实用型TiO_2光催化反应器的研究
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[ 17] [ 16]
研制的转筒式负载膜光催化反应
器 , 将 T iO2 负载在转筒内壁上 , 被处理液可在旋转 的反应壁上形成厚度可调的薄层液膜, 增加了催化 剂、 反应物和光子之间的接触面。结果表明, 该反应 器性能优良 , 在较宽的运行条件下皆能达到较高的 染料脱色率 , 且拥有优于淤浆床光催化反应器的水 处理能力。 Pum a 等
126
应用化工
第 38 卷
周期后甲基橙 脱色率 达到 10 % , 高 于圆柱 式反应 器 , 催化剂回收率高 , 且渗透通量基本稳定 , 光催化 反应速率常 数随着操 作压力的 增大而减 小。 Chin 等
[ 18]
有紫外光源, 液体通过溢流在方形板表面形成液膜, 与被激活的光催化剂 T i O 2 作用, 达到降解的目的。 光催化降解 D iuron , 污染物浓度迅速下降, 最后达到 完全降解。 D a m odar 等
[ 25]
研制的浸没膜光催化反应器 ( S M PR) 将微滤膜
[ 19 ]
利用类似 的薄膜固 定表
组件浸没在反应器内, 光催化降解 90 m in 后 , 双酚 A 降解达 97 % 。 Choo 等 研制的光催化 /微 滤体 系 ( 可以连续式或间歇式 ) 的降解和分离是独立的 两部分 , 连续处理三氯乙烯水溶液 2 h , 三氯乙烯降 解大于 60 %。 3 . 5 光催化与膜蒸馏一体化反应器 M ozia 等
第 38 卷第 1期 2009 年 1 月
应
用
化
工
V o.l 38 N o . 1 Jan. 2009
A pplied Chem ica l Industry
实用型 T iO 2 光催化反应器的研究
杨学灵, 徐悦华
(华南农业大学 理学院 , 广东 广州 510642)
摘
要 : 对一些高效的或集反应、 分离为一 体的实 用型 T i O2 光 催化反应 器根据 构造不 同进行 分类综 述 , 通 过对反
[ 20]
面光催化反应器处理 4 种染料 (活性橙、 活性蓝、 活 性黑和酸性 翠蓝 ) , 太 阳光照 射 5 ~ 6 h 脱色 率达 90 % ~ 98 %。 4 . 4 玻璃纤维式光催化反应器 林少华等
[ 26]
Abstract : In this paper , accord ing to the ir d ifferent structures , practical titan ium d io x id e photocatalytic re actors , wh ich are efficient and in tegrated w ith separation are summ arized . Com pared w ith the i m portan t facto rs , such as the react ing so lu tio n f low ing mode, the contact betw een react ing so lu t io n and catalys, t cat alyst fo r m s, ray radiat ion and so on, the ir characterist ics , advantages and disadvantages are a lso d iscussed , and proposed som e prospects . K ey w ord s : titan ium d io x id e ; pho tocatalytic ; photocatalyt ic reacto r 光催化反应器是光催化技术处理污染物的核心 部分, 高效的光催化反应器的设计与制造是进行一 定规模光能 ( 或太阳能 ) 光催化降解污染物重要环 节之一。最早出现的光催化反应器是为实验室研究 而设计的, 其结构简单、 操作方便。反应器主体为一 敞开容器, 反应液在荧光或紫外灯照射下反应 , 灯与 液面的距离可调 , 现在仍有许多研究者用这种反应 器来评价催化剂的活性或进行污染物降解规律的研 究 多
