光催化氧化反应器设计综述
光电催化co2还原的文献综述
光电催化co2还原的文献综述【实用版】目录一、引言二、光电催化 CO2 还原的原理与方法1.光电催化反应的基本原理2.光电催化 CO2 还原的方法三、光电催化 CO2 还原的研究进展1.光电催化剂的研究2.光电催化反应器的研究3.光电催化 CO2 还原的性能提升四、光电催化 CO2 还原的挑战与展望1.挑战2.展望五、结论正文一、引言随着全球气候变暖和温室气体排放问题日益严重，如何有效地减少二氧化碳（CO2）排放以及将其转化为有用的碳氢化合物燃料已成为科学家们关注的焦点。
在众多 CO2 转化方法中，光电催化 CO2 还原技术因其在常温常压下进行且能实现人为闭合碳循环的优点，成为了研究的热点和重点。
本文旨在对光电催化 CO2 还原领域的文献进行综述梳理，以期为相关研究提供参考。
二、光电催化 CO2 还原的原理与方法1.光电催化反应的基本原理光电催化反应是一种光激发下的电催化反应，其基本原理是在光照条件下，光激发使催化剂产生电子 - 空穴对，电子和空穴分别向阳极和阴极迁移，形成电流。
在阴极上，CO2 被还原为碳氢化合物，同时在阳极上，氧化反应发生。
2.光电催化 CO2 还原的方法光电催化 CO2 还原的方法主要包括光催化、光电化学催化和光热电化学催化。
这些方法在催化剂、反应器和光源等方面有所不同，但均基于光电催化反应原理。
三、光电催化 CO2 还原的研究进展1.光电催化剂的研究光电催化剂是影响 CO2 还原效率的关键因素。
目前研究中，光催化剂主要包括半导体、金属氧化物和复合材料等。
其中，半导体光催化剂如二氧化钛（TiO2）和硫化镉（CdS）等被广泛研究。
2.光电催化反应器的研究光电催化反应器的设计对反应效率和稳定性具有重要影响。
目前研究中，反应器类型包括平板式、管式、波纹板式等，且有研究表明，反应器的形状和尺寸对光电催化效果有显著影响。
3.光电催化 CO2 还原的性能提升为提高光电催化 CO2 还原的性能，研究者们采取了一系列策略，如催化剂的改性、反应器的优化、光源的选用等。
光催化氧化法简介
光催化氧化法简介更新时间：08-5-23 14:15光催化氧化法是近20年才出现的水处理技术，在足够的反应时间内通常可以将有机物完全矿化为CO2和H2O等简单无机物，避免了二次污染，简单高效而有发展前途。
所谓光催化反应，就是在光的作用下进行的化学反应。
光化学反应需要分子吸收特定波长的电磁辐射，受激产生分子激发态，然后会发生化学反应生成新的物质，或者变成引发热反应的中间化学产物。
光化学反应的活化能来源于光子的能量，在太阳能的利用中光电转化以及光化学转化一直是十分活跃的研究领域。
由于以二氧化钛粉末为催化剂的光催化氧化法存在催化剂分离回收的问题，影响了该技术在实际中的应用，因此将催化剂固定在某些载体上以避免或更容易使其分离回收的技术引起了国内外学者的广泛兴趣。
在我国工业废水中，印染废水因其有机物含量高、色度深、水质复杂、排放量大而成为难处理的工业废水之一。
印染废水中含有大量卤化物、硝基物、氨基物、苯胺、酚类及各种染料等有机物，主要来自纤维、纺织浆料和印染加工所使用的染料、化学药剂、表面活性剂和各类整理剂。
其COD浓度达数千至数万mg/L，色度也高达数千至数万倍，可生化性差，很多废水还含有高浓度无机盐：如氯化钠、硫化物等，严重污染水环境。
国内处理染料废水普遍以生物法为主，同时辅以化学法，但脱色及COD去除效果差，出水难以稳定达到国家规定的排放标准。
光催化氧化法是近年来水处理研究的热点之一，实验证明，此方法对印染废水有较好的处理效果。
当进水COD Cr为1300 mg/L左右，色度为800倍时，经本法处理的废水，出水COD Cr达188 mg/L，色度为0～10倍，COD Cr 去除率达92%，脱色率几近100%。
主要水质指标达到了GB8978—1996《污水综合排放标准》中染料工业的二级标准。
本法可取代常规的生物法，适合中小型印染厂的废水处理。
光催化氧化法原理更新时间：08-5-23 14:20光降解通常是指有机物在光的作用下，逐步氧化成低分子中间产物最终生成CO2、H2O及其他的离子如NO3-、PO43-、Cl-等。
光催化反应器的设计与应用研究进展
第 50 卷 第 4 期2021 年 4月Vol.50 No.4Apr.2021化工技术与开发Technology & Development of Chemical Industry光催化反应器的设计与应用研究进展徐春华，邹晓娜，张梦薇，吴文荣，唐庆杰（河南理工大学化学化工学院，河南 焦作 450000）摘 要：光催化技术在污水处理领域的广泛应用，促使光催化反应器的设计及研发日趋加快。
本文就光催化反应器及其发展史进行了概述，归纳总结了各类典型光催化反应器的优势与不足之处，着重讨论了目前研究比较普遍的管式和环式光催化反应器，以及膜组件耦合技术、磁化技术在光催化反应器设计领域的应用。
分析表明，多技术联合光催化反应器的设计与研发是未来发展的方向，对于光催化技术在环境保护领域的应用具有重要的意义。
