典型的光催化反應器

典型的光催化反應器
光催化是廢水凈化的一個很有前途的技術，因而引起了國內外的重視，已經有了二十多年的經驗積累，在光催化降解有機污染物、光催化劑的改性等方面受到了廣泛的關注，有關光催化氧化法在水污染治理方面應用研究的報道很多，而在反應器的設計和選材也有一些相關的報道，但涉及到光反應器應用的報道較少。在光催化反應中，反應器的材料、結構、形狀、光源的幾何位置等很多因素對光催化反應速率有很大的影響。氣相光催化反應器的設計有靜態(tài)配氣和動態(tài)配氣的兩種，種類和相關的研究較少，所以下面著重介紹液相光催化反應器的結構、種類和影響因素。 影響光催化反應器效率的因素很多，如光源(光源強度、波段與光照方式)、催化劑性質(催化劑粒徑、類型與載體)、廢液的外加氧化劑(如O2 ,H2O2 ,O3等)、待處理廢水性質(廢液的初始濃度組成、pH值、抑制物含量)、溫度、廢液的流動力學特征、停留時間等因素對反應器的zui佳運行都有影響，反應器的整體設計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。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濟性，因此，在設計光催化反應器時，要綜合考慮各方面的影響因素。過去，更多研究放在電光源上，使用的光波多限于光譜紫外區(qū)。太陽光源是經濟又環(huán)保的光源，開發(fā)出利用太陽能的光催化反應器一直是研究者追求的目標，但是由于在光催化反應中，太陽光的利用率很低，因此這類反應器的成功開發(fā)和真正實現工業(yè)應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問題。
光源波長、光強及光源幾何位置對催化反應有至關重要的影響，一般情況下，光源波長越短，效率越高;在同等波長的條件下，光強越高，效率越高，但并非線性相關的。一般在低光強時，有機物降解速度與光強呈線性關系，高光強時，降解速度與光強的平方根存在線性關系。
光線的照射方式可分為直接照射和直接一反光結合照射，后者的使用更能充分利用光能。光源與廢水、催化劑的位置對光轉化效果有重要的影響，研究結果表明，催化劑處在廢水中時，在光源與催化劑之間的液層會吸收光、散射光，從而使催化劑的光吸收減弱。因此，浸在液體中的負載催化劑應盡量靠近液體的近光面，減少光吸收障礙。

 2. 催化劑在應用中的存在形態(tài)

催化劑在光催化反應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，負載在載體上，這樣雖然可避免催化劑的分離和回收過程，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，應盡量滿足：
(1)吸光性能強。
(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)吸附反應物及反應后易于固液分離。
(5)載體與催化劑結合牢固，抗沖擊、耐腐蝕。
負載型催化劑所使用的載體要求透光性好，與催化劑結合較牢固，易于分散，不影響傳質等。可選形狀有顆粒型、管型、絲網、平板型和轉盤型等。顆粒型載體一般有玻璃球、硅膠、砂石、活性炭、沸石等。

3. 光催化反應器材料

要保證光催化反應的順利進行，zui首要的條件之一是光催化反應器的材料必須透光性能好，尤其是對催化反應所需波長范圍的光的透過率要好。一般光催化反應利用紫外光，所以要使用對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，電和機械性能，耐腐蝕，對大多數物質是穩(wěn)定的，包括除氫氟酸以外的大多數酸，可以長期應用在惡劣的環(huán)境中。而且，石英玻璃在紫外線到紅外線的整個光譜波段都有優(yōu)良的透過性能，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)，石英玻璃的透過率也是比較高的。特別是在紫外光譜區(qū)，光譜透過比其他玻璃好的多。能透過的zui小波長可達160nm。
個別的光催化反應器也有使用石英以外的其他物質，如含氟聚合物[87]，它對紫外光有很好的穩(wěn)定性和透過率(T)，波長在300~400nm時，0.735≤T≤0.846。在非入射光經過的重要部位，選材的要求不高，可以使用軟質玻璃、硬質玻璃或其它材料，如金屬材料。由于玻璃制品容易加工成型，而且便于觀察，所以在實驗室的研究中多使用玻璃材質。

