10_典型的光催化反应器

典型光催化反应器由于光催化剂是废水净化的有前途的技术，引起了国内外的重视，已经积累了二十多年的经验，在光催化降解有机污染物、光催化剂的改性等方面受到广泛关注，关于光催化氧化法在水污染管理中的应用的研究报告很多，也有关于反应器的设计和选择的报告，关于光反应器的应用的报告在光催化反应中，反应器的材料、结构、形状、光源的几何位置等多种因素对光催化反应速度有很大影响。 气相光催化反应器的设计有静态配气和动态配气两种，种类相关研究较少，重点介绍液相光催化反应器的结构、种类和影响因素。影响光催化反应器效率的因素很多，例如光源(光源强度、波段和光照射方式)、催化剂性质(催化剂粒径、类型和载体)、废液的氧化剂(例如O2、H2O2、O3等)、应处理的废水的性质(废液的初始浓度组成、pH值、抑制物含量)、温度、废液的流动力学特征、滞留时间等因素可能影响反应器的最佳运转1 .光源光催化剂中使用的光源有电光源和太阳光源。 电光源有高压水银灯、荧光灯、黑光灯、氨灯等。 光源的选择配置使用必须考虑性能和经济性，因此在设计光催化反应器时，必须综合考虑各方面的影响因素。 以往，更多的研究放在电光源上，所使用的光波限于光谱紫外区。 太阳光源是经济环保的光源，开发利用太阳能的光催化反应器是研究人员追求的目标，但光催化反应中太阳光的利用率低，因此真正实现这种反应器的开发和工业应用还很困难，需要解决催化重整等多方面的技术问题。光源的波长、光强和光源的几何位置对催化反应具有重要的影响，一般而言，在光源的波长越短效率越高的相同波长条件下，光强越高效率越高，但是与非线性相关。 一般在低光强度的情况下，有机物的分解速度和光强度是线性关系，在高光强度的情况下，分解速度和光强度的平方根是线性关系。光的照射方式分为直接照射和直接光反射耦合照射，后者可以利用光能。 光源与废水、催化剂的位置对光转换效果有重要影响，研究结果表明，当催化剂在废水中时，光源与催化剂之间的液层会吸收光和散射光，减弱催化剂的光吸收。 因此，浸渍在液体中的负载催化剂应尽可能靠近液体的近光面，减少光吸收障碍。2 .催化剂应用中的存在形式催化剂在光催化反应器中有悬浮状态和固定状态两种存在形态。 在悬浮相光催化过程中，催化剂以悬浮状态存在于水溶液中，与污染物接触的面积大，但催化剂容易在溶液中凝集，难以回收，不适合规模的操作。 当催化剂以一定的状态存在时，载体承载可以避免催化剂的分离和回收过程，但只有部分催化剂的面积有效地与液相接触，活性降低。 催化剂的制备和载体的选择，考虑到各种因素的影响，应尽量满足(1)吸光性能强的要求。 (2)催化剂粒径小，比表面积大； (3)不易中毒，可使催化剂保持高活性。 (4)反应物的吸附及反应后的固液分离容易。 (5)载体与催化剂结合牢固，抗冲击、耐腐蚀。用于负载型催化剂的载体要求透光性好，与催化剂的结合牢固，分散容易，不影响传递物质等。 可选择的形状有粒子型、管型、屏型、平板型、转盘型等。 粒子型载体一般有玻璃球、硅胶、砂石、活性炭、沸石等。3 .光催化反应器材料为了保证光催化反应顺利进行，最重要的条件之一是光催化反应器的材料透光性好，特别是催化反应所需要的波长范围的透光率好。 一般的光催化反应是利用紫外光的，所以使用不吸收紫外光的材料，选择石英玻璃的人很多。 石英玻璃是一种高纯度单组分玻璃，具有优良的热、光、电和机械性能、耐腐蚀性，对多种物质稳定，可长期应用于恶劣环境，包括氢氟酸以外的多种酸。 而且，石英玻璃在从紫外线到红外线的光谱带宽的整体上具有优异的透射性能，与通常的硅酸盐玻璃相比，在红外线的光谱透射率比通常的玻璃的光谱透射率大的可见区域中石英玻璃的透射率也高。 特别是在紫外光谱中，光谱透射比其他玻璃多。 