关键词：光催化反应器；类型；膜耦合技术；磁化技术中图分类号：TQ 052； TQ 031 文献标识码：A 文章编号：1671-9905(2021)04-0029-04基金项目：2020年河南省高校国家级大学生创新创业训练计划项目（202010460098）通信联系人：唐庆杰（1969-），男，博士，副教授，硕士生导师，主要从事水环境材料修复与固体废弃物再生利用领域的研究。
E-mail:*****************收稿日期：2021-01-14光催化技术在有毒、有害的污染物质降解方面具有巨大的应用前景，但在实际工业和生活污水处理等方面的应用仍存在很大的局限性。
催化效率低、回收利用过程难、催化反应器造价高、光源利用成本高等问题，是造成其局限性的根本原因，事实上这些问题均与其相对应的催化反应器的设计有所关联。
本文介绍了光催化反应器的发展史，对其已有类型展开详细综述，并对目前常用的高效催化反应器进行了归纳整理和讨论。
1 光催化反应器的发展史1.1 光催化反应器1972年，日本光化学家Fujishima 和Honda [1]通过实验，得出“利用TiO 2单晶可将水光催化分解”的结论，这是世界性范围内的光催化氧化技术应用研究的开端，此后该技术在污染物降解、气体净化、杀菌消毒等方面的研究成果显著[2-3]。
光催化氧化反应器设计综述
光催化氧化反应器设计综述摘要：文章通过废水中有机物的降解问题引出光催化氧化降解有机物技术，再从技术问题引入更深层次的问题即如何提高降解效率，进而引出本文主题—光催化氧化反应器设计。
文章详细叙述了反应器的结构形式及几种不同类型反应器的优点和缺陷，以及研究现状。
关键词：光催化氧化；反应器随着经济的发展，大量工业废水、生活污水有机污染物的超标排放，造成了水体环境严重富营养化问题，目前很多地方的治理只注重对有毒重金属的处理，而忽略了有机污染物潜在的危害性，废水中大量的有机污染物。
富含洗涤剂（LAS）、COD、BOD、含氮、磷等的有机物的污水本身具有一定的毒性，对动植物和人体有慢性毒害作用，还会引起水中传氧速率降低，使水体自净受阻，从而使水体变色发臭。
所以对废水中的有机物进行处理是非常必要的。
光催化氧化分解有机污染物是当今公认的最前沿最有效的处理技术，光催化氧化反应器成功的解决了光催化氧化技术的工业化运用难题，所采用光催化氧化技术，废水有机污染物分解后的产物为水、二氧化碳及无害的无机盐，从根本上解决了有机污染问题。
目前, 用金属氧化物半导体作催化剂进行光催化氧化降解有机污染物的研究, 已引起了国内外众多学者的关注[1]。
为了提高光催化氧化反应效率，光催化氧化反应器是必不可少的。
应用光催化氧化反应器可进行化学氧化、光氧化、光化学氧化、光催化氧化和光化学催化氧化等多种类型氧化反应, 并可进行多种组合试验, 为环境科研、环境工程提供试验设备, 亦可为高等院校师生提供教学试验设备。
光催化氧化反应器的设计远比传统的化学反应器复杂,除了涉及质量传递与混合、反应物与催化剂的接触、流动方式、反应动力学、催化剂的安装、温度控制等问题外,还必须考虑光辐射这一重要因素。
目前已有多种形式的光催化氧化反应器应用于光降解的研究及实际废水的处理,并取得了一些成果,但同时也暴露出许多问题,为此有许多人从不同的角度对如何提高光催化氧化反应器的效能及实用性开展了大量的工作[2]。
光催化反应器的设计
负载式光催化反应 器
固定在载体（涂膜、 三维多孔小颗粒） 催化剂与反应液分离 容易 催化剂制备复杂，存 在反应过程中的传质 限制和光传递的问题
2.光催化反应器的设计
2.1设计思路
本设计针对三相态的反应液，结合悬浮
式和负载式两种反应器的优点，选用一种磁
性负载式催化剂，建立磁场，设计出三相内
循环可磁性分离的光催化反应器。
2.4光催化反应器的流动状态
气体带动催化剂颗 粒流动并使之悬浮于 待处理液中，进行循 环光催化反应。 处理完毕后，通 电流，将催化剂分离 回收。
2.5光催化剂的选择
TiO2作为一种半导体，具有较高的催化活 性、化学稳定性、耐光腐蚀性，是一种比较 理想的光催化剂，它对大部分的有机物都有 很好的降解，而且清洁无毒。 本设计选用Fe3O4/TiO2/MCM-41作为催化 剂，磁性好、比表面积大、表面活性高、催 化效率高。
3.展望
磁场的电路设计还需进一步研究优化。 对多相体系的光辐射模型做更多的研究， 将结构更加优化，使得光催化效率更高。 目前，对光催化反应器的研究还仅仅限 于实验室研究，还需更多的研究为它的工 业化应用指明方向。
致谢
本次设计中老师给予了我很大的帮助， 经常询问设计进度，对于设计中存在的问 题及时指出并纠正，最后使我能顺利完成 设计任务，在这里再次对老师表示感谢。
2.6光催化反应器的设备选型
光源 圆柱型直管低压汞灯，功率20W
气体分布 器 挡板 外管
பைடு நூலகம்
多孔管状气体分布器 连融透明石英玻璃管 有机玻璃丙烯酸树脂板
2.7光催化反应器的尺寸计算
