光催化反应器的设计
光催化反应器尺寸计算
光催化反应器尺寸计算光催化反应器尺寸计算1. 引言光催化反应器是一种使用光能催化化学反应的装置，广泛应用于空气净化、水处理、有机废气处理等领域。
在光催化反应器的设计过程中，尺寸计算是非常重要的一步，它直接影响反应器的效果和经济性。
本文将介绍光催化反应器尺寸计算的基本原理和方法，并结合实例进行详细说明。
2. 光催化反应器的基本原理光催化反应器是利用光合催化剂对光能的吸收与利用，使反应物得到活化，从而加速化学反应的进行。
光催化反应器主要由反应室、光源、光合催化剂和气体或液体介质组成。
光合催化剂通常是光敏性半导体材料，如二氧化钛（TiO2）。
当光敏材料吸收光能后，产生电子-空穴对，并通过电子传递和电子转移等过程参与催化反应。
3. 光催化反应器尺寸计算的基本原理光催化反应器尺寸计算包括反应室的选择和尺寸的确定。
反应室的选择主要考虑材料的透明性和光学性能，以确保光能的传输和利用效率。
尺寸的确定涉及反应器的体积、比表面积、光照强度、气体或液体流速等参数的计算。
3.1 反应器体积的计算反应器体积的计算通常根据反应液体或气体的流速和停留时间确定。
对于流速较大的情况，可采用楔形反应器，而对于流速较小的情况，则可采用圆柱形反应器。
体积计算公式如下：V = Q × t其中，V为反应器体积，Q为反应物的流速，t为停留时间。
3.2 反应器比表面积的计算反应器比表面积的计算主要涉及光敏材料的载体和反应室的设计。
光敏材料的载体应具有高比表面积，以增加光敏材料与光线的接触面积。
反应室的设计应尽量减小反应物的扩散距离，以提高利用率。
比表面积计算公式如下：A = V / Vm其中，A为反应器比表面积，V为反应器体积，Vm为光敏材料的体积。
3.3 光照强度的计算光照强度是指单位面积上光的能量流量，通常以瓦特/平方米表示。
光敏材料的吸光能力和光照强度的衰减与反应器效果息息相关。
光照强度的计算可以根据光源的辐射特性确定，也可以通过实验测定得到。
高转化率气固相CO2还原光反应器设计与应用研究
第4卷㊀第1期2023年8月新能源科技New Energy TechnologyVol.4,No.1August,2023㊀基金项目:国家自然科学青年基金(52003121,2220081350)㊂㊀作者简介:陈啸(1986 ),女,江苏徐州人,副教授,博士;研究方向:微化工技术㊂㊀∗通信作者:于超(1987 ),男,江苏常州人,教授,博士;研究方向:微化工技术㊂高转化率气固相CO 2还原光反应器设计与应用研究陈㊀啸1,刘丽恬1,鲁啸宇2,何嘉伦1,李云龙1,于㊀超1∗(1.江苏科技大学环境与化学工程学院,江苏镇江212100;2.中化石化销售有限公司,上海200120)摘要:近年来,全球能源危机和环境问题已经成为重大挑战,而过度使用化石燃料是导致这些问题的主要原因之一㊂为了解决能源短缺和过量CO 2排放问题,太阳能驱动下的光催化CO 2还原被认为是有效的策略之一㊂为了提高二氧化碳光催化还原的效率,文章通过回顾气固相光反应器的发展过程,对光催化CO 2还原的基本机制和光反应器设计进行了分析,并总结了其优势和不可避免的局限性㊂通过剖析不同类型的光反应器结构及其操作动态,可以对数据收集和分析提供指导,以便探索其增长轨迹和未来可能性,为实现碳中和目标提供启示㊂光催化CO 