典型的光催化反應(yīng)器

典型的光催化反應(yīng)器
光催化是廢水凈化的一個(gè)很有前途的技術(shù)姐霍，因而引起了國內(nèi)外的重視，已經(jīng)有了二十多年的經(jīng)驗(yàn)積累典唇，在光催化降解有機(jī)污染物镊折、光催化劑的改性等方面受到了廣泛的關(guān)注，有關(guān)光催化氧化法在水污染治理方面應(yīng)用研究的報(bào)道很多介衔，而在反應(yīng)器的設(shè)計(jì)和選材也有一些相關(guān)的報(bào)道恨胚，但涉及到光反應(yīng)器應(yīng)用的報(bào)道較少。在光催化反應(yīng)中炎咖，反應(yīng)器的材料赃泡、結(jié)構(gòu)寒波、形狀、光源的幾何位置等很多因素對(duì)光催化反應(yīng)速率有很大的影響升熊。氣相光催化反應(yīng)器的設(shè)計(jì)有靜態(tài)配氣和動(dòng)態(tài)配氣的兩種俄烁，種類和相關(guān)的研究較少，所以下面著重介紹液相光催化反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)级野、種類和影響因素页屠。 影響光催化反應(yīng)器效率的因素很多，如光源(光源強(qiáng)度蓖柔、波段與光照方式)辰企、催化劑性質(zhì)(催化劑粒徑、類型與載體)况鸣、廢液的外加氧化劑(如O2 ,H2O2 ,O3等)牢贸、待處理廢水性質(zhì)(廢液的初始濃度組成、pH值镐捧、抑制物含量)潜索、溫度、廢液的流動(dòng)力學(xué)特征懂酱、停留時(shí)間等因素對(duì)反應(yīng)器的zui佳運(yùn)行都有影響帮辟，反應(yīng)器的整體設(shè)計(jì)要綜合考慮這些因素。

1. 光源

用于光催化的光源有電光源和太陽光源玩焰。電光源有高壓汞燈、熒光燈芍锚、黑光燈昔园、氨燈等。光源的選擇并炮、布置及使用既要考慮效能又必須考慮經(jīng)濟(jì)性默刚，因此，在設(shè)計(jì)光催化反應(yīng)器時(shí)逃魄，要綜合考慮各方面的影響因素荤西。過去，更多研究放在電光源上伍俘，使用的光波多限于光譜紫外區(qū)邪锌。太陽光源是經(jīng)濟(jì)又環(huán)保的光源，開發(fā)出利用太陽能的光催化反應(yīng)器一直是研究者追求的目標(biāo)癌瘾，但是由于在光催化反應(yīng)中觅丰，太陽光的利用率很低，因此這類反應(yīng)器的成功開發(fā)和真正實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用目前還有很大難度妨退，需要解決催化劑改性等許多方面的技術(shù)問題妇萄。
光源波長(zhǎng)蜕企、光強(qiáng)及光源幾何位置對(duì)催化反應(yīng)有至關(guān)重要的影響，一般情況下冠句，光源波長(zhǎng)越短轻掩，效率越高;在同等波長(zhǎng)的條件下，光強(qiáng)越高懦底，效率越高唇牧，但并非線性相關(guān)的。一般在低光強(qiáng)時(shí)基茵，有機(jī)物降解速度與光強(qiáng)呈線性關(guān)系奋构，高光強(qiáng)時(shí)，降解速度與光強(qiáng)的平方根存在線性關(guān)系拱层。
光線的照射方式可分為直接照射和直接一反光結(jié)合照射弥臼，后者的使用更能充分利用光能。光源與廢水根灯、催化劑的位置對(duì)光轉(zhuǎn)化效果有重要的影響径缅，研究結(jié)果表明，催化劑處在廢水中時(shí)烙肺，在光源與催化劑之間的液層會(huì)吸收光纳猪、散射光，從而使催化劑的光吸收減弱桃笙。因此氏堤，浸在液體中的負(fù)載催化劑應(yīng)盡量靠近液體的近光面，減少光吸收障礙搏明。

 2. 催化劑在應(yīng)用中的存在形態(tài)