[ 1 2]
粉末为光催化剂, 形成悬浮液 , 光催化降解效率高, 但存在光催化剂的回收利用问题。 尤宏等 研制出三相内 循环流化床光 催化反 应器。反应器最里边的石英套管中放置紫外光源; 中间是气、 固、 液三相升流区 , 外层是降流区 ; 反应器 底部安装环状曝气头 , 驱使流体夹带固体催化剂在 两区之间循环流动。顶部放大段形成缓冲区 , 使气、 固、 液分离, 处理后的上清 液流出反应器。 Ochum a 等 研制的中试同向向下流接触反应器 , 上部是气 液固混合区, 下部是光催化反应区 , 内部垂直的安装 1 . 0k W 紫外灯; 装置具有非常高的传质效率和混合 效果 , 最佳反应条件下 , 初始浓度 100 m g /L 1 , 8二 氮杂双环 [ 5 , 4, 0 ] 十一碳 7 烯水溶液 45 m in 时即 可完全光催化降解。 [ 7] W ooseok 等 用两组流化床装置同时进行比较 光催化效果, 左边的反应器没有导流管 , 右边的反应 器里放置一支导流管 ( 内径 6 c m, 长 29 cm ) , 导流管 的内侧裹有铝箔, 这样光照只能在导流管和石英管 之间的环面里 , 二氧化钛和甲基橙溶液由底部的气 体分布器的气泡充分搅拌。结果表明 , 有没有导流 管对光催化效果都没有明显的影响。
1 流化床光催化反应器
该类反应器以纯 T i O2 或者是负载型 T iO2 颗粒
收稿日期 : 2008 10 24 修改稿日期 : 2008 11 07
基金项目 : 广东省科技计划项目 ( 2007B030103019) 作者简介 : 杨学灵 ( 1985- ), 男 , 广东鹤山人 , 华南农业大学在读硕士研究生 , 师 从徐悦华 教授 , 从 事光催化 研究工作。电 话 : 13535184253 , E - m a i: l yangxue2006gogo @ 163. com
Байду номын сангаас
( 图 1) 内置有石英套管, 中心放置紫外灯 , 若将反应 器的上、 下循环口堵住 , 即形成普通鼓泡床式光催化 反应器。与传统的搅拌式和鼓泡床式浆态光催化反 应器相比, 循环式光催化浆态床反应器能更好地改 善催化剂和废水的混合效果以及提高光利用率 , 并 与气流量关系不大, 从而能更有效降解有机污染物。
与传统的鼓泡式光催化反应器相比苯酚的催化反应速率提高3光催化与膜分离一体化反应器悬浮液光催化反应完毕后经膜分离如超滤纳滤微滤渗析和膜蒸馏等均能有效分离回收光催化剂颗粒但由于采用膜分离必然提高了处理成14设计研制了一种光催化超滤反应部分回流到光催化反应单元中部可起到减轻石英套管表面污染作用保证紫外灯的透过率
[ 11 12]
设计了喷泉式反应器。该装置的
基本概念在于设计了一种特殊的喷嘴, 它能使连续 流的泉水形成薄膜 , 光源置于喷泉上方。该反应器 的构想可以产生很高的光催化活性和高的氧气传质 速率, 而且不会产生 膜 中毒 的问题。因此, 非常 适合光催化在废水处理和净化方面大规模的工业化 应用。 桑雪梅等
Study on practical photocatalysis reactors of TiO 2
YANG X ue ling, X U Yue hua
( Co llege o f Science , South Ch ina A g ricu ltura lU n iversity , G uangzhou 510642, China)
应溶液流动方式以及与 催化剂的接触、 催化剂的形式和 光辐射 等重要 因素的 分析比较 , 指 出了各类 光催化 反应器 的特点以及优缺点 , 并提出一些展望。 关键词 : T i O2 ; 光催化 ; 光催化反应器 中图分类号 : O 643. 3; X 703 . 1 文献标识码 : A 文章编号 : 1671- 3206( 2009) 01- 0124- 04
[ 10] [ 9]
自行设计一种新型结合膜与光催