4. 光催化反應器的分類
光催化反應器的整體結構的設計要考慮光源、催化劑、待處理液的合理的幾何位置關系，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發(fā)生的方向，提高反應速率及降解效果。而且光催化反應器的設計要結構簡單，易于操作及維修，實現經濟好用。
 光催化反應器按光源的照射方式不同可分為非聚光式反應器(non-concentrating reactor)和聚光式反應器(concentrating reactor)。非聚光式反應器的光源可以是電光源也可以是天然的日光，大多垂直反應面進行照射，其優(yōu)點是結構簡單、操作方便，缺點是用電光源的反應器運行費用過高，而用太陽光的反應器則反應速率較慢。聚光式光反應器是一種以太陽光作為光源的管式反應器，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，它可以利用直射和反射的光線，在一定程度上可以克服非聚光式光反應器的缺點。
 光催化反應器的按照反應器的結構和形狀可以大致分為平板型反應器、管式反應器、環(huán)形光化學反應器(或圓筒形反應器)。還有一些其他類型的光催化反應器。如光學纖維束光化學反應器等。

5. 環(huán)形光化學反應器
環(huán)形光化學反應器目前應用較為廣泛，主體是以一個或多個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。這種反應器主要用于在室內進行的多相光催化氧化有機物的研究。 流化床光反應器，一個400W的中壓Hg燈置于圓筒形光反應器中心，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。以蠕動泵作為循環(huán)流動的動力，外圍輔以溫度、pH、O2溶度調節(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器降解中等毒性的除草劑—百草枯溶液。反應器是2000mL的圓筒，空氣以500mL/min的流速鼓入反應器，在15h后，100ppm的百草枯溶液的轉化率達到了95%以上。

環(huán)形光化學反應器，反應器為三層環(huán)形套筒式，內腔中心置光源，中腔是反應室，中腔內壁上負載TiO2膜，外腔為冷卻室，用于防止光源釋放能量導致溫度過高。
泰勒渦旋光反應器(Taylor vortex reactor，TVR)一些研究者認為，通過可控的周期性的照射，光催化反應的光效率是可以提高的,正是基于這一思想。它由內外2個同軸的圓柱體構成，催化劑固定在內筒的外表面或以懸浮態(tài)存在，熒光燈泡置于小圓柱體內作為光源，反應在兩圓柱體之間環(huán)形圓筒內進行，使用時外筒不動，內筒旋轉。該反應器的zui大特色在于小圓柱體旋轉，使溶液內形成了泰勒旋渦，從而帶動催化劑不斷經歷光反應和暗反應階段，利用流體動態(tài)不穩(wěn)定性和圓柱間環(huán)形尺寸的離心不穩(wěn)定性，提高了反應的效率。TVR反應器的降解效率比普通的管式光反應器和多管式反應器的效率分別提高60%和125%。
間歇式懸浮態(tài)光電催化(photoelectrocatalysis，簡寫為PEC)反應器，它由一個外徑為55mm的圓形硬質玻璃外套及一個帶有PVC板做成底座的氣體分布器(布氣板為孔徑小于40μm的微孔欽板)所組成，用帶多孔欽金屬做陰陽極，施加一定的電壓進行光電催化。盡管在欽板上施加一個較高的電壓時，它可能會發(fā)生一定程度的氧化反應生成TiO2，然而欽板表面的TiO2也會參與光電催化反應，從而進一步增強光電催化反應。安太成等對該光電催化反應器進行了表征，探討了該光電催化反應器中電壓、光催化劑濃度和空氣流量等因素對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器，實驗裝置的核心部分是由石英玻璃制成的雙套管反應器，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，金屬網為支撐基體的TiO2導電光催化復合膜，固定在反應器外套管的內壁上。該裝置也可以應用于光電催化體系中，在反應器內套管上纏繞了Pt絲作為對電極，光催化膜作為工作電極，可以通過電力供應提供適當的偏壓來提高反應速率。