2还原技术作为一种可持续且具有潜力的解决方案,将在实现这一目标的过程中发挥关键作用㊂关键词:光反应器;气固相;二氧化碳还原;光催化中图分类号:O643.32㊀㊀文献标志码:A0㊀引言㊀㊀近年来,工业发展导致二氧化碳(CO 2)排放量激增,加剧全球变暖导致气候异常,并伴随着频繁的海洋风暴,荒漠化加剧等恶劣影响[1]㊂减少CO 2排放量并合理利用CO 2已成为解决环境问题的当务之急,其中将CO 2转化为高附加值产品被认为是有前景的解决方案之一㊂文献[2]通过光激发GaP 电极将水溶液中的CO 2转化为CH 3OH,开创了光催化CO 2还原的新方向㊂光催化技术利用免费且丰富的太阳能实现CO 2转化,以环保和节能的优势引起了研究者们的密切关注㊂然而,目前CO 2光催化还原的产业化遭遇到转化率低,选择性差和低于标准的能源效率的发展瓶颈[3]㊂光催化CO 2还原过程大致可分为均相和多相法㊂在非均相工艺中,CO 2直接与催化剂界面,与均相工艺相比具有明显的优势㊂然而,尽管具有理论优势,但迄今为止气固相光催化CO 2还原的性能仍不足以满足工业需求㊂因此,研究人员开始转向设计高效率的光催化反应器,以实现光催化CO 2还原的性能突破[4]㊂气固光催化反应器是光催化工艺的核心设备,设计和应用在实现有效的CO 2还原方面起着至关重要的作用㊂优异的反应器设计不仅可以提高太阳能的利用率,还可以加快反应速度㊂本文首先阐明了光催化CO 2还原的机理和反应器的性能评价标准㊂然后介绍不同类型的气固相光催化反应器,如图1所示,包括 地毯 式平铺反应器㊁ 煎饼 型薄膜反应器㊁ 牙签 型光纤反应器㊁蜂窝 反应器和 三明治 型板式微反应器㊂在最后一部分中,将讨论气固相光催化CO 2还原反应器的未来发展和挑战,并提出前瞻性观点㊂图1㊀气固光催化反应器的分类1㊀光催化CO 2还原的基本原理㊀㊀CO 2的C =O 具有750kJ /mol 的强键能,表现出分子惰性㊂在阳光下稳定,这使得直接激活CO 2成为一项挑战[5]㊂CO 2活化对于氧化还原反应至关重要,因此需要引入具有适当能带结构的催化剂进行CO2光催化还原[6]㊂当光催化剂暴露在光下时,电子将被激发从价带跳到导带,导致在价带中产生等数量的空穴㊂在气固反应中,吸附在催化剂表面的CO2与光生电子结合生成C1和C2产物㊂表面的空腔与吸附的水蒸气反应,通过氧化反应产生O2或羟基自由基㊂CO2光催化还原的机理可分为5个步骤㊂(1)光激发:根据催化剂的能带结构选择适当波长的光源,催化性能会受到波长和功率的影响㊂(2)光生电子空穴的分离和转移:当入射光的能量超过光催化剂的带隙时,电子将从价带跳到导带,产生电子空穴㊂然后将电子空穴转移到催化剂表面以参与氧化还原反应㊂(3)CO2吸附:CO2的吸附过程是CO2还原的前提,CO2通过C或O配位吸附在催化剂表面[7]㊂光催化剂的结构改性可以调节催化剂与CO2的配位模式,提高产物的选择性㊂合理的反应器设计可以进一步扩大催化剂与CO2的接触面积,从而提高CO2的吸附性能[8]㊂(4)表面CO2还原反应:电子通过跳跃分离并输送到催化剂表面,与吸附的CO2和H+反应㊂碳产物的合成将根据所用催化剂的类型而有所不同㊂(5)产物解吸:如果产物解吸不及时,会发生催化剂中毒,影响催化剂的活性和选择性㊂最终的CO2还原效率受到上述所有5个过程的影响[9]㊂2㊀气固光反应器的发展进程2.1㊀光反应器性能评价㊀㊀迄今为止,对于光反应器性能评价指标已经提出了包括催化性能㊁传质效率㊁通量㊁能效和设计成本等多个参数[10]㊂这些指标构成了设计卓越性能反应器的理论基础㊂在CO2光催化还原过