化的反应器 ( MPR ), 试验所用膜由 2 种类型的模块 组成 , 分别是由聚丙烯腈或聚砜制成的中空纤维和 由赛璐玢制成的平板框。 MPR 不但可以过滤粒子, 还可以不用跨膜压力就将 2 , 4 二羟基苯甲酸从污 水中分离。 3 . 3 光催化与纳滤一体化反应器 张爱勇等 报道悬浮型光催化纳滤膜反应器 耦合聚酰胺复合纳滤膜, 该纳滤膜能抵抗长时间连 续操作过程中光催化剂悬浮体系对其所造成的冲蚀 损害 ; 每次使用后, 纳滤分离膜通过用水反冲洗方式 清洗 , 直至其清水膜通量恢复至初始值时止。处理 H 酸废水效果优良 , 130 m in 可使污染底物 彻底转 化, 矿化效率达 70 % 以上, 较悬浮 型光催化反应器 缩短反应时间 20 m in , 且大幅提高污染物矿化度。 3 . 4 光催化与微滤一体化反应器 与光催化和其它膜分离形成 独立两部分不一 样, 光催化微滤反应器可以分成独立的两部分, 也可 以是一个整体。崔鹏等
[ 13]
光催化 陶瓷膜分离集成
反应器由紫外灯、 石英冷阱和陶瓷微滤膜组成, 冷阱 与紫外灯置于膜管内; 膜的光反射作用使 T iO2 光催 化剂更易吸收 紫外光。甲基 橙光催化反应 结果表 明, 体系中 T i O2 微粉的截留率达 99 . 9 % , 反应一个
旋转薄膜式浆态光催化反应器 , 主
第 1期
杨学灵等 : 实用型 T i O 2 光催化反应器的研究
[ 8]
125
张东翔等
设计 的循环式浆态 光催化反应器
体部分为圆柱形玻璃筒 , 下部为圆锥形 , 避免形成循 环死角。浆料喷嘴设计成一定角度 , 使被处理浆料 可以沿反应器筒切线方向被打到反应器内壁形成旋 转的薄膜 , 增大旋转浆态薄膜与空气和光源的接触 面积 , 强化光催化体系的传质 , 提高催化剂对光能的 利用率。与传统的鼓泡式光催化反应器相比, 苯酚 的催化反应速率提高 1 . 6 倍。
[ 14]
设计研制了一种光催化超滤反应
器, 其光催化反应单元混合液出水被分为两部分 : 一 部分回流到光催化反应单元中部 , 可起到减轻石英 套管表面污染作用 , 保证紫外灯的透过率; 另一部分 混合液被泵压至超滤膜分离单元 , 纳米 T i O2 浓缩液 回流到光催化反应单 元, 出水 从透过液出口流 出。 结果表明 , 光催化超滤反应器对染料酸性胡兰废水 有很好的降解效果。 3 . 2 光催化与渗析一体化反应器 Azrague等
[ 15]
2 液膜型光催化反应器
该类反应器通过装置中的部件在光催化反应器 内形成液膜 , 强化传质和光的吸收, 提高光催化降解 效率。 D io nysiu s 等 研制的半圆形反应器 , T i O2 粘结 固定于转盘表面 , 转盘垂直放置于反应器的中部, 一 部分浸没在反应液中 , 一部分暴露于空气中。当转 盘转动时, 反应液被带到转盘上形成一层水膜 , 水膜 的厚度可通过转速来调节。实验表明, 光催化降解 五氯酚 ( PCP ), 反 应 350 h 后 , PCP 的去除 率可达 90% 。 尹晓红等
3 光催化与膜分离一体化反应器
悬浮液光催化反应 完毕后经膜分离 ( 如超 滤、 纳滤、 微滤、 渗析和膜蒸馏等 ) 均能有效分离回收光 催化剂颗粒, 但由于采用膜分离, 必然提高了处理成 本。 3 . 1 光催化与超滤一体化反应器 金洛楠等
图 1 循环式浆态光催化反应器 F ig . 1 C irculating slu rry photocata ly tic reacto r 1 . 气体流量阀 ; 2. 气体分布器 ; 3. 三通阀 ; 4 . 循环式浆态光催化反应器 ; 5. 悬浮液 ; 6. 石英玻璃管 ; 7. UV 灯 ; 8. 过滤器 ; 9. UV 灯末 端 ; 10. 样品阀
[ 6] [ 5]
。 , 但传统的固定相光催化成膜方法复杂、 成本
目前, 对 于 固 定 相 光 催 化 反 应 器 的 研 究 较
[ 3 4]
高 , 而且膜 中毒后 的清洗和更换异常复杂, 同时 膜的厚度和量有限, 使光催化效果受到极大制约, 因 而限制了光催化技术向实用技术的转化。悬浮相光 催化反应器的光催化效率较高 , 但催化剂的分离问 题一直没有得到很好的解决, 实用性研究进展缓慢。 本文综述了一些高效的或集反应、 分离为一体的实 用型光催化反应器。
