光催化氧化反应器的研究进展

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涡流盘反应器k³ ¬ ±± ¬ ±ª ¬ ¶ ¦ ¨ ¤ ¦ · ² µo
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中国给水排水
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度的控制 o 在目标化合物和光催化剂间能实现良好 的接触 ∀ 试验过程中采用了两种不同类型的流化 一种是 的典型类型 o 另一种是内部带有导 床o 流 管 的 k µ ¤ © · ¸ ¥ ¨ ¯¸ ¬ § ¬ ½¨ § ¨ § ¨ ¤ ¦ · ² µo
型o 并可设反射面以提高光能的利用率 ∀ 如薄膜固 定床反应器 k l 双层板反应器 k l 及抛 物线形槽反应器k l等 o 具体见表 t| ∀
光式和非聚光式两种 ∀ 聚光式反应器要求具有高光
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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

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为进一步降低出水 ¬ 可采 x °ª ¬ ur~ u 浓度 o
解的研究及实际废水的处理 o 并取得了一些成果 o 但 为此研究人员从不同的 o 角度对如何提高光催化氧化反应器的效能及实用性
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光催化氧化反应器的结构形式
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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 o 二是光催化剂
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还研究了另一种新型曝气阶梯式
表
光化反应器k¨ 体 µ ¤ · ¨ § ¤ ¶ ¦ ¤ § ¨ « ² · ² µ ¨ ¤ ¦ · ² µo l o
项目 薄膜固定床反应器k l
三种形式的太阳能催化反应器比较 双层板反应器k l 抛物线形槽反应器k l
水银灯l的光催化氧化进行了研究 ∀ 流化床反应器 能更好地利用光源 o 易于实现对温 具有这样的优点 }
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关键词 } ¬ u ~ 光催化氧化 ~ 光反应器 ~ 溶解氧 中图分类号 } zsv q 文献标识码 } 文章编号 } tssห้องสมุดไป่ตู้ p wysukusswlsw p ssvw p sw t
¶的几何结构对光催 l ∀ 试验结果表明 }
现了阶梯式反应器可以增强传质以及曝气可以将空 气中的氧作为氧化剂的特点 ∀ 它是采用德国达姆施 塔特 ϕ «° 股份有限公司生产的透明丙烯酸有机 玻璃k l制成的双片层渠道系统 k 通过在渠道末端交替地进行钻孔使得 tyryss p vul o 反应器内的水流以曲流方式流动 o 并在每个渠道的 层底安装多孔曝气管以提供气流 o 加强悬浮液的混 合程度 ∀ 这样每一个曝气的渠道都起到了一个小搅 拌池反应器的作用 o 并与其他渠道相结合构成了一 个高效率的阶梯式反应器 ∀ 可以在 s ∗ |sβ之 间进行安装 o 以优化水力状态并获得最佳的太阳光 照射 ∀ 对典型化合物二氯乙酸 k l 的降解 曝气不仅可以保持催化剂的均一分布而 试验表明 o 且还能够加速光催化反应 o 在日光灯或太阳光的照 射下比薄膜固定床反应器 k « ¬ ± p ¬ ¯° ¬ »¨ §p ¨ § ¨ ¤ ¦ · ² µo l 的降解率高 v ∗ tv 倍 ∀ 已成 功地用于经过生物预处理的纺织工业废水和洗车废 水的处理中 ∀ 杨阳等{ 设计了一种新型的浅槽型填充床光
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l ∀ 在此反应器内光催化剂被负载在旋转的圆