催化劑在光催化反應(yīng)器中有兩種存在形式鼠锈，即懸浮態(tài)和固定態(tài)。在懸浮相光催化過程中星著，催化劑以懸浮態(tài)存在于水溶液中购笆，與污染物接觸面積大，但催化劑在溶液中容易凝聚且回收困難虚循，不適合規(guī)模操作同欠。催化劑以固定態(tài)存在時(shí)，負(fù)載在載體上横缔，這樣雖然可避免催化劑的分離和回收過程铺遂，但僅部分催化劑的面積有效地與液相接觸，活性降低剪廉。催化劑制備或選擇載體要考慮多種因素影響娃循，應(yīng)盡量滿足：
(1)吸光性能強(qiáng)。
(2)催化劑粒徑小斗蒋，比表面積大捌斧。
(3)不易中毒笛质，能保持催化劑有高活性。
(4)吸附反應(yīng)物及反應(yīng)后易于固液分離捞蚂。
(5)載體與催化劑結(jié)合牢固妇押，抗沖擊、耐腐蝕姓迅。
負(fù)載型催化劑所使用的載體要求透光性好敲霍，與催化劑結(jié)合較牢固，易于分散丁存，不影響傳質(zhì)等肩杈。可選形狀有顆粒型解寝、管型扩然、絲網(wǎng)、平板型和轉(zhuǎn)盤型等聋伦。顆粒型載體一般有玻璃球夫偶、硅膠、砂石觉增、活性炭兵拢、沸石等。

3. 光催化反應(yīng)器材料

要保證光催化反應(yīng)的順利進(jìn)行逾礁，zui首要的條件之一是光催化反應(yīng)器的材料必須透光性能好说铃，尤其是對(duì)催化反應(yīng)所需波長(zhǎng)范圍的光的透過率要好。一般光催化反應(yīng)利用紫外光嘹履，所以要使用對(duì)紫外光不吸收或吸收很少的材料截汪，很多人選用石英玻璃。石英玻璃是高純單組分玻璃植捎，具有優(yōu)良的熱，光阳柔，電和機(jī)械性能焰枢，耐腐蝕，對(duì)大多數(shù)物質(zhì)是穩(wěn)定的舌剂，包括除氫氟酸以外的大多數(shù)酸济锄，可以長(zhǎng)期應(yīng)用在惡劣的環(huán)境中。而且霍转，石英玻璃在紫外線到紅外線的整個(gè)光譜波段都有優(yōu)良的透過性能荐绝，和普通硅酸鹽玻璃相比，在紅外區(qū)光譜透過比普通玻璃大;在可見區(qū)避消，石英玻璃的透過率也是比較高的低滩。特別是在紫外光譜區(qū)召夹，光譜透過比其他玻璃好的多。能透過的zui小波長(zhǎng)可達(dá)160nm恕沫。
個(gè)別的光催化反應(yīng)器也有使用石英以外的其他物質(zhì)监憎，如含氟聚合物[87]，它對(duì)紫外光有很好的穩(wěn)定性和透過率(T)婶溯，波長(zhǎng)在300~400nm時(shí)鲸阔，0.735≤T≤0.846。在非入射光經(jīng)過的重要部位迄委，選材的要求不高褐筛，可以使用軟質(zhì)玻璃、硬質(zhì)玻璃或其它材料叙身，如金屬材料渔扎。由于玻璃制品容易加工成型，而且便于觀察曲梗，所以在實(shí)驗(yàn)室的研究中多使用玻璃材質(zhì)赞警。

4. 光催化反應(yīng)器的分類
光催化反應(yīng)器的整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要考慮光源、催化劑虏两、待處理液的合理的幾何位置關(guān)系愧旦，盡量增大光照面積與溶液體積的比率，增大光利用率定罢，使光笤虫、固、液或者光祖凫、固琼蚯、氣的相互作用朝著有利于催化反應(yīng)發(fā)生的方向，提高反應(yīng)速率及降解效果惠况。而且光催化反應(yīng)器的設(shè)計(jì)要結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單遭庶，易于操作及維修，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)好用稠屠。
 光催化反應(yīng)器按光源的照射方式不同可分為非聚光式反應(yīng)器(non-concentrating reactor)和聚光式反應(yīng)器(concentrating reactor)峦睡。非聚光式反應(yīng)器的光源可以是電光源也可以是天然的日光，大多垂直反應(yīng)面進(jìn)行照射权埠，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單榨了、操作方便，缺點(diǎn)是用電光源的反應(yīng)器運(yùn)行費(fèi)用過高攘蔽，而用太陽光的反應(yīng)器則反應(yīng)速率較慢龙屉。聚光式光反應(yīng)器是一種以太陽光作為光源的管式反應(yīng)器，一般采用拋物槽或拋物面收集器來聚集太陽光并輻射在能透過紫外光的中心管上满俗，它可以利用直射和反射的光線转捕，在一定程度上可以克服非聚光式光反應(yīng)器的缺點(diǎn)作岖。
 光催化反應(yīng)器的按照反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)和形狀可以大致分為平板型反應(yīng)器、管式反應(yīng)器瓜富、環(huán)形光化學(xué)反應(yīng)器(或圓筒形反應(yīng)器)鳍咱。還有一些其他類型的光催化反應(yīng)器。如光學(xué)纖維束光化學(xué)反應(yīng)器等与柑。