研制的转筒式负载膜光催化反应
器 , 将 T iO2 负载在转筒内壁上 , 被处理液可在旋转 的反应壁上形成厚度可调的薄层液膜, 增加了催化 剂、 反应物和光子之间的接触面。结果表明, 该反应 器性能优良 , 在较宽的运行条件下皆能达到较高的 染料脱色率 , 且拥有优于淤浆床光催化反应器的水 处理能力。 Pum a 等
126
应用化工
第 38 卷
周期后甲基橙 脱色率 达到 10 % , 高 于圆柱 式反应 器 , 催化剂回收率高 , 且渗透通量基本稳定 , 光催化 反应速率常 数随着操 作压力的 增大而减 小。 Chin 等
[ 18]
有紫外光源, 液体通过溢流在方形板表面形成液膜, 与被激活的光催化剂 T i O 2 作用, 达到降解的目的。 光催化降解 D iuron , 污染物浓度迅速下降, 最后达到 完全降解。 D a m odar 等
[ 25]
研制的浸没膜光催化反应器 ( S M PR) 将微滤膜
[ 19 ]
利用类似 的薄膜固 定表
组件浸没在反应器内, 光催化降解 90 m in 后 , 双酚 A 降解达 97 % 。 Choo 等 研制的光催化 /微 滤体 系 ( 可以连续式或间歇式 ) 的降解和分离是独立的 两部分 , 连续处理三氯乙烯水溶液 2 h , 三氯乙烯降 解大于 60 %。 3 . 5 光催化与膜蒸馏一体化反应器 M ozia 等
第 38 卷第 1期 2009 年 1 月
应
用
化
工
V o.l 38 N o . 1 Jan. 2009
A pplied Chem ica l Industry
实用型 T iO 2 光催化反应器的研究
杨学灵, 徐悦华
(华南农业大学 理学院 , 广东 广州 510642)
摘
要 : 对一些高效的或集反应、 分离为一 体的实 用型 T i O2 光 催化反应 器根据 构造不 同进行 分类综 述 , 通 过对反
[ 20]
面光催化反应器处理 4 种染料 (活性橙、 活性蓝、 活 性黑和酸性 翠蓝 ) , 太 阳光照 射 5 ~ 6 h 脱色 率达 90 % ~ 98 %。 4 . 4 玻璃纤维式光催化反应器 林少华等
[ 26]
Abstract : In this paper , accord ing to the ir d ifferent structures , practical titan ium d io x id e photocatalytic re actors , wh ich are efficient and in tegrated w ith separation are summ arized . Com pared w ith the i m portan t facto rs , such as the react ing so lu tio n f low ing mode, the contact betw een react ing so lu t io n and catalys, t cat alyst fo r m s, ray radiat ion and so on, the ir characterist ics , advantages and disadvantages are a lso d iscussed , and proposed som e prospects . K ey w ord s : titan ium d io x id e ; pho tocatalytic ; photocatalyt ic reacto r 光催化反应器是光催化技术处理污染物的核心 部分, 高效的光催化反应器的设计与制造是进行一 定规模光能 ( 或太阳能 ) 光催化降解污染物重要环 节之一。最早出现的光催化反应器是为实验室研究 而设计的, 其结构简单、 操作方便。反应器主体为一 敞开容器, 反应液在荧光或紫外灯照射下反应 , 灯与 液面的距离可调 , 现在仍有许多研究者用这种反应 器来评价催化剂的活性或进行污染物降解规律的研 究 多
[ 1 2]