盘表面 o 当废水从此流过时形成一个薄的放射状紊 从而提高了有机污染物向催化剂表面的传 流液膜 o 质速率 ∀ 将 用于 w p 氯酚和水杨酸的降解过 程中发现 o 低压水银灯k放电峰值为 uxw ±°l比中等 压力的水银灯 k放电峰值为 vyx ±°l更加有效 ∀ 进 一步的研究表明 o 低压灯照射所获得的这种较高的 光催化反应效率与所处理有机化合物的性质无关 o 即对各种有机化合物的降解都能表现出这种能力 ∀
利用对反应效率的影响 o 并列举了设计实例 ∀
光催化氧化反应器的设计远比传统的化学反应 除了涉及质量传递与混合 反应物与催化剂 器复杂 o 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 o 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 同时也暴露出许多问题 开展了大量的工作 ∀

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非聚集太阳光系统的比较 ∀ 由于较小的照射表面积
采用线源的球形发射模式 o 入射辐射区域由下 式给出 }
Ιρ
Ζ
Σ wΠ
Θ
κ
ξ
Λ
¨p ΛΒ §ξχ ρ n k ζ p ξχlu
u
ktl
lon
Β kt p Ρ ρ uΠρ ¯Ι º
ρu n
ζ p ξχlu tru
式中
Σ
ρλ
灯半径 灯壁上的辐射强度 是在反应器内被吸收的入射辐射
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光催化氧化反应器的研究进展
常 颖 o 王宝贞 o 王 琳o 缪 佳
k哈尔滨工业大学 市政环境工程学院 o 黑龙江 哈尔滨 txss|sl
摘 要 } 详述了光催化氧化反应器的结构及催化剂存在形式 运行影响因素 太阳光能源的
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学精密度的反射镜 o 费用昂贵 o 而且设计复杂 o 并且 它仅利用了 照射的直射光部分 ∀ 而非聚光式反 应器既利用了 照射的直射光又利用了散射光 o 而且不需要昂贵的反射镜 o 结构简单 o 因此有着更大 的发展潜力 ∀ 复合抛物线形聚光器k²°³ ²¸ ±§ ¤ µ ¤ ¥ ² ¯ ¬ ¦² ¯
²² ¶ ¨ ²® 等y 采用流化床反应器k¯¸ ¬ § ¬ ½¨ § ¨ § ¨ ¤ ¦ · ² µo l对甲基橙在弱照射条件下ktx 低压
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 x ª 通过沉淀 r ³ 在零电荷点附近时 o 在沉 作用可以对 ¨ ¸ ¶ ¶ ¤ ux ¬ u 实现高效分离 ~ ª 淀池内添加斜板可以减少沉淀面积 o 确保出水浓度
¯ ¨ ¦ · ² µo lts 是使反应管的表面不但具有均匀的
而且还具有扩散辐射 o 因此能够最大限度 镜面反射 o 地利用照射在上面的太阳光 ∀
¤ µ µ ¤ 等tt 针对不可生物降解的氯代烃类溶剂 k l及 ³ p 进行了不同程度聚集太阳光和
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图
辐射源模式的几何尺寸
光效率 能利用地球上总的 辐射 ~ 能利 用 地 球 上 总 的 辐 射 ~紊 流 状 能实现氧向液膜 的 有 效 转 移 ~不 高~ 紊流状态 o 无传质的限制 ~ 几乎是 闭 路 优点 无传质的限制 ~ 几乎是闭路系统 o 不 态o 需要从 净 化 水 中 分 离 ¬ u ~结 构 简 不存在污染物的挥发 系统 o 结构简单 ~ 投资少 存在污染物的挥发 ~ 单~ 投资少 层流状态而限制传质 ~ 存在挥发性污 大水量废水的处理需要 染物的挥发 ~ 缺点 不能防止催化剂的 大的催化剂面积 ~ 污染和经受天气变化的影响 只能利用直射的 辐射 k最大为地球 光效率低 ~ 需要从净化水中分离 ¬ u ~ 两轴 k方位角和高程 l 太阳光的 xs h l ~ 需 要 注 入 氧 o形 成 气 泡 ~需 要 添 加 太阳跟踪系统 ~ 光效率低 ~ 需要注入氧 o 大水量废水的处理需要大的反 u u ~ 形成气泡 ~ 需要添加 u u o 如果系统过 应器面积 热将导致泄漏和腐蚀 o 投资大
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Ιº
传送系数
t
的分数 }