设计反应器的尺寸思路：光照面积与溶液体 积的比值(A/V)越大，光催化效率越高。
光催化氧化反应器
光催化氧化反应器光催化氧化反应器是一种利用光催化剂将光能转换成化学能的设备。
它广泛应用于废水处理、空气净化和有机废气处理等领域。
本文将从反应器的结构、工作原理、应用和发展等方面进行介绍。
一、反应器的结构光催化氧化反应器主要由反应器本体、光源、催化剂和气体循环系统组成。
其中反应器本体一般采用光学玻璃或石英材料制成，以保证反应器对光的透过率。
而光源则是为了提供光能，一般采用紫外光灯或LED灯等。
催化剂则是提高反应速率的重要因素，常用的催化剂有二氧化钛、氧化锌等。
气体循环系统则是为了保持反应器内气体的循环和流动，常用的气体有氧气、氮气等。
二、反应器的工作原理光催化氧化反应器的工作原理是将光能转化为化学能，通过催化剂的存在，使有机物分解成无害物质。
在反应器内，光源照射到催化剂表面时，会激发出电子和空穴，这些电子和空穴会与氧分子发生反应，产生活性氧物种（如羟基自由基、超氧自由基等）。
这些活性氧物种具有氧化性，可以氧化有机物质，将其分解成二氧化碳、水和无害的无机物质。
三、反应器的应用光催化氧化反应器广泛应用于废水处理、空气净化和有机废气处理等领域。
在废水处理方面，光催化氧化反应器可以有效去除水中难以降解的有机物质和色度。
在空气净化方面，光催化氧化反应器可以去除空气中的挥发性有机物质、氮氧化物和臭氧等有害物质。
在有机废气处理方面，光催化氧化反应器可以将有机废气中的有害物质分解成无害的物质。
四、反应器的发展随着环保意识的增强和科技的发展，光催化氧化反应器也在不断地发展和完善。
目前，光催化氧化反应器已经应用于多个领域，例如：医疗卫生、食品加工、纺织、杀菌、清洁等。
同时，随着新型材料的研发和新技术的出现，反应器的性能和效率也在不断提高。
光催化氧化反应器是一种非常重要的环保设备，可以有效地去除水中有机物质和空气中的有害物质。
随着科技的发展，反应器的应用领域和效率也在不断扩大和提高。
光催化反应器的设计
光催化反应器的设计摘要光化学反应过程由于具有选择性好且可在常温常压下进行等特点而在许多领域有着良好的应用前景。
其中光催化技术作为一种真正环境友好的绿色技术，既可以在能源领域应用，将低密度的太阳能转化为可储存的高密度的洁净能源氢能；也可在环境领域应用，利用光能降解和矿化环境中的有机和无机污染物。
光催化反应器作为光催化技术的核心设备，在光催化技术的应用中具有十分重要的地位。
本文介绍了光催化反应的相关内容，并以FCC汽油光催化脱硫工艺为例，对实际情况作合理简化，建立了光催化反应器的数学模型。
关键词：光催化、反应器、数学模型。
1、前言1.1 光化学反应工程光化学反应是指在外界光源的照射下所发生的化学反应过程。
[1]光化学反应器作为光化学生产中的关键设备，其性能优劣对于光化学反应过程的应用有十分重要的作用。
因此，从工程应用的角度出发，研究光化学反应器的特性、模拟、设计、放大等问题已引起重视，并逐渐发展成化学反应工程学的一个新的分支—光化学反应工程。
与一般反应器相比，光化学反应器的设计与开发有很大的差异。
光源的种类，光子的传播、吸收、发射及光化学反应器的几何形状，与光源间的相互位置等均会对光化学反应过程产生直接影响。
[2]1.2 光化学反应器类型与普通的化学反应器一样，光化学反应器也可以按不同的方法分类。
如按操作方式的不同可分为连续式和间歇式；按反应器内包括的流体的相数不同可分为均相和非均相；按反应器内流体流动状况可分为全混流、部分返混、活塞流等。
然而，对于光化学反应器，除了操作方式、流动状况等会对其性能造成影响，更能反映光化学反应器特征并直接影响光化学反应器性能的则是光源种类、反应器几何形状及反应器与光源间的相互位置。
[3]这些因素的不同组合就构成了不同类型的光化学反应器。
光化学反应器可以有许多变化方式，大体可分为均相和非均相两大类。
[4]光化学反应器的选型包括光源、透光材料、反应器几何形状的确定等几个方面。
关于光催化氧化技术的综述研究
关于光催化氧化技术的综述研究光催化氧化技术被广泛应用于污染物治理领域。
该技术利用光催化剂将光能转化为化学反应能，使污染物在光催化剂和氧气的作用下发生氧化反应，降解成低毒、低浓度的物质。
该技术具有高效及无二次污染等特点，特别是在不易降解的有机物的处理上有着很好的应用。
光催化氧化技术的发展历程：1996年，光催化氧化技术被应用于废水处理。
1998年，日本出现了第一款商业化的光催化空气净化器。
2000年，国内开始研究光催化空气净化技术。
之后，国内外对光催化氧化技术的研究逐渐深入，应用领域也不断扩大。
目前，光催化氧化技术应用领域涉及悬浮颗粒、颗粒状物质、有机物、气体及水等领域的治理。
催化剂的选择：目前，常用的催化剂有TiO2、CdS、ZnO等。
在这些催化剂中，TiO2应用最广泛，其在紫外光照射下可以吸收大部分的紫外光谱。
CdS和ZnO的吸收较弱，但对可见光和紫外光的响应能力较强。
其中，CdS在光催化反应中表现出了很好的性能，被广泛应用于处理有机物和硫化物。
