液口a；24-循環(huán)水進(jìn)水口a；25-循環(huán)冷卻水a(chǎn)；26-物料混合腔；27-循環(huán)水出水口a；28-框架；29-反應(yīng)釜容器；30-反應(yīng)釜內(nèi)襯；31-反應(yīng)液；32-下釜蓋；33-螺母；34-螺釘；35-出氣口；36-上釜蓋；37-手動控制閥i；38-出液口b；39-循環(huán)水進(jìn)水口b；40-循環(huán)冷卻水b；41-廢氣吸收液；42-進(jìn)氣口；43-循環(huán)水出水口b；44-進(jìn)液口；45-出液口c；46-超濾薄膜；47-出液口d。

具體實施方式

下面結(jié)合具體的實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明，所述是對本發(fā)明的解釋而不是限定。

如圖1、圖2、圖3，首先，按照實驗方案將一定量的乙酸鋅Zn(Ac)₂和乙酸鎘Cd(Ac)₂依次通過進(jìn)料口2加入到物料混合腔26內(nèi)，然后按照一定比例通過進(jìn)料口2加入去離子水，并在攪拌器a3攪拌下使物料充分溶解，完全分散后，控制手動控制閥h22，將前驅(qū)體混合液通過出液口a23導(dǎo)入至高壓反應(yīng)釜20內(nèi)。同樣地，氫氧化鈉NaOH溶液和硫代乙酰胺溶液分散均勻后緩慢轉(zhuǎn)移至高壓反應(yīng)釜內(nèi)。由于NaOH溶解會釋放大量的熱，所以攪拌過程中需要通過循環(huán)水進(jìn)水口a24和循環(huán)水出水口a27通入循環(huán)冷卻水a(chǎn)25，從而降低裝置溫度。

如圖4，在上述過程中，反應(yīng)物料混合完成后，在攪拌器b5工作的條件下，導(dǎo)入反應(yīng)釜容器29內(nèi)。反應(yīng)物料加入結(jié)束后，通過手架將上釜蓋36降至下覆蓋32上，并通過對面螺母逐步上緊的原則，將各個螺母33上緊至100N·M即可。隨后，打開溫度控制器，升溫至180℃，通過觀察壓力傳感器4和溫度傳感器6均正常后，并開始計時。反應(yīng)24h后，關(guān)閉加熱開關(guān)。通過出氣口35將廢氣導(dǎo)入廢氣吸收釜12。

如圖5，提前向廢氣吸收釜12內(nèi)通過加液口11導(dǎo)入廢氣吸收液41，廢氣的主要成分為H₂S和NH₃，所以廢氣吸收液的成分為食鹽水(NaCl的水溶液)，在上述過程中，反應(yīng)結(jié)束后，在攪拌器c10不斷攪拌的條件下，廢氣通過進(jìn)氣口42導(dǎo)入廢氣吸收液41液面下。由于廢氣溫度較高，通過循環(huán)水進(jìn)水口b39和循環(huán)水出口b43通入循環(huán)冷卻水b40以維持吸收液的溫度，增加廢氣吸收量。

待不再有氣泡出現(xiàn)時，停止通氣，關(guān)閉廢氣吸收控制閥b8,，打開真空泵9，觀察高壓反應(yīng)釜溫度傳感器6，待示數(shù)降至60℃，關(guān)閉廢氣控制閥a7。而后，打開控制閥c14、控制閥d16、控制閥e18、控制閥f19和恒流泵17。

如圖6，在恒流泵17的推動下，反應(yīng)產(chǎn)物由進(jìn)液口44進(jìn)入管內(nèi)的超濾薄膜46，廢液過濾出來后，由出液口c45，進(jìn)入廢液桶15內(nèi)，而催化劑溶液則通過出液口d47回流至高壓反應(yīng)釜20內(nèi)。同時，不斷地向釜內(nèi)加入去離子水，經(jīng)過反復(fù)地超濾洗滌后，將洗滌完成的催化劑，放入真空干燥箱內(nèi)，保持箱內(nèi)溫度80℃，干燥6h，即可得到所制備的催化劑。

經(jīng)檢測，單批次催化劑的產(chǎn)量提高了幾百倍，達(dá)到近千克。而且活性檢測也表明批量制備的催化劑保證了催化劑的催化活性，達(dá)到實驗室階段合成催化劑催化活性的80％，是“太陽能-氫能”系統(tǒng)由實驗室階段向工業(yè)化的重要實踐。