程中,光反应器起着重要作用,反应器的设计对传质速率㊁光分布和反应面积有重大影响[11]㊂在固液模式下,通常向反应器中加入液态水和催化剂,然后通过鼓泡将CO2注入反应器中,以进行CO2还原㊂但这种方法会加剧析氢反应的发生,从而影响CO2的还原性能㊂在气固模式下,CO2和水蒸气在进入反应器之前混合,或者在板上放置催化剂并在底部加入少量水[12-13]㊂水蒸气和CO2参与CO2还原反应㊂气固反应器的使用提供了更快的传质速率,增强了产物分离,并适当抑制了竞争反应,所有这些都提高了CO2还原性能㊂2.2㊀气固光反应器的进展㊀㊀文献[14]使用由圆柱形石英管组成的 地毯 反应器,在室温下用CO2饱和水蒸气进行光催化实验, 地毯 反应器中的反应可以具有更高的接触面积和吸附能力㊂文献[15]于1977年首次提出使用光纤进行光传输并作为光催化剂载体㊂这种 牙签 反应器对轻传质的抵抗力很小,更有利于光催化反应的发生㊂文献[16]2008年首次报道了使用 牙签 反应器在气相中将CO2光还原为碳氢化合物㊂光纤可以使光均匀分布在催化剂表面,大大提高光子透射率,这是光反应器产业化向前迈出的一步㊂与 牙签 反应器相比, 蜂窝 反应堆具有更大的比表面积和量子效率,并且压力降低,因此可以更有效地利用光能㊂文献[17]2011年设计了一种内部照明的 蜂窝 反应器,嵌入了用于光催化还原CO2的光纤㊂对纤维进行雕刻以增强光反射,进一步提高了 蜂窝 反应器中光的利用率,多通道结构大大提高了催化剂负载和CO2还原效率㊂一些研究人员在反应器中将催化剂制备成薄膜,在此称为 煎饼 反应器㊂例如,文献[18]2012年在反应器底部放置了一层双金属合金催化剂膜,膜周围有微量的水㊂在室温下使用来自反应器顶部的模拟太阳光照射进行CO2光催化还原㊂考察了不同含量Cu-Pt双金属的催化性能,结果表明Cu0.33-Pt0.67是CO2光催化还原中活性最高的Cu-Pt/ TiO2系列催化剂㊂3㊀气固光反应器的种类3.1㊀ 地毯 反应器㊀㊀在该类反应器中,催化剂要么放在支撑材料板上,要么直接放置在底部㊂被称为 地毯 反应器,因为其可以像地毯一样任意改变瓷砖的表面积和厚度㊂ 地毯 反应器操作方便,催化剂面积易于控制,受到研究人员的青睐㊂例如,文献[19]采用浸渍法制备了In-TiO2/g-C3N4系列催化剂,并在密闭气固反应器中进行光催化反应㊂结果表明:紫外光下CO2还原的主要产物为CO㊁CH4和C2H4;在可见光下,主要产生CO和CH4㊂文献[20]使用 地毯 反应器,其实验装置如图2所示㊂CO2通过充满水的饱和器流入 地毯 反应器㊂以400W Hg灯为光源,辐照功率密度保持在140W/m2,选择水作为牺牲剂,环保㊁无毒㊁价格低廉㊂ 地毯 反应器提供了一种无毒且高性能的CO2光还原方法㊂图2㊀CO2光还原实验装置[20]对于CO 2光催化还原反应,催化剂的类型对产物的选择性有一定的影响㊂在固液模式下,反应更倾向于还原水产生H 2,而 地毯 反应器中的气固反应更有利于CO 2还原㊂文献[21]研究了不同反应模式对CO 2光催化还原性能和选择性的影响㊂根据CO 2还原反应的特点,改进了反应方式㊂在联合反应模式下,CO 和CH 4的产率均优于气固模式㊂这种新的反应方式不仅使光催化剂与CO 2充分接触,避免了催化剂与液态水的直接接触,提高了CO 2的吸附性,抑制了水的吸附,而且为CO 2还原提供了强大的还原剂,增强了光催化还原性能㊂3.2㊀ 煎饼 