催化剂改性包括材料的掺杂和表面的改变等。
当掺杂物被引入催化剂时，掺杂物会与催化剂的晶格相互作用，从而改变催化剂的吸收和反应特性。
例如，Ag/TiO2催化剂的反应活性可提高4倍以上，掺杂Co的TiO2相对于纯TiO2催化剂反应活性提高了5-10倍。
光源选择：光催化氧化技术需要用到光源，目前在实验中使用的光源包括汞灯、钨灯、UV LED等。
其中，UV LED在光源选择中应用最广泛，其稳定性高，寿命长，同时还可以针对红外波段进行镀膜实现波长选择，具有很大的发展前景。
过程控制：光催化氧化技术需要对处理过程进行控制。
其中的光源强度、反应时间、催化剂浓度、溶液pH等因素都会影响反应效果。
此外，反应器的照射方式、反应器的形状等因素也会影响反应效果。
总体而言，光催化氧化技术在污染治理领域拥有广阔的应用前景。
虽然在研究过程中仍有一些问题需要解决，如光催化剂的选择、改性、光源选择、过程控制等，但通过不断的探索和创新，我们相信这一技术将会在未来得到进一步的发展。
电助光催化氧化反应器的类型和设计要点
电助光催化氧化反应器的类型和设计要点电助光催化氧化反应器（Electro-PhotocatalyticOxidationReactor，EPOR）是一种利用电化学效应和光催化效应两大方面的能量转换机制，将具有挥发性有机物（VOCs）转化为无害物质的技术。
它具有高效、无污染，耐受负荷能力强的特点，可在绿色环保的背景下有效地处理VOCs污染。
由于EPOR具有诸多优点，它已经广泛应用于化学工业、能源发电厂、汽车排放治理中，用于有效处理VOCs污染。
电助光催化氧化反应器通常可以分为三种类型：空气催化反应器、固定床催化反应器和流动床催化反应器。
空气催化反应器是一种简单的催化反应装置，其结构简单，操作简便，主要用于轻质VOCs的处理和恒温恒流的流量控制，其优点是能够快速转化VOCs，出口浓度也有非常高的效率。
但是，它在处理重质VOCs时，不能显示出较好的性能。
固定床催化反应器使用固定床来作为催化剂容器，其反应管道可以分为反应管和催化剂管，流量可以通过控制气体流动速度来控制，可以有效地处理VOCs。
它的优点是可以有效清除重质VOCs，并且具有更高的处理效率，可以将VOCs的出口浓度降低到很低的水平。
流动床催化反应器与固定床催化反应器类似，但它的主要优点是可以更好的处理复杂的VOCs污染源，它具有高比特率，可以控制入口流量以实现最佳处理效果。
除了类型不同外，电助光催化氧化反应器的设计要点还包括选择合适的催化剂、反应温度和温度调节、反应器内流流形和添加助剂等。
首先，选择合适的催化剂是实现高效氧化反应的重要因素。
一般用于EPOR的催化剂都是金属离子的纳米级晶体，它们不仅具有良好的光催化活性，而且可以有效地改变反应速率，从而提高VOCs的转化效率。
其次，反应器的操作温度也会影响到EPOR的效率。
一般而言，效率随着温度的升高而提高，高温可以缩短反应时间，从而提高效率。
但是，反应器的操作温度应该控制在合理范围，过高的温度反而会降低催化剂的活性，从而降低VOCs的转化率。
光催化反应器的设计
通过改进材料的晶体结构、表面性质和能带结构，提高其光催化活 性、稳定性和持久性。
材料组合与复合
将不同材料进行组合或复合，实现优势互补，提高光催化效果。
反应器的大型化与集成化
扩大反应器规模
研究如何将光催化反应器从实验 室规模扩大到工业规模，实现大 规模应用。
集成化反应器设计
将多个光催化反应器集成在一起 ，形成模块化、一体化的光催化 系统，提高整体效率。
提高光能的利用率
高效光收集系统
研究和发展高效的光收集系统，将更多入射光转化为可以利用的 光能。
光能转化效率提升
优化光催化材料的能带结构，提高光能转化为化学能的效率。
光波长拓展
研究如何利用不同波长的光，拓展光催化反应器的应用范围。
反应器的稳定性与持久性
长期运行性能测试
对光催化反应器进行长时间运行性能测试，评估其稳定性和持久性。
能耗与产率的评估
能耗
能耗是衡量光催化反应器经济性能的重要指标之 一，它表示为了获得一定量的目标产物所消耗的 能量。
影响因素
能耗与产率受到多种因素的影响，如光源的波长 、强度、照射角度，反应器的设计、操作温度和 压力等。
产率
产率是衡量光催化反应器性能的重要指标之一， 它表示单位时间内生成目标产物的量。
光催化反应的应用
光催化反应在污水处理领域的应用
01
利用光催化剂可以将有机污染物降解为无害的物质，从而达到
净化水质的目的。
光催化反应在能源转化领域的应用
02
光催化剂可以将太阳能转化为电能或氢能，为可再生能源的利
用提供了一种有效途径。
光催化反应在有机合成领域的应用
Hale Waihona Puke 03光催化剂可以用于合成有机化合物，具有高效、环保和条件温
光催化氧化
光催化反应器
(按结构划分)
平板型反应器 浅池型反应器 管式反应器 环型反应器(或圆筒型反应器)
3.2 悬浮式光催化反应器
一、降膜式反应器
悬浮式反应器
将催化剂直接加入待处理的废水中, 通过搅拌,使之分散均匀.
