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)，因而引起了國(guó)內(nèi)外的重視，已經(jīng)有了二十多年的經(jīng)驗(yàn)積累，在光催化降解有機(jī)污染物、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，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，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，反應(yīng)器的材料、結(jié)構(gòu)、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。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，種類(lèi)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)、種類(lèi)和影響因素。 影響光催化反應(yīng)器效率的因素很多，如光源(光源強(qiáng)度、波段與光照方式)、催化劑性質(zhì)(催化劑粒徑、類(lèi)型與載體)、廢液的外加氧化劑(如O2 ,H2O2 ,O3等)、待處理廢水性質(zhì)(廢液的初始濃度組成、pH值、抑制物含量)、溫度、廢液的流動(dòng)力學(xué)特征、停留時(shí)間等因素對(duì)反應(yīng)器的zui佳運(yùn)行都有影響，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(yáng)光源。電光源有高壓汞燈、熒光燈、黑光燈、氨燈等。光源的選擇、布置及使用既要考慮效能又必須考慮經(jīng)濟(jì)性，因此，在設(shè)計(jì)光催化反應(yīng)器時(shí)，要綜合考慮各方面的影響因素。過(guò)去，更多研究放在電光源上，使用的光波多限于光譜紫外區(qū)。太陽(yáng)光源是經(jīng)濟(jì)又環(huán)保的光源，開(kāi)發(fā)出利用太陽(yáng)能的光催化反應(yīng)器一直是研究者追求的目標(biāo)，但是由于在光催化反應(yīng)中，太陽(yáng)光的利用率很低，因此這類(lèi)反應(yīng)器的成功開(kāi)發(fā)和真正實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用目前還有很大難度，需要解決催化劑改性等許多方面的技術(shù)問(wèn)題。
光源波長(zhǎng)、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，光源波長(zhǎng)越短，效率越高;在同等波長(zhǎng)的條件下，光強(qiáng)越高，效率越高，但并非線(xiàn)性相關(guān)的。一般在低光強(qiáng)時(shí)，有機(jī)物降解速度與光強(qiáng)呈線(xiàn)性關(guān)系，高光強(qiáng)時(shí)，降解速度與光強(qiáng)的平方根存在線(xiàn)性關(guān)系。
光線(xiàn)的照射方式可分為直接照射和直接一反光結(jié)合照射，后者的使用更能充分利用光能。光源與廢水、催化劑的位置對(duì)光轉(zhuǎn)化效果有重要的影響，研究結(jié)果表明，催化劑處在廢水中時(shí)，在光源與催化劑之間的液層會(huì)吸收光、散射光，從而使催化劑的光吸收減弱。因此，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。

 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，即懸浮態(tài)和固定態(tài)。在懸浮相光催化過(guò)程中，催化劑以懸浮態(tài)存在于水溶液中，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，不適合規(guī)模操作。催化劑以固定態(tài)存在時(shí)，負(fù)載在載體上，這樣雖然可避免催化劑的分離和回收過(guò)程，但僅部分催化劑的面積有效地與液相接觸，活性降低。催化劑制備或選擇載體要考慮多種因素影響，應(yīng)盡量滿(mǎn)足：
(1)吸光性能強(qiáng)。
(2)催化劑粒徑小，比表面積大。
(3)不易中毒，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。
(5)載體與催化劑結(jié)合牢固，抗沖擊、耐腐蝕。
負(fù)載型催化劑所使用的載體要求透光性好，與催化劑結(jié)合較牢固，易于分散，不影響傳質(zhì)等?？蛇x形狀有顆粒型、管型、絲網(wǎng)、平板型和轉(zhuǎn)盤(pán)型等。顆粒型載體一般有玻璃球、硅膠、砂石、活性炭、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，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，尤其是對(duì)催化反應(yīng)所需波長(zhǎng)范圍的光的透過(guò)率要好。一般光催化反應(yīng)利用紫外光，所以要使用對(duì)紫外光不吸收或吸收很少的材料，很多人選用石英玻璃。石英玻璃是高純單組分玻璃，具有優(yōu)良的熱，光，電和機(jī)械性能，耐腐蝕，對(duì)大多數(shù)物質(zhì)是穩(wěn)定的，包括除氫氟酸以外的大多數(shù)酸，可以長(zhǎng)期應(yīng)用在惡劣的環(huán)境中。而且，石英玻璃在紫外線(xiàn)到紅外線(xiàn)的整個(gè)光譜波段都有優(yōu)良的透過(guò)性能，和普通硅酸鹽玻璃相比，在紅外區(qū)光譜透過(guò)比普通玻璃大;在可見(jiàn)區(qū)，石英玻璃的透過(guò)率也是比較高的。特別是在紫外光譜區(qū)，光譜透過(guò)比其他玻璃好的多。能透過(guò)的zui小波長(zhǎng)可達(dá)160nm。
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)，如含氟聚合物[87]，它對(duì)紫外光有很好的穩(wěn)定性和透過(guò)率(T)，波長(zhǎng)在300~400nm時(shí)，0.735≤T≤0.846。在非入射光經(jīng)過(guò)的重要部位，選材的要求不高，可以使用軟質(zhì)玻璃、硬質(zhì)玻璃或其它材料，如金屬材料。由于玻璃制品容易加工成型，而且便于觀(guān)察，所以在實(shí)驗(yàn)室的研究中多使用玻璃材質(zhì)。

