光催化反应器

光催化、活性炭过滤、膜分离技术在饮用水深度净化方面的对比 处理方法 优点
有效去除臭味物质； 对汞、六价铬、镉、铅等重金属离子有较好的吸 附效果； 降低水中致突变物活性有比较明显的作用 对芳香化合物、多种农药有很好的吸附能力
存在的问题
吸附具有选择性； 对三卤甲烷类物质吸附容量很小； 存在严重的 对分子量大的物质基本无吸附； 二次污染问 对极性强的物质吸附作用较差； 题 价格昂贵需要不断的更换或再生；
Langmuir-Hinshelwood(简称L－H)方程
dC t kKC t r dt 1 KCt
r－总反应速率 Ct－t时刻反应物的浓度 k－Langmuir速率常数 K－吸附常数
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光催化反应动力学
K (Cs / C 0)
RT / Vm RT / Vm
对温度不 敏感
废水中的抑制物 反应动力学常数
废水中的Cl-，SO42-，PO43-等将会显著降低光子效率，因为它们与有机物竞争空穴。 由反应体系中多方面因素决定，通过调节光照，催化剂表面特性，PH等来提高反 应速率，缩短反应时间
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实际应用中存在的问题
1.光催化量子效率低(约4%) 载流子复合率高 2.太阳能利用率低(4%~6%的紫外光线) 3.催化剂的负载和分离回收问题 4.大型光催化反应器的设计问题
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展望
1.太阳能光催化反应器 TiO2的表面改性 窄化能带结构 吸收波长红移 2.光电催化反应器 原理：利用外电路驱动电荷，使光生电子转 移到阴极，减少电子－空穴对的复合
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光催化降解反应式
TiO 2 hv h e
h H 2O OH H
OH org(有机物） ...... CO2 H 2O
h
org ...... CO 2 H 2O
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光源强度与光照 光强，同等波长，一般强度越高，效率越高，但并非线形相关。波长一般越短， 效率越高。
催化剂粒径、类型与用 量
粒径越小，活性也越高；一般认为锐钛矿型比例较高时，光催化活性较好；催化 剂用量一般认为2~4mg/L较合适
PH
氧化剂和还原剂
不同结构的有机物降解有各自的最适PH
有效的使电子和空穴分离，防止复合。常用的氧化剂有O2和H2O2，作为电子捕获 剂，但用量不能太高；还原剂有草酸，电子供体。
( RrD e
RrD 1
I0 )( )(1 CC 0) I 0 Ah
I0－光强
Ah－半饱和常数 Kr－反应物的比 常数
n－经验参数(0<n<1)
As－比表面积 D－光催化剂的用量
Rr－反应器的半径
λ－紫外吸收系数(cm2/g)
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光催化反应器效率影响因素
光催化反应器
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LOGO
深度水处理技术
生化方法
高浓度 低成本 大规模
物化方法
低浓度 允许排放 COD:150~180
深度处理
去除痕量有毒有机物 饮用水
小规模
膜过滤 活性炭吸附 高级氧化技术
物理过程，截留，转移
治标
……
UV+TiO2
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
化学反应，降解，矿化
治本
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灯管反应器
转盘反应器 光导纤维反应器
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灯管式反应器
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浸渍式转盘反应器
辅流式转盘反应器
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光纤光催化过滤反应器和蜂窝光催化反应器
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光催化反应动力学
]
C 0[1 (Cs / C 0)

－吸附调整常数cm3/J （TiO2 ：0.00906）
Cs－污染物的溶解度（mg/L）
C0－初始浓度（mg/L）
Vm－有机物液体分子的摩尔体积（cm3/mol）
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光催化反应动力学
k Kr 2 Asn Rr D
2 2 2 n
活性炭吸附
消毒副产物前体物的去除作用有限； 基建费和运行费较高；
运行过程中膜易堵塞，需要定期化学清洗； 前处理要求较高，特别是对浑浊度的要求苛刻； 存在浓缩液的处理与处置问题； 去除了水中对身体有益的微量元素和矿物质； 成本相对较高；
能有效去除水中的悬浮颗粒、胶体物 质和细菌；
膜分离技术
不需要投加药剂、运行可靠、设备紧凑、易自动控 制； 去除污染物的范围很广，包括水中的有机物和金属 离子； 可根据不同的污染物选择不同的膜进行处理 具有高效的杀菌灭毒能力； 催化剂是稳定无消耗性的；
TiO2光催化
几乎对所有的有机物具有降解的能力； 光催化对有机物降解彻底，无二次污 染；
由于选用的是中压汞灯，导致成本相对较高； 光催化活性最好的P25粒径太小，很难在水溶液
中分离； 负载型的催化剂光催化活性都很难和P25相比； 催化剂的稳定性还有待提高；
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光催化反应机理
光催化反应器的分类
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悬浮式光反应器
管式反应器 泰勒漩涡反应器 喷泉反应器 降膜层流光反应器
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管式反应器
1.返混越小，越接近平 推流，转化率越高
2.可以根据不同工艺 要求，通过反应管间 的 并联或串联，控 制流量和停留时间
管式反应器
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泰勒漩涡反应器
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喷泉光催化反应器
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降膜层流光反应器
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镀膜催化剂反应器
将TiO2涂在不同材料上作为催化剂的反应器 在石英管上、反应器内外壁上涂膜的反应器