液膜 紫外灯
套管
废液呈膜状由上向下 流动,处理效果好;
膜厚度难以控制和不 易利用自然光
光催化反应器
按催化剂 存在形式
悬浮型
负载型
(固定型)
固定床型 流化床型
非填充式(反应速率低于悬浮型 )
填充式(反应速率高于悬浮型)
液固相流化床 气固相流化床 气液固三相流化床
悬浮型反应器 结构简单, 可保持催化剂固有活性; 催化剂无法连续使用, 后
期分离回收困难, 为分批处理型; 悬浮粒子对光线的吸收阻挡影响了光照深度
七、外场耦合
采用热场、电场、微波场、超声波场及磁场等与TiO2光催化氧化过程进 行耦合，以提高反应效率； 光电催化氧化技术 通过外加阳极使光激发产生的电子通过外电路流向阴 极，减少光生电子与空穴的复合几率，提高量子效率。
ClO2
2.4 影响TiO2光催化氧化有机物的因素
一、光源和光强
用于激发的光子能量必须大于半导体的禁带宽度。
2.3 提高半导体光催化量子效率的方法
五、掺杂
过渡金属离子掺杂
一般认为过渡金属离子掺杂可在TiO2表面引入缺陷位置或改变结晶度， 从而影响电子和空穴的复合。
• 当产生陷阱俘获电子或空穴时，可阻止电子和空穴的复合； • 也有可能成为电子和空穴的复合中心而加快其复合； • 掺杂可使复合禁带宽度变窄，使吸收带延伸至可见光区。
3.3 固定床光催化反应器
光催化氧化的实验装置
光催化氧化的实验装置光催化氧化是一种利用光催化材料吸收光能，通过产生活性氧物种来催化氧化反应的方法。
它在环境治理、水处理、能源转化等领域具有广泛应用前景。
为了实现光催化氧化反应的研究，科学家们设计了一种特殊的实验装置。
一、实验装置的组成光催化氧化的实验装置主要由以下几个部分组成：1. 光源：实验装置中常用的光源有紫外灯、可见光灯等。
根据不同的实验需求，可以选择不同波长的光源。
2. 光催化材料：光催化材料是实验装置中的核心组成部分。
常用的光催化材料有钛酸盐、二氧化钛等。
这些材料具有良好的光催化活性，能够有效吸收光能，并产生活性氧物种。
3. 反应容器：反应容器用于容纳反应物和光催化材料，通常采用玻璃或石英材料制成。
容器的设计应考虑到反应物的光照均匀性和反应物的混合情况。
4. 气体供给系统：为了进行氧化反应，实验装置中通常需要提供氧气或其他氧化剂。
气体供给系统可以将氧气均匀地输送到反应容器中。
5. 反应控制系统：反应控制系统用于控制反应的时间和温度等参数。
通过调节反应控制系统，可以实现不同条件下的光催化氧化反应。
二、实验装置的工作原理光催化氧化的实验装置工作原理如下：1. 光源发出光线，光线穿过反应容器并照射到光催化材料上。
2. 光催化材料吸收光能，产生电子空穴对。
电子空穴对具有较高的氧化还原能力。
3. 反应物进入反应容器，与光催化材料表面的电子空穴对发生反应。
反应过程中，光催化材料释放活性氧物种，如羟基自由基、超氧阴离子等。
4. 活性氧物种与反应物发生氧化反应，将反应物转化为氧化产物。
氧化产物可以是有机物的降解产物、氧化物等。
5. 反应结束后，收集氧化产物并进行分析。
三、实验装置的应用领域光催化氧化的实验装置在许多领域都有广泛的应用：1. 环境治理：光催化氧化可以将有害物质转化为无害的产物，如将有机污染物转化为二氧化碳和水。
因此，光催化氧化在大气污染治理、水污染治理等方面具有潜在应用。
2. 水处理：光催化氧化可以有效去除水中的有机污染物、重金属离子等。
多功能光催化综述
多功能光催化综述光催化技术是一种利用光能驱动反应，将光能转化为化学能的技术。
随着科技的不断发展，光催化技术在多个领域得到了广泛应用，如环境治理、能源转换、光电应用等。
本文将对多功能光催化技术进行综述，介绍其研究现状、应用领域、发展趋势等。
一、研究现状目前，多功能光催化技术已经取得了许多研究成果，主要包括以下几个方面：1. 纳米材料制备：通过纳米材料制备技术，制备出多种具有特殊光学和电子性能的纳米光催化剂，如金属氧化物、半导体合金等。
2. 光催化降解污染物：利用光催化技术降解水体中的有机污染物、重金属离子等有害物质，实现环境治理的目的。
3. 光催化产氢：通过光催化技术将太阳能转化为氢能，为燃料电池等新能源技术提供氢源。
4. 光催化产电：利用光催化技术将太阳能转化为电能，实现光电转换的目的。
二、应用领域多功能光催化技术在多个领域得到了广泛应用，主要包括以下几个方面：1. 水处理：利用光催化技术降解水体中的有机污染物和重金属离子，实现水体的净化。
2. 空气净化：利用光催化技术去除空气中的有害气体和微生物，提高空气质量。
3. 能源转换：将光能转化为化学能，实现太阳能的利用和氢能的制备。
4. 光解水制氢：利用光催化技术将水电解为氢气和氧气，为燃料电池等新能源技术提供氢源。
三、发展趋势未来，多功能光催化技术将朝着以下几个方向发展：1. 纳米材料优化：研究新型纳米光催化剂，提高其光吸收性能、电子传输性能和催化活性。
2. 高效反应器：开发新型高效反应器，提高光催化反应的效率和稳定性。
3. 多功能集成：将光催化技术与其它技术（如电化学、热化学等）进行集成，实现多功能应用。
综上所述，多功能光催化技术在多个领域具有广泛的应用前景。