能透过的最小波长可达160nm。个别的光催化反应器中使用石英以外的物质，例如含氟聚合物87，对紫外光的稳定性和透过率(t )，波长为300400nm时，为0.735T0.846。 在非入射光通过的关键部位，对材料的选择要求不高，可以使用软玻璃、硬玻璃或者诸如金属材料之类的其它材料。 由于玻璃制品加工成形容易，且观察容易，实验室的研究多采用玻璃材质。1 .光催化反应器的分类光催化反应器总体结构的设计考虑到光源、催化剂、被处理液的合理几何位置关系，尽量增大光照面积与溶液体积的比例，增大光利用率，使光、固、液或光、固、气的相互作用朝向有利于催化反应发生的方向，提高反应速度和分解效果。 而且光催化反应器设计结构简单，操作和维护方便，经济实惠。光催化反应器根据光源的照射方式分为非聚光式反应器(non-concentrating reactor )和聚光式反应器(concentrating reactor )。 非聚光式反应器的光源可以是电光源，也可以是天然的阳光，多数垂直反应面照射，结构简单，操作方便，缺点是电光源下反应器运行费用过高，太阳光下反应器反应速度慢。 聚光式光反应器是一种以太阳光为光源的管式反应器，一般使用抛物槽或抛物面收集器收集太阳光，辐射到能透过紫外光的中心管，利用直射光和反射光，在一定程度上可以克服非聚光式光反应器的缺点。光催化反应器根据反应器的结构和形状，大致分为平板型反应器、管型反应器、环型光化学反应器(或圆筒型反应器)。 还有其他的光催化反应器。 例如，光纤束光化学反应器等。2 .环形光化学反应器环形光化学反应器目前应用广泛，主体由一个或多个同轴圆柱形容器组成，使用电光源，多位于圆柱形容器的中心位置，催化剂悬浮或固定。 该反应器主要用于室内进行的多相光催化氧化有机物的研究。流化床光反应器，400W的中压Hg灯位于圆筒型光反应器的中心，中层为0.01m的硼硅酸玻璃制冷却水层，外层为流化层，厚度为510-3m，最外面包为铝箔。 以蠕动泵为循环流动动力，周围辅助温度、pH、O2溶解度调节装置。 用浸渍提拉法将TiO2薄膜固定在6W的紫外线灯(254nm )上，用浸渍多光源反应器分解中等毒性除草剂百草枯溶液。 反应器为2000mL圆筒，空气以500mL/min的流速吹入反应器，15h后，100ppm百草枯溶液的转化率达到了95%以上。环型光化学反应器、反应器为三层环套式，内腔中心设置光源，中腔为反应室，中腔内壁承载TiO2膜，外腔为冷却室，光源释放能量，防止温度过高。有些泰勒涡旋光反应器(Taylor vortex reactor，TVR )研究人员认为，可控周期性照射可以提高光催化反应的光效率。 内外2个同轴圆柱体构成，催化剂固定在内筒的外表面，或者以浮游状态存在，荧光球放置在小圆柱体内作为光源，反应在两圆柱体之间的环状圆筒内进行，使用时外筒不动，内筒旋转。 该反应器的最大特点是小圆柱旋转，溶液内形成泰勒涡，催化剂不断经历光反应和暗反应的阶段，利用流体动态不稳定性和圆柱间环形尺寸的离心不稳定性，提高了反应效率。 TVR反应器的降解效率比常规管式反应器和多管式反应器的降解效率分别提高了60%和125%。间歇式浮游状态光催化剂(photoelectrocatalysis，简称PEC )反应器由外径55mm的圆形硬质玻璃涂层和以PVC板为基础的气体分散器(通气板是孔径不足40m的细孔性钛板)构成，以多孔性钛金属为阴极，施加一定的电压进行光催化。 如果对钛板施加高电压，有可能发生一定程度的氧化反应，但钛板表面的TiO2也参与光催化反应，进一步增强光催化反应。 安太成等人以该光催化反应器为特征，研究了该光催化反应器的电压、光催化浓度和空气流量等因素对光催化降解甲酸的影响。环固定膜式光催化反