粉末为光催化剂, 形成悬浮液 , 光催化降解效率高, 但存在光催化剂的回收利用问题。 尤宏等 研制出三相内 循环流化床光 催化反 应器。反应器最里边的石英套管中放置紫外光源; 中间是气、 固、 液三相升流区 , 外层是降流区 ; 反应器 底部安装环状曝气头 , 驱使流体夹带固体催化剂在 两区之间循环流动。顶部放大段形成缓冲区 , 使气、 固、 液分离, 处理后的上清 液流出反应器。 Ochum a 等 研制的中试同向向下流接触反应器 , 上部是气 液固混合区, 下部是光催化反应区 , 内部垂直的安装 1 . 0k W 紫外灯; 装置具有非常高的传质效率和混合 效果 , 最佳反应条件下 , 初始浓度 100 m g /L 1 , 8二 氮杂双环 [ 5 , 4, 0 ] 十一碳 7 烯水溶液 45 m in 时即 可完全光催化降解。 [ 7] W ooseok 等 用两组流化床装置同时进行比较 光催化效果, 左边的反应器没有导流管 , 右边的反应 器里放置一支导流管 ( 内径 6 c m, 长 29 cm ) , 导流管 的内侧裹有铝箔, 这样光照只能在导流管和石英管 之间的环面里 , 二氧化钛和甲基橙溶液由底部的气 体分布器的气泡充分搅拌。结果表明 , 有没有导流 管对光催化效果都没有明显的影响。
1 流化床光催化反应器
该类反应器以纯 T i O2 或者是负载型 T iO2 颗粒
收稿日期 : 2008 10 24 修改稿日期 : 2008 11 07
基金项目 : 广东省科技计划项目 ( 2007B030103019) 作者简介 : 杨学灵 ( 1985- ), 男 , 广东鹤山人 , 华南农业大学在读硕士研究生 , 师 从徐悦华 教授 , 从 事光催化 研究工作。电 话 : 13535184253 , E - m a i: l yangxue2006gogo @ 163. com
Байду номын сангаас
( 图 1) 内置有石英套管, 中心放置紫外灯 , 若将反应 器的上、 下循环口堵住 , 即形成普通鼓泡床式光催化 反应器。与传统的搅拌式和鼓泡床式浆态光催化反 应器相比, 循环式光催化浆态床反应器能更好地改 善催化剂和废水的混合效果以及提高光利用率 , 并 与气流量关系不大, 从而能更有效降解有机污染物。
与传统的鼓泡式光催化反应器相比苯酚的催化反应速率提高3光催化与膜分离一体化反应器悬浮液光催化反应完毕后经膜分离如超滤纳滤微滤渗析和膜蒸馏等均能有效分离回收光催化剂颗粒但由于采用膜分离必然提高了处理成14设计研制了一种光催化超滤反应部分回流到光催化反应单元中部可起到减轻石英套管表面污染作用保证紫外灯的透过率
[ 11 12]
设计了喷泉式反应器。该装置的
基本概念在于设计了一种特殊的喷嘴, 它能使连续 流的泉水形成薄膜 , 光源置于喷泉上方。该反应器 的构想可以产生很高的光催化活性和高的氧气传质 速率, 而且不会产生 膜 中毒 的问题。因此, 非常 适合光催化在废水处理和净化方面大规模的工业化 应用。 桑雪梅等
Study on practical photocatalysis reactors of TiO 2
YANG X ue ling, X U Yue hua
( Co llege o f Science , South Ch ina A g ricu ltura lU n iversity , G uangzhou 510642, China)
应溶液流动方式以及与 催化剂的接触、 催化剂的形式和 光辐射 等重要 因素的 分析比较 , 指 出了各类 光催化 反应器 的特点以及优缺点 , 并提出一些展望。 关键词 : T i O2 ; 光催化 ; 光催化反应器 中图分类号 : O 643. 3; X 703 . 1 文献标识码 : A 文章编号 : 1671- 3206( 2009) 01- 0124- 04
[ 10] [ 9]
自行设计一种新型结合膜与光催
