隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，不可避免地伴隨著大量廢棄物排放，這導(dǎo)致了嚴(yán)重的環(huán)境污染和生態(tài)破壞。這些因素正危及我國(guó)居民生存安全。另外，調(diào)查表明環(huán)境污染問(wèn)題也會(huì)影響到我國(guó)的可持續(xù)性發(fā)展。所以，保護(hù)與治理環(huán)境是構(gòu)建環(huán)境友好、和諧社會(huì)和實(shí)現(xiàn)我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)叮持續(xù)發(fā)展的重要任務(wù)。傳統(tǒng)污染物處理方法不能徹底消除降解污染物，也容易造成二次污染，使用范圍窄。僅適合特定的污染物，還伴隨著能耗高，不適合大規(guī)模推廣等缺陷。近些年來(lái)，利用光催化技術(shù)降解和消除污染物得到人們的廣泛關(guān)注。光催化氧化技術(shù)是一種集高效節(jié)能、操作簡(jiǎn)便、反應(yīng)條件溫和、同時(shí)可減少二次污染等突出特點(diǎn)于一身的一項(xiàng)新的污染治理技術(shù)，而且從地球卜物質(zhì)循環(huán)的角度來(lái)看，光催化技術(shù)可以將大量的有機(jī)污染物降解為CO2和H2O．從而被植物利用．形成了循環(huán)，如圖l所示，可以說(shuō)光催化技術(shù)正足人類所急需的一種技術(shù)。
光催化技術(shù)起源于20世紀(jì)70年代．自從日本學(xué)者Fujishima和Honda發(fā)現(xiàn)了利用TiO2單晶可將水光催化分解之后。范圍內(nèi)，便開(kāi)始了光催化氧化技術(shù)在污水處理、空氣凈化、抗菌殺毒等方面的應(yīng)用研究，于是光催化技術(shù)受到全的廣泛關(guān)注。并得到了快速發(fā)展。如今人們對(duì)于光催化技術(shù)的研究主要分為對(duì)光催化劑的研究(如TiO2、ZnO)和對(duì)光催化反應(yīng)條件的研究，其中。對(duì)反應(yīng)條件的研究中，人們?yōu)榱俗尮獯呋趸磻?yīng)能穩(wěn)定和高效的進(jìn)行，會(huì)設(shè)計(jì)出相應(yīng)的反應(yīng)器，用來(lái)為反應(yīng)提供良好的平臺(tái)，一個(gè)設(shè)計(jì)良好的反應(yīng)器，將能大大提高反應(yīng)體系的反應(yīng)效率，從而達(dá)到高效、節(jié)能、穩(wěn)定等目的。
1 光催化反應(yīng)器的設(shè)計(jì)依據(jù)
光催化反應(yīng)器的設(shè)計(jì)主要目的是為了給光催化氧化反應(yīng)提供高效和穩(wěn)定的反應(yīng)空間和環(huán)境。實(shí)現(xiàn)光催化過(guò)程對(duì)光的充分利用，從而提高反應(yīng)效率。由于光催化反應(yīng)需要有光子參與，光催化劑才能將光能轉(zhuǎn)化成為化學(xué)反應(yīng)所需的能量，來(lái)進(jìn)行催化降解作用，因而在設(shè)計(jì)反應(yīng)器的時(shí)候，zui主要的兩個(gè)理論依據(jù)就是光的傳輸理論和催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)理論。光的傳輸以及在光在反應(yīng)器中的分布直接影響到催化劑對(duì)于光的吸收效率。充分均勻的催化劑分散可保證光在傳輸途中浪費(fèi)少，這樣催化劑對(duì)光的利用效率高，反之將會(huì)有較多催化劑由于得不到或者只接受到很少的光照而不能充分的進(jìn)行光催化氧化反應(yīng)。
2 國(guó)內(nèi)外光催化反應(yīng)器的發(fā)展