未来，随着研究的不断深入和技术的发展，该技术将为解决环境问题、提高能源利用效率等提供新的解决方案。
光催化反应器举例简介
光催化反应器举例简介反应器设计结业论文天津大学化工学院09化工一班王一斌3009207018随着现代工农业的发展，产生了大量污染物并随之释放到环境中去，其中存在大量有毒有害物质，严重影响了人类的正常生活与生产。
多年来，研究人员采用了包括生物处理，化学处理，热处理，催化氧化，相转移和光解等方法应用于废水处理中。
但目前这些方法，都存在着局限，而且处理费用太高。
而光催化作为一种新型的污染处理技术自上个世纪70 年代出现以来，以其能完全降解环境中的污染物，加上费用相对较少，日益受到研究人员的重视。
在光化学处理有机废水的催化剂中，二氧化钛由于其化学性质稳定、难溶、无毒、成本低、催化效率高等优点被广泛运用。
同时，光催化反应器作为反应的主体设备，其决定了催化剂活性的发挥和对光的利用等问题，而这两个因素直接决定了光催化反应的效率。
一个成功的反应器必然体现了催化剂活性和光源利用的最优化组合。
所以，光化学反应器的研制和开发作为光催化处理废水工艺中的重中之重，已成为研究的热点之一，本文对该方面研究给予了举例简介。
关键词：二氧化钛( TiO) 光催化反应器废水处理2一，光催化反应机理当能量大于催化剂（TiO 2等金属氧化物）禁带宽度的光照射半导体时，光激发电子跃迁到导带，形成导带电子（矿），同时在价带留下空穴（矿）。
由于半导体能带的不连续性，电子和空穴的寿命较长，它们能够在电场作用下或通过扩散的方式运动，与吸附在半导体催化剂粒子表面上的物质发生氧化还原反应，或者被表面晶格缺陷俘获。
空穴和电子在催化剂粒子内部或表面也可能直接复合。
空穴能够同吸附在催化剂粒子表面的OH 或H 2O 发生作用生成HO·。
HO·是一种活性很高的粒子，能够无选择地氧化多种有机物并使之矿化，通常认为是光催化反应体系中主要的氧化剂。
光生电子也能够与O 2发生作用生成HO 2·和O 2-·等活性氧类，这些活性氧自由基也能参与氧化还原反应。
3 光催化氧化和反应器
三、聚光不同
• 聚焦型 • 非聚光型 双薄层反应器 平板式反应器 浅池型光反应器
聚 焦 型
• • •
利用抛物槽镜，将能透过紫外光线的玻璃管置于槽镜的焦线上，使催化剂TiO 利用抛物槽镜，将能透过紫外光线的玻璃管置于槽镜的焦线上，使催化剂TiO2与废水混合通 过玻璃管时发生光化学反应。（悬浮型和固定型） 。（悬浮型和固定型 过玻璃管时发生光化学反应。（悬浮型和固定型） 优点：使日光光强度数十倍增加，从而使能量高的紫外辐射显著提高。 优点：使日光光强度数十倍增加，从而使能量高的紫外辐射显著提高。 缺点：不能利用散射光能；量子效率较低；价格昂贵，不易推广。 缺点：不能利用散射光能；量子效率较低；价格昂贵，不易推广。
三、多相光催化氧化——材料分类
材料分类：根据固体物理的理论，在大量原子或分子结 合成的晶体中，相似能级的电子轨道结合形成能带。一 个能带内的电子轨道能级是连续的，并且如果这个能带 不被充满，电子就很容易在能带内运动。 价带：充满或部分充满价电子的能带（Valence Band VB) 导带：能带在基态时不存在电子的能带（Conduction Bond CB) 禁带：价带顶和导带底的能量差Eg 根据禁带宽度分为：导体——没有禁带 半导体——禁带0.2-4ev （用光激发使价带电子跃迁） 绝缘体——禁带≥5ev
五、光学纤维束光催化反应器
• 反应器内有1.2m长的光学纤维束，包含72根 1mm粗的石英光学材料，每根光学纤维表面负载 了一层TiO2膜，反应在水表面进行。 • 优点：反应器内光、水、催化剂三相接触面积大， 反应效率高。可通过增加光学纤维数量提高反应器 的三相接触面积，避免了其它反应器所具有的诸如 占地面积大、有效反应体积小等缺点。 • 缺点：光学纤维及其辅助设备造价太高，限制该反 应器的推广应用。
电助光催化氧化反应器的类型和设计要点
电助光催化氧化反应器的类型和设计要点工业催化张春明摘要电助光催化反应器提供了通过外加电场提高光催化技术处理效率的场所，其构型是决定电助光催化反应效率和进行机理研究的关键要素。
本文对当前电助光催化研究中采用的反应器的类型进行了综述，并提出电助光催化反应器设计的一些要点。
关键词光催化电助光催化电助光催化反应器前言自从1972年Fujishima 等[1]发现悬浮的TiO微粒可以电解水以来半导体光催化技术作为2一种具有高效、无毒、节能等特点的高级氧化技术被广泛研究，以缓解日益严峻的环境污染问题口[2].遗憾的是，长期以来，光催化技术的处理效率始终难以达到在实际中应用的水平，主要原因就在于光生电子和空穴的复合率高，抑制了二者同溶液中物质的反应[3-5].为此，人们提出了利用外加电场来提高光催化效率的技术，称为“电助光催化技术”。
光生电子在外加电场的作用下迁移至对电极，光生空穴在表面得以积累并进一步发生反应，外加电场促进了光生电子和光生空穴的分离，提高了光催化的效率。
电助光催化反应器是进行施加外电场并进行光催化反应的场所，它的构型涉及到光源、电场、催化剂和待处理溶液的位置关系、恒温装置、促进物质传输的手段以及反应进行的氛围等方面，是决定电助光催化效率和研究电助光催化过程机理的关键因素，因此，对电助光催化反应器类型和设计开发的研究十分重要。