化的反应器 ( MPR ), 试验所用膜由 2 种类型的模块 组成 , 分别是由聚丙烯腈或聚砜制成的中空纤维和 由赛璐玢制成的平板框。 MPR 不但可以过滤粒子, 还可以不用跨膜压力就将 2 , 4 二羟基苯甲酸从污 水中分离。 3 . 3 光催化与纳滤一体化反应器 张爱勇等 报道悬浮型光催化纳滤膜反应器 耦合聚酰胺复合纳滤膜, 该纳滤膜能抵抗长时间连 续操作过程中光催化剂悬浮体系对其所造成的冲蚀 损害 ; 每次使用后, 纳滤分离膜通过用水反冲洗方式 清洗 , 直至其清水膜通量恢复至初始值时止。处理 H 酸废水效果优良 , 130 m in 可使污染底物 彻底转 化, 矿化效率达 70 % 以上, 较悬浮 型光催化反应器 缩短反应时间 20 m in , 且大幅提高污染物矿化度。 3 . 4 光催化与微滤一体化反应器 与光催化和其它膜分离形成 独立两部分不一 样, 光催化微滤反应器可以分成独立的两部分, 也可 以是一个整体。崔鹏等
[ 13]
光催化 陶瓷膜分离集成
反应器由紫外灯、 石英冷阱和陶瓷微滤膜组成, 冷阱 与紫外灯置于膜管内; 膜的光反射作用使 T iO2 光催 化剂更易吸收 紫外光。甲基 橙光催化反应 结果表 明, 体系中 T i O2 微粉的截留率达 99 . 9 % , 反应一个
旋转薄膜式浆态光催化反应器 , 主
第 1期
杨学灵等 : 实用型 T i O 2 光催化反应器的研究
[ 8]
125
张东翔等
设计 的循环式浆态 光催化反应器
体部分为圆柱形玻璃筒 , 下部为圆锥形 , 避免形成循 环死角。浆料喷嘴设计成一定角度 , 使被处理浆料 可以沿反应器筒切线方向被打到反应器内壁形成旋 转的薄膜 , 增大旋转浆态薄膜与空气和光源的接触 面积 , 强化光催化体系的传质 , 提高催化剂对光能的 利用率。与传统的鼓泡式光催化反应器相比, 苯酚 的催化反应速率提高 1 . 6 倍。
[ 14]
设计研制了一种光催化超滤反应
器, 其光催化反应单元混合液出水被分为两部分 : 一 部分回流到光催化反应单元中部 , 可起到减轻石英 套管表面污染作用 , 保证紫外灯的透过率; 另一部分 混合液被泵压至超滤膜分离单元 , 纳米 T i O2 浓缩液 回流到光催化反应单 元, 出水 从透过液出口流 出。 结果表明 , 光催化超滤反应器对染料酸性胡兰废水 有很好的降解效果。 3 . 2 光催化与渗析一体化反应器 Azrague等
[ 15]
2 液膜型光催化反应器
该类反应器通过装置中的部件在光催化反应器 内形成液膜 , 强化传质和光的吸收, 提高光催化降解 效率。 D io nysiu s 等 研制的半圆形反应器 , T i O2 粘结 固定于转盘表面 , 转盘垂直放置于反应器的中部, 一 部分浸没在反应液中 , 一部分暴露于空气中。当转 盘转动时, 反应液被带到转盘上形成一层水膜 , 水膜 的厚度可通过转速来调节。实验表明, 光催化降解 五氯酚 ( PCP ), 反 应 350 h 后 , PCP 的去除 率可达 90% 。 尹晓红等
3 光催化与膜分离一体化反应器
悬浮液光催化反应 完毕后经膜分离 ( 如超 滤、 纳滤、 微滤、 渗析和膜蒸馏等 ) 均能有效分离回收光 催化剂颗粒, 但由于采用膜分离, 必然提高了处理成 本。 3 . 1 光催化与超滤一体化反应器 金洛楠等
图 1 循环式浆态光催化反应器 F ig . 1 C irculating slu rry photocata ly tic reacto r 1 . 气体流量阀 ; 2. 气体分布器 ; 3. 三通阀 ; 4 . 循环式浆态光催化反应器 ; 5. 悬浮液 ; 6. 石英玻璃管 ; 7. UV 灯 ; 8. 过滤器 ; 9. UV 灯末 端 ; 10. 样品阀
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。 , 但传统的固定相光催化成膜方法复杂、 成本
目前, 对 于 固 定 相 光 催 化 反 应 器 的 研 究 较
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高 , 而且膜 中毒后 的清洗和更换异常复杂, 同时 膜的厚度和量有限, 使光催化效果受到极大制约, 因 而限制了光催化技术向实用技术的转化。悬浮相光 催化反应器的光催化效率较高 , 但催化剂的分离问 题一直没有得到很好的解决, 实用性研究进展缓慢。 本文综述了一些高效的或集反应、 分离为一体的实 用型光催化反应器。