反应器㊀㊀薄膜反应器是在板状材料上制成薄膜负载的催化剂,例如不锈钢板㊁玻璃板或石英板,装载方式类似于煎饼在盘子上的排列方式,因此得名 煎饼 反应器㊂在 煎饼 反应器中,催化剂装填方便且气体与固体之间的传质扩散较高,但存在接触面积有限的问题㊂文献[22]使用了两种不同的 煎饼 反应器,如图3所示㊂当使用小辐照度(40~60W /m 2)时,反应时间和温度会影响甲烷的产生㊂当使用大辐照度(60~2400W /m 2)时,发现只有辐照度对甲烷产量有影响,低辐照度更有利于增加甲烷产量㊂通过反应器设计和实验条件的改进,会影响CO 2光催化还原的转化率和选择性,从而找到最合适的反应器和反应条件㊂文献[23]在 煎饼 反应器中进行连续CO 2还原㊂制备的TiO 2-NafionTM 基膜催化剂用于CO 2转化为甲醇,在2bar 的进料压力下反应获得了45μmol /g ㊃h 的较高甲醇收率㊂充分利用了 煎饼 反应器:有效地减少了催化剂的积聚,允许与光源完全接触,并避免与水直接接触,从而抑制析氢反应㊂图3㊀ 煎饼 反应器[22]文献[24]将溴引入COF 中,并选择TAPP 和2,5-二溴-1,4-苯二甲醛通过溶剂热法合成卟啉基COF(TAPBB-COF)㊂溴的共轭效应会促进电子离域,提高光催化性能㊂结果表明,溴官能团的引入可以改变价带位置,12h CO 收率达到295.2μmol /g,稳定性好,选择性达95.6%㊂本研究首次利用溴元素促进水作为离子供体在不添加额外物质的情况下提高CO 2还原性能,为催化剂的改性提供了新的思路㊂ 煎饼 反应器因其简单的设计而受到青睐,主要用于气固相催化反应㊂在气固相中具有优异的扩散和传质能力,操作方便,但反应物与催化剂之间的接触面积有限㊂CO 2从煎饼反应器的一端流入,与负载在反应器底部或板上的薄膜催化剂接触反应,并在另一端流出反应器㊂通过及时将产物从反应器中吹出,可以加快CO 2还原的反应速率和效率㊂3.3㊀ 牙签 反应器㊀㊀报道的用于气固相CO 2光催化还原反应的反应器大多是 地毯 反应器和 煎饼 反应器,因为两者操作简单方便㊂然而,实际应用受到光利用效率低和传质效率差的限制㊂1977年,文献[25]首次提出使用光纤作为催化剂载体来提高光的利用率㊂光纤反应器是一种专门设计用于光催化反应的反应器㊂这种反应器以光纤为载体,具有反应表面积大㊁透光效率高㊁传质损失小等优点㊂但是,光纤容易断裂,热量积聚导致催化剂失活,光纤的长度和催化剂的厚度对透光性有影响㊂因此,光纤反应器在工业上的应用受到限制㊂光纤反应器由数百根细长光纤组成,从外观上看,就像许多放在盒子里的牙签,所以将其命名为 牙签 反应器㊂文献[25]从光纤上去除聚合物屏蔽层,得到石英纤维,然后将其浸入Cu /TiO 2溶液中,反应体系如图4所示㊂处理后得到负载Cu /TiO 2的光纤,将约120根光纤组装成 牙签 反应器㊂使用汞灯从石英窗照射,以冒泡的方式将CO 2与水蒸气引入㊂在这项研究中,将催化剂涂覆在玻璃板上,以比较 煎饼 和 牙签 反应器的催化性能㊂实验结果表明,在365nm 紫外光照射下, 牙签 反应器中的甲醇收率高于 煎饼 反应器中的甲醇收率,收率为0.46μmol /g㊃h㊂与 煎饼 反应器相比, 牙签 反应器具有相当高的光利用率,可以有效地传播光能,在光催化应用方面具有广阔的前景㊂图4㊀ 牙签 反应器[25]牙签 反应堆中光能的设计和传输方式与传统光反应堆不同㊂文献[26]首先报道了在 牙签 反应器中使用Cu-Fe/TiO2来还原甲烷和乙烯,将其与 