1 电助光催化反应器的类型由于要利用光源及对半导体空间电荷层施加电场，电助光催化反应器的形式与光电化学电池十分相似。
不同的分类原则，可将电助光催化反应器归为不同的类型。
1．1 固定膜式反应器与悬浮态反应器根据催化剂在反应器中的形态，可分为固定膜式反应器与悬浮态反应器。
大多数研究采用固定膜式反应器，即将半导体薄膜固定在导电基材上作为工作电极，这种类型的反应器克服了悬浮系统中需对催化剂进行后续处理的问题，使连续操作成为可能，不足之处在于催化剂表面积与反应器体积之比小，有待通过反应器内催化剂的布置设计来提高。
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光催化氧化反应器设计综述摘要：文章通过废水中有机物的降解问题引出光催化氧化降解有机物技术，再从技术问题引入更深层次的问题即如何提高降解效率，进而引出本文主题—光催化氧化反应器设计。
文章详细叙述了反应器的结构形式及几种不同类型反应器的优点和缺陷，以及研究现状。
关键词：光催化氧化；反应器随着经济的发展，大量工业废水、生活污水有机污染物的超标排放，造成了水体环境严重富营养化问题，目前很多地方的治理只注重对有毒重金属的处理，而忽略了有机污染物潜在的危害性，废水中大量的有机污染物。
富含洗涤剂（LAS）、COD、BOD、含氮、磷等的有机物的污水本身具有一定的毒性，对动植物和人体有慢性毒害作用，还会引起水中传氧速率降低，使水体自净受阻，从而使水体变色发臭。
所以对废水中的有机物进行处理是非常必要的。
光催化氧化分解有机污染物是当今公认的最前沿最有效的处理技术，光催化氧化反应器成功的解决了光催化氧化技术的工业化运用难题，所采用光催化氧化技术，废水有机污染物分解后的产物为水、二氧化碳及无害的无机盐，从根本上解决了有机污染问题。
目前, 用金属氧化物半导体作催化剂进行光催化氧化降解有机污染物的研究, 已引起了国内外众多学者的关注[1]。
为了提高光催化氧化反应效率，光催化氧化反应器是必不可少的。
应用光催化氧化反应器可进行化学氧化、光氧化、光化学氧化、光催化氧化和光化学催化氧化等多种类型氧化反应, 并可进行多种组合试验, 为环境科研、环境工程提供试验设备, 亦可为高等院校师生提供教学试验设备。
光催化氧化反应器的设计远比传统的化学反应器复杂,除了涉及质量传递与混合、反应物与催化剂的接触、流动方式、反应动力学、催化剂的安装、温度控制等问题外,还必须考虑光辐射这一重要因素。
目前已有多种形式的光催化氧化反应器应用于光降解的研究及实际废水的处理,并取得了一些成果,但同时也暴露出许多问题,为此有许多人从不同的角度对如何提高光催化氧化反应器的效能及实用性开展了大量的工作[2]。
1 光催化氧化反应器的结构形式催化剂以两种形式存在于反应器中:一是光催化剂颗粒分散于整个反应器系统中,二是光催化剂颗粒固定在载体上(如反应器壁或尼龙丝网等) ,据此可将相应的反应器形式称为悬浮式和固定式。
悬浮式是TiO2粉末直接与废水混合组成悬浮体系。
优点是结构简单，能充分利用催化剂活性[3]。
缺点是存在固液分离问题，无法连续使用；易流失；悬浮粒子阻挡光辐射深度，TiO2 =0.5mg/m3左右，反应速度达到极限[4]。
固定式是TiO2粉末喷涂在多孔玻璃、玻璃纤维或玻璃板上。
优点是TiO2不易流失，可连续使用；缺点是催化剂固定后降低了活性[5]。
固定式又分非填充式和填充式两种。
非填充式固定床型：以烧结或沉积法直接将光催化剂沉积在反应器内壁，部分光催化表面积与液相接触。
填充式固定床型：烧结在载体上，然后填充到反应器里，与非填充式固定床型相比，增大了光催化剂与液相接触面积，克服了悬浮型固液分离问题。
Geisen 等[6 ]针对典型化合物二氯乙酸(DCA) 的降解分别进行了悬浮式TiO2和固定式TiO2液膜反应器( Flow-Film Reactor ，FFR) 研究，结果表明：与固定式催化剂反应系统相比，悬浮式系统能够获得更高的DCA降解率,达到了固定式系统的3倍，这是因为催化剂的固定限制了传质和降低了光催化活性。
因此，如果能够通过固/ 液分离技术实现TiO2颗粒与处理水的分离及回收利用,那么悬浮式反应器将比固定式反应器有着明显的优势。
为此，Xi等[7 ]采用带有斜板和不带有斜板的沉淀池及微滤膜继续进行了悬浮催化剂的分离研究:当进水的催化剂浓度> 5 g/ L、pH 在零电荷点附近时，通过沉淀作用可以对Degussa P 25 TiO2实现高效分离；在沉淀池内添加斜板可以减少沉淀面积，确保出水浓度< 5 mg TiO2/ L ：为进一步降低出水TiO2浓度,可采用微波技术同时实现TiO2 和病菌的完全截留。
此外，膜对高分子物质的截留将增加其在光反应器内的浓度，从而获得较高的反应速率。
目前，常用的是流化床式。
所谓流化床式即负载了TiO2颗粒的载体，在反应器中以悬浮状态存在。
优点为一方面可使催化剂颗粒多方位受到光照，并且在悬浮扰动下可防止催化剂钝化，提高催化剂利用效率；另一方面也解决了悬浆体系固液分离难的问题。
Wooseok等[8 ]采用流化床反应器(FBR) 对甲基橙在弱照射条件下(15 W 低压水银灯) 的光催化氧化进行了研究。