5. 環(huán)形光化學(xué)反應(yīng)器
環(huán)形光化學(xué)反應(yīng)器目前應(yīng)用較為廣泛谤辜，主體是以一個(gè)或多個(gè)同軸圓柱形容器組成，使用電光源价捧，大多置于圓柱形容器的中心位置丑念，催化劑以懸浮或固定態(tài)存在。這種反應(yīng)器主要用于在室內(nèi)進(jìn)行的多相光催化氧化有機(jī)物的研究结蟋。 流化床光反應(yīng)器脯倚，一個(gè)400W的中壓Hg燈置于圓筒形光反應(yīng)器中心，中層為0.01m的用硼硅酸玻璃制造的冷卻水層嵌屎，外層為流化床層推正，厚510-3m,zui外面包以鋁箔。以蠕動(dòng)泵作為循環(huán)流動(dòng)的動(dòng)力宝惰，外圍輔以溫度植榕、pH、O2溶度調(diào)節(jié)裝置尼夺。用浸漬提拉法將TiO2薄膜固定在6W的紫外燈(254nm)上尊残，用浸入式多光源反應(yīng)器降解中等毒性的除草劑—百草枯溶液。反應(yīng)器是2000mL的圓筒淤堵，空氣以500mL/min的流速鼓入反應(yīng)器寝衫，在15h后，100ppm的百草枯溶液的轉(zhuǎn)化率達(dá)到了95%以上拐邪。

環(huán)形光化學(xué)反應(yīng)器慰毅，反應(yīng)器為三層環(huán)形套筒式，內(nèi)腔中心置光源扎阶，中腔是反應(yīng)室事富，中腔內(nèi)壁上負(fù)載TiO2膜，外腔為冷卻室乘陪，用于防止光源釋放能量導(dǎo)致溫度過高。
泰勒渦旋光反應(yīng)器(Taylor vortex reactor雕擂，TVR)一些研究者認(rèn)為啡邑，通過可控的周期性的照射，光催化反應(yīng)的光效率是可以提高的,正是基于這一思想井赌。它由內(nèi)外2個(gè)同軸的圓柱體構(gòu)成谤逼，催化劑固定在內(nèi)筒的外表面或以懸浮態(tài)存在贵扰，熒光燈泡置于小圓柱體內(nèi)作為光源，反應(yīng)在兩圓柱體之間環(huán)形圓筒內(nèi)進(jìn)行流部，使用時(shí)外筒不動(dòng)戚绕，內(nèi)筒旋轉(zhuǎn)。該反應(yīng)器的zui大特色在于小圓柱體旋轉(zhuǎn)枝冀，使溶液內(nèi)形成了泰勒旋渦舞丛，從而帶動(dòng)催化劑不斷經(jīng)歷光反應(yīng)和暗反應(yīng)階段，利用流體動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定性和圓柱間環(huán)形尺寸的離心不穩(wěn)定性果漾，提高了反應(yīng)的效率球切。TVR反應(yīng)器的降解效率比普通的管式光反應(yīng)器和多管式反應(yīng)器的效率分別提高60%和125%。
間歇式懸浮態(tài)光電催化(photoelectrocatalysis绒障，簡(jiǎn)寫為PEC)反應(yīng)器吨凑，它由一個(gè)外徑為55mm的圓形硬質(zhì)玻璃外套及一個(gè)帶有PVC板做成底座的氣體分布器(布?xì)獍鍨榭讖叫∮?0μm的微孔欽板)所組成，用帶多孔欽金屬做陰陽極户辱，施加一定的電壓進(jìn)行光電催化鸵钝。盡管在欽板上施加一個(gè)較高的電壓時(shí)，它可能會(huì)發(fā)生一定程度的氧化反應(yīng)生成TiO2庐镐，然而欽板表面的TiO2也會(huì)參與光電催化反應(yīng)恩商，從而進(jìn)一步增強(qiáng)光電催化反應(yīng)。安太成等對(duì)該光電催化反應(yīng)器進(jìn)行了表征焚鹊，探討了該光電催化反應(yīng)器中電壓痕届、光催化劑濃度和空氣流量等因素對(duì)光電催化降解甲酸的影日向。
 環(huán)形固定膜式光電催化反應(yīng)器末患，實(shí)驗(yàn)裝置的核心部分是由石英玻璃制成的雙套管反應(yīng)器研叫，使用125W中壓汞燈為光源。光催化膜是采用活性碳為主要載體璧针，金屬網(wǎng)為支撐基體的TiO2導(dǎo)電光催化復(fù)合膜嚷炉，固定在反應(yīng)器外套管的內(nèi)壁上。該裝置也可以應(yīng)用于光電催化體系中探橱，在反應(yīng)器內(nèi)套管上纏繞了Pt絲作為對(duì)電極申屹，光催化膜作為工作電極，可以通過電力供應(yīng)提供適當(dāng)?shù)钠珘簛硖岣叻磻?yīng)速率隧膏。