早期的光催化研究大多是在一些很隨意的反應(yīng)條件下進(jìn)行的。比如在液相光催化反應(yīng)中，催化劑與污染物溶液混合時(shí)，一般的實(shí)驗(yàn)過(guò)程都是人工用玻璃棒進(jìn)行攪拌。由于人為誤差的因素難以避免，會(huì)對(duì)結(jié)果的準(zhǔn)確性和再現(xiàn)性產(chǎn)生較大影響。為了滿足對(duì)光催化反應(yīng)器準(zhǔn)確、穩(wěn)定和高效的要求，反應(yīng)器的設(shè)計(jì)也在不斷的變化。一個(gè)設(shè)計(jì)較好的反應(yīng)器，不儀可以提高光催化反應(yīng)的效率，而且可以將其大規(guī)?；？筛咝Х€(wěn)定的進(jìn)行光催化作業(yè)，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。到目前為止，有一些類型的反應(yīng)器已經(jīng)用于諸如污水和空氣處理的工業(yè)化應(yīng)用。
2.1 流動(dòng)床光催化反應(yīng)器
流動(dòng)床光催化反應(yīng)器是將催化劑與待降解物質(zhì)直接混合的一種反應(yīng)器。一直以來(lái)，人們都在為滿足不同的光催化反應(yīng)要求，設(shè)計(jì)不同的反應(yīng)器。應(yīng)用zui多的兒種類型的反應(yīng)器包括橢圓型、底燈型和柱型，如圖2所示。這幾種反應(yīng)器的特點(diǎn)是不僅效率較高，制作難度低。而且可以用于大多數(shù)的反應(yīng)類型，可以同時(shí)滿足液相和氣相兩種類型的光催化反應(yīng)，因而得到了廣泛的應(yīng)用。
橢圓型反應(yīng)器(圖2(a)所示)是將燈管和反應(yīng)區(qū)分別放在橢圓的2個(gè)焦點(diǎn)上，這樣可以很好的將燈管所發(fā)出的光集中在反應(yīng)區(qū)內(nèi)，減少了光的浪費(fèi)，提高了整體的效率。雖然反應(yīng)器中的反應(yīng)區(qū)在橢圓型焦點(diǎn)上，但是這不表示燈管所發(fā)出的光線都能達(dá)到反應(yīng)器，而且這種類型的反應(yīng)器．光的傳輸路程較長(zhǎng)，這樣就增加了光在傳輸過(guò)程中的損失，并且反應(yīng)區(qū)域內(nèi)光的分布不均勻。底燈型反應(yīng)器(圖2(b)所示)是對(duì)橢圓型反應(yīng)器的改進(jìn)，它的光源位于拋物線的焦點(diǎn)上，但是光源的光線并不是聚焦在另一個(gè)焦點(diǎn)，而是從下往上射人反應(yīng)區(qū)，光進(jìn)入了反應(yīng)區(qū)域后就不會(huì)再被反射回來(lái)。更大程度的利用了光源。柱型反應(yīng)器是現(xiàn)在比較成熟的類型，一般可分為中燈外反應(yīng)區(qū)(圖2(c)所示)和中反應(yīng)區(qū)外燈(圖2(d)所示)2種。柱型反應(yīng)器有著較高的光利用率和良好的對(duì)稱性(可使光在反應(yīng)區(qū)內(nèi)均勻的分布，減少局部差異)。一些發(fā)達(dá)園家，這兩種反應(yīng)器已經(jīng)用來(lái)處理污水，在這2種反應(yīng)器中．光從光源發(fā)出來(lái)后，基本上都會(huì)通過(guò)反應(yīng)區(qū)。特別是中燈外反應(yīng)區(qū)這樣的反應(yīng)器．光的利用率幾乎可以達(dá)到zui大。在光源的光照強(qiáng)度合適的情況下，甚至可以不需要反射壁。都可以達(dá)到光的zui大利用率。而且這種柱型的反應(yīng)器制造難度小，成本低。適合大規(guī)模的生產(chǎn)和運(yùn)用。因此現(xiàn)在的大多數(shù)針對(duì)反應(yīng)器的研究，也是以柱型為模型來(lái)進(jìn)行的。
2.2 固定床光催化反應(yīng)器