4. 光催化反應(yīng)器的分類(lèi)
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、待處理液的合理的幾何位置關(guān)系，盡量增大光照面積與溶液體積的比率，增大光利用率，使光、固、液或者光、固、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。而且光催化反應(yīng)器的設(shè)計(jì)要結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于操作及維修，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)好用。
 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)。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，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便，缺點(diǎn)是用電光源的反應(yīng)器運(yùn)行費(fèi)用過(guò)高，而用太陽(yáng)光的反應(yīng)器則反應(yīng)速率較慢。聚光式光反應(yīng)器是一種以太陽(yáng)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(lái)聚集太陽(yáng)光并輻射在能透過(guò)紫外光的中心管上，它可以利用直射和反射的光線(xiàn)，在一定程度上可以克服非聚光式光反應(yīng)器的缺點(diǎn)。
 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、環(huán)形光化學(xué)反應(yīng)器(或圓筒形反應(yīng)器)。還有一些其他類(lèi)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。

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，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，大多置于圓柱形容器的中心位置，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。 流化床光反應(yīng)器，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，外層為流化床層，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，外圍輔以溫度、pH、O2溶度調(diào)節(jié)裝置。用浸漬提拉法將TiO2薄膜固定在6W的紫外燈(254nm)上，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，空氣以500mL/min的流速鼓入反應(yīng)器，在15h后，100ppm的百草枯溶液的轉(zhuǎn)化率達(dá)到了95%以上。

環(huán)形光化學(xué)反應(yīng)器，反應(yīng)器為三層環(huán)形套筒式，內(nèi)腔中心置光源，中腔是反應(yīng)室，中腔內(nèi)壁上負(fù)載TiO2膜，外腔為冷卻室，用于防止光源釋放能量導(dǎo)致溫度過(guò)高。
泰勒渦旋光反應(yīng)器(Taylor vortex reactor，TVR)一些研究者認(rèn)為，通過(guò)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。它由內(nèi)外2個(gè)同軸的圓柱體構(gòu)成，催化劑固定在內(nèi)筒的外表面或以懸浮態(tài)存在，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，使用時(shí)外筒不動(dòng)，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)，使溶液內(nèi)形成了泰勒旋渦，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，提高了反應(yīng)的效率。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，簡(jiǎn)寫(xiě)為PEC)反應(yīng)器，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(yáng)極，施加一定的電壓進(jìn)行光電催化。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，然而欽板表面的TiO2也會(huì)參與光電催化反應(yīng)，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，探討了該光電催化反應(yīng)器中電壓、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，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，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，金屬網(wǎng)為支撐基體的TiO2導(dǎo)電光催化復(fù)合膜，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，在反應(yīng)器內(nèi)套管上纏繞了Pt絲作為對(duì)電極，光催化膜作為工作電極，可以通過(guò)電力供應(yīng)提供適當(dāng)?shù)钠珘簛?lái)提高反應(yīng)速率。