Αn t u nt u Β Β Αp t u n t t u u Α Η Λ Β Λ Ρ

提高 ∆ Ο 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
可抑制表面光生电子和空穴的复合 o 提高 剩的电子 o 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 o 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 o« ¤ ± 等z 设计 体现了完全 ¬ ¦ « ¬ ± ¬ ¯° ¤ ¶ ¦ ¤ § ¨¨ ¤ ¦ · ² µo l o 混合式和推流式反应器的优点 ∀ 反应器的设计是采
化氧化反应的影响是可以忽略的 ~ 反应器内气体的 供给 o 不但可以用于催化剂颗粒的流化 o 而且还可以 消除光生电子 o 提高反应效率 ~ ³ 值是确定反应速 率的一个重要参数 o 在酸性条件下更有利于甲基橙 的降解 o 反应物的初始浓度越高将会减少光的穿透 o 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 o 从而使催化剂的存在不对光的照 射产生屏蔽效应 ∀
¤ · °¤ ½ 等x 设计了一种新式的 ¬ u 光催化氧
降解分别进行了悬浮式 ¬ u 和固定式 ¬ u 液膜反 结果表明 }与 应器 k¯²º ¬ ¯° ¨ ¤ ¦ · ² µo l 研究 o 固定式催化剂反应系统相比 o 悬浮式系统能够获得 更高的 降解率 o 达到了固定式系统的 v 倍 o 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 o 如果能够通过固r液分离技术实现 ¬ u 颗粒与处理水的分离及回收利用 o 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 o¬ 等
从而获得较高的反应速率 ∀ 的浓度 o 是化工工业的生 k一种不可生物降解的化合物 o
实现了 ¬ 产染料l的工业应用中 o u 与处理水的分
并申请了一项 ¬ 离及回收利用 o u 快速沉淀工艺过 程的专利 ∀ 研究人员一直试图采用不同的工艺运行形式来 提高固定式系统内污染物向催化剂表面的传质速 率o 使其既能与悬浮式系统相媲美 o 而又无需进行催 化剂的分离 ∀
网
颗粒固定在载体上 k如反应器壁或尼龙丝网等l o 据 此可将相应的反应器形式称为悬浮式和固定式 ∀
筑龙
¨ ¬ ¶ ¨ ± 等u 针对典型化合物二氯乙酸k l的
lon
化反应器
用微波技术同时实现 ¬ u 和病菌的完全截留 ∀ 此 外o 膜对高分子物质的截留将增加其在光反应器内
¯ ¤ ±¦ ¨ ² 等w 在 进 行 非 均 质 催 化 剂 降 解 ³ p
按照光源照射方式的不同可将光反应器分为聚
lon
采用不锈钢曝气网实现了高效无动力 催化反应器 o
曝气 o 并且在浅槽内交错地安置挡板 o 显著地改善了 传质 o 从而提高了光催化反应的效率 ∀ 此种新型曝
加强了废水与光催化剂间的 反应器中的水流状态 o 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 o 易于实现 工业化应用 ∀
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了一种新型薄膜阶梯式光催化反应器k«² · ²¦ ¤ · ¤ ¯¼·
用阶梯式的平板排列方式代替单层的平板结构 o 当 从而促进了液膜的曝气 o 同时紊流作用也加强了液
反应液从一个平板落到另一个平板时形成了跌水 o
网
膜内有机污染物向催化剂表面的传质 ∀ 在提高液体
筑龙
溶液 ∆ Ο 水平的研究中发现 o 阶梯式反应器的运行 情况好于单层平板反应器的运行情况 ∀ 此外 o¬等
致使聚集太阳光照射的抛物线形槽反应器 k l的 而 聚光系统的降解速率约是抛物线 活性较低 o 形聚光器的 v 倍 ∀ 两个反应器对 ³ p 的去除率 为 tss h o 但 和 反应器所能达到的矿化程 这说明光解过程中中间体的 度分别为 xx h 和 zv h o 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 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 ∀