在近年來(lái)，人們將催化劑固定在一些載體表面來(lái)進(jìn)行催化反應(yīng)．即固定床反應(yīng)器，這樣避免了光催化劑的分離問(wèn)題。固定床與傳統(tǒng)的流動(dòng)床的區(qū)別在于，催化劑不隨液體或者氣體一起流動(dòng)．而是固定在玻璃或者其它介質(zhì)表面，污染物流經(jīng)其表面來(lái)進(jìn)行反應(yīng)。這樣一來(lái)，人們就可能更的了解催化劑的性質(zhì)，并易于控制催化反應(yīng)的進(jìn)行，也易于催化劑和反應(yīng)物的分離?；谶@種思路，人們?cè)O(shè)計(jì)了一些新型的光催化反應(yīng)器，其中效果比較好的是平
板型和噴泉型，如圖3所示。
平板型的反應(yīng)器是將催化劑固定在平板上，在光照的條件下．將污染物液體或者氣體緩慢的通過(guò)催化劑表面降解，屬于層流型反應(yīng)器。這種反應(yīng)器的好處在于制造簡(jiǎn)單，待降解物經(jīng)過(guò)催化劑的時(shí)候光照時(shí)間和光照強(qiáng)度基本一致，并很容易控制流動(dòng)速度。當(dāng)流速放慢的時(shí)候可提高反應(yīng)物的降解程度。但是所需時(shí)問(wèn)也就相應(yīng)增加；當(dāng)加快流速的時(shí)候雖然降解的程度不如流速慢的情況．但是所需時(shí)間較少。這種平板反應(yīng)器可以根據(jù)不同的降解需求。調(diào)整流速，達(dá)到相應(yīng)的效果。平板型的反應(yīng)器還有另一個(gè)其他反應(yīng)器不具備優(yōu)點(diǎn)，由于催化劑是固定在平板上的。不會(huì)隨著待降解物的流動(dòng)而流動(dòng)，也就省去了后續(xù)催化劑分離的步驟。但是也由于催化劑固定的原因，在降解一定時(shí)間后，催化劑的催化效率會(huì)降低，而更換催化劑比較困難，并且光的損失也比較嚴(yán)重。因?yàn)楣庠窗l(fā)出的光zui多只有50％被利用．即使加裝了反射壁．也會(huì)有大量的光損失掉。鑒于平板型反應(yīng)器的造價(jià)低．易于控制的優(yōu)點(diǎn)，很多實(shí)驗(yàn)室都運(yùn)用平板反應(yīng)器來(lái)進(jìn)行一系列的光催化研究。
噴泉型反應(yīng)器是近幾年由Puma和Yueu等人提出的，此類反應(yīng)器與平板型反應(yīng)器大致相同，將催化劑固定在斜面上，在頂部固定光源，將待降解物斜面中心的噴嘴噴出，然后在重力作用下流經(jīng)催化劑從而得到降解。此種反應(yīng)器主要是用于研究催化劑的反應(yīng)效率．由于結(jié)構(gòu)相對(duì)比較復(fù)雜，所以應(yīng)用也較少。還有很多種新型的反應(yīng)器．比如球型反應(yīng)器．這種反應(yīng)器在理論上能達(dá)到非常高的光利用率，并且無(wú)論是光的分布。還是污染物的分布．還有催化劑的分布都能達(dá)到非常高的均勻性和穩(wěn)定性．反應(yīng)效率也是非常理想的，但是制作非常的困難．所以現(xiàn)在這種球型的反應(yīng)器并不常見(jiàn)，是一種理想化的反應(yīng)器。
3 結(jié)語(yǔ)
隨光催化技術(shù)的提高，光催化反應(yīng)器也在被不斷的改進(jìn)和優(yōu)化．越來(lái)越受到人們的重視．特別是光催化技術(shù)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化后，反應(yīng)器的設(shè)計(jì)需要進(jìn)行系統(tǒng)的優(yōu)化沒(méi)計(jì)才能使光催化反應(yīng)效率達(dá)到zui優(yōu)值，一個(gè)設(shè)計(jì)優(yōu)良的反應(yīng)器，不僅可以提高反應(yīng)效率，還能減少對(duì)能源和原材料的浪費(fèi)．提高經(jīng)濟(jì)效益。
添加微信咨詢！