试验过程中采用了两种不同类型的流化床，一种是FBR 的典型类型，另一种是内部带有导流管的FBR (DTFBR)。
试验结果表明：FRSs 的几何结构对光催化氧化反应的影响是可以忽略的；反应器内气体的供给，不但可以用于催化剂颗粒的流化，而且还可以消除光生电子，提高反应效率；pH 值是确定反应速率的一个重要参数，在酸性条件下更有利于甲基橙的降解，反应物的初始浓度越高将会减少光的穿透,从而降低光催化氧化的反应速率；催化剂的负荷存在着一个最佳量，从而使催化剂的存在不对光的照射产生屏蔽效应。
2 提高DO浓度的反应器通过向反应器内加入氧化剂以结合颗粒表面过剩的电子，可抑制表面光生电子和空穴的复合，提高光量子利用率。
氧化剂中最易获得、最经济和最有效的电子受体就是分子氧，如何提高废水中的溶解氧量将是光催化反应器设计的关键技术之一。
为了促进有效界面上氧的转移，Chan等[9 ]设计了一种新型薄膜阶梯式光催化反应器(PTFCR)，体现了完全混合式和推流式反应器的优点。
反应器的设计是采用阶梯式的平板排列方式代替单层的平板结构，当反应液从一个平板落到另一个平板时形成了跌水，从而促进了液膜的曝气,同时紊流作用也加强了液膜内有机污染物向催化剂表面的传质。
在提高液体溶液DO水平的研究中发现，阶梯式反应器的运行情况好。
杨阳等[10 ] 设计了一种新型的浅槽型填充床光催化反应器，采用不锈钢曝气网实现了高效无动力曝气，并且在浅槽内交错地安置挡板，显著地改善了反应器中的水流状态，加强了废水与光催化剂间的传质，从而提高了光催化反应的效率。
此种新型曝气网联结多层结构的光催化反应器具有加工简单、操作容易、工程造价和运转费用低等特点，易于实现工业化应用。
3 太阳能反应器及聚光系统利用太阳光作为光源的反应器可设计成平板型，并可设反射面以提高光能的利用率。
如薄膜固定床反应器( TFFBR)、双层板反应器(DSSR) 及抛物线形槽反应器(PTR) 等[11]。
按照光源照射方式的不同可将光反应器分为聚光式和非聚光式两种。
聚光式反应器要求具有高光学精密度的反射镜，费用昂贵，而且设计复杂，并且它仅利用了UV 照射的直射光部分。
而非聚光式反应器既利用了UV 照射的直射光又利用了散射光,而且不需要昂贵的反射镜,结构简单,因此有着更大的发展潜力。
复合抛物线形聚光器(CPC)是使反应管的表面不但具有均匀的镜面反射，而且还具有扩散辐射，因此能够最大限度地利用照射在上面的太阳光。
Parra 等[12]针对不可生物降解的氯代烃类溶剂(NBCS) 及p - NTS 进行了不同程度聚集太阳光和非聚集太阳光系统的比较。
由于较小的照射表面积致使聚集太阳光照射的抛物线形槽反应器(HM) 的活性较低，而CPC 聚光系统的降解速率约是抛物线形聚光器的 3 倍。
两个反应器对p - NTS 的去除率为100 % ，但HM 和CPC 反应器所能达到的矿化程度分别为55 %和73 % ,这说明光解过程中中间体的形成及反应动力学等问题取决于反应器的类型。
非聚集太阳光照射的CPC 反应器以其低廉的价格、高的反应活性及不需要附加的冷却步骤以确保最佳的反应温度成为当前太阳能利用技术中最好的方法。
4旋转式光催化反应器和光学纤维束光催化反应器旋转式光催化反应器分为转盘式和圆筒式旋转光反应器。
共同点是反应器主体可以旋转，同时在旋转器上形成液膜，解决了固液分离问题。
但固定在器壁上的催化剂利用率的且容易钝化。
光学纤维束光催化反应器内有1.2 m长的光学纤维束，包含72根1 mm粗的石英光学材料，每根光学纤维表面负载了一层TiO2膜，反应在水表面进行。
优点是反应器内光、水、催化剂三相接触面积大，反应效率高。
可通过增加光学纤维数量提高反应器的三相接触面积，避免了其它反应器所具有的诸如占地面积大、有效反应体积小等缺点。
但光学纤维及其辅助设备造价太高，限制该反应器的推广应用。
5 反应器的设计以层流降膜(L FFF) 悬浊液光催化氧化反应器为例[11]，设计步骤如下：①灯的选择：灯源必须能够提供具有半导体带隙能的光子,TiO2的带隙能是3. 2 eV ，可以用发射380 nm 波长或者较短波长的灯作为辐射源。
“黑光”灯管的内壁覆盖有铈激活的Ca3 ( PO4) 2，该灯能发射300～410 nm 连续的宽波带的光,并在355 nm 处有一个峰值,因此L FFF 光催化氧化反应器选用了黑光灯。
②反应器的几何形状及结构：反应器采用与灯同样的圆筒形状。
液膜沿着带灯和反应器中心轴的外壁流下，或沿着灯安装中心轴柱的内表面流过。
后者的结构可以不加反射器，使光子的利用最优。
③反应器尺寸的确定：反应器尺寸对光子吸收率的影响可通过假设一个辐射源模式进行分析，对于长径比较大的灯可以用线型辐射源模式。
尽管各种光催化氧化反应器还存在许多问题，如反应器的光照面积与溶液体积的比率（A/V）是影响处理效果的重要因素；还有A/V值越大，反应速率越快，导致占地面积增加或水力负荷减小。
但只要不断研发相关的新技术、新材料，高效廉价大型反应器将会很快问世。
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