煎饼 反应器进行了比较㊂光源沿光纤进入,在75ħ时发生还原反应,乙烯的收率提高了一个数量级㊂在相同的光源条件下,增加光纤的数量可以提高量子产率㊂通过优化反应器设计,可以充分利用光能,提高量子产率,增强光催化性能,提高产品产率㊂ 牙签 在反应器中通过光纤传输可减少光到催化剂的误差,光催化反应的量子产率增加,反应器和反应气体对光的吸收和散射减少,催化剂包裹在纤维上,可以获得更好的催化剂分散和减少传质限制㊂ 牙签 反应器广泛用于空气净化㊁去除气态有机污染物或减少二氧化碳㊂光的入射角㊁纤维的长度㊁纤维的数量和催化剂的厚度都会影响 牙签 反应器的催化性能㊂缺点是使用光纤作为催化剂载体,光纤过于脆弱,容易断裂,热量积累容易使光催化剂失活,阻碍催化反应㊂同时, 牙签 反应器操作不方便,光纤不易超长,费用相对较高㊂因此,该反应器在CO2还原方面无法大规模应用,仍有许多问题需要解决㊂3.4㊀ 蜂窝 反应器㊀㊀研究人员提出使用蜂窝陶瓷进行催化反应,蜂窝陶瓷是多孔工业陶瓷,热膨胀慢㊁隔热性好㊁比表面积大,这种类型的反应器称为 蜂窝 反应器㊂ 蜂窝 反应器由于其特殊配置,具有非常低的压降,可以提供高流速㊂蜂窝结构的比表面积是相同尺寸的其他催化剂载体的10~100倍,大大提高了有效反应面积,提高了催化性能㊂对于气固相光催化CO2还原, 蜂窝 反应器使CO2与催化剂之间的接触面积最大化,并将光纤插入其中以克服光穿透的阻碍㊂文献[17]使用直径为4cm的蜂窝状陶瓷,由170个通道组成,并用合成的InTaO4溶质涂覆整个陶瓷㊂然后用Ni(NO3)2溶液浸渍制备了不同Ni含量的NiO/ InTaO4催化剂㊂结果表明, 蜂窝 反应堆的量子效率明显高于 牙签 反应器,可以有效利用光子能量㊂将光纤和蜂窝陶瓷组合而成的 蜂窝 反应器有效提高了CO2的光催化性能㊂文献[27]设计了一种直接太阳能接收器反应堆㊂将两种不同类型的催化剂整体,管状石英和氧化锆泡沫,制造并组装到 蜂窝 反应器中,以比较它们在光催化还原CO2方面的性能㊂该反应器设计的基本原理是促进同时发生太阳能光化学和热化学反应㊂在这项研究中,反应堆充当光学腔,通过太阳模拟器收集光源,以增加腔内光子吸收概率㊂反应器包括径向和切向流入口,切向入口有助于产生感应涡流㊂在出口处的多个端口进行温度和CO2浓度检测,实验设置如图5所示㊂比较两种催化剂整体,虽然管状石英的催化剂负载量比泡沫氧化锆小4倍,但CO2收率却高4倍㊂选择合适的催化整体可以有效提高光利用率,并在最小的催化剂负载下实现出色的产率㊂因此,在反应器的设计中需要找到合适的载体㊂未来的研究人员需要对化学机理和动力学进行更深入的研究,以充分了解并能够辨别CO2还原过程中光和热对反应的贡献㊂图5㊀ 蜂窝 反应器的实验流程[27]蜂窝 反应器的结构仍值得进一步研究和改进㊂文献[28]提出了一个填充透明固体玻璃球反应器的模型,在光纤㊁整体和玻璃球的表面上涂有光催化剂,以提高光利用效率,同时保持反应器的中心对称结构㊂本研究为CO2光催化反应器的发展与创新提供了新思路㊂文献[29]将 蜂窝 反应器与抛物面槽式浓缩器相结合,有效提高了光利用率,扩大了光捕获面积,增强了CO2的光催化性能㊂在本研究中,通过在垂直侧增加通道来改善反应器内部,以减少压降并提高传质效率,如图6所示㊂测试表明,与传统蜂窝反应器相比,反应器平均产物浓度提高了3个数量级,达到1.85ˑ10-4mol/m3,具有高亮点效率和高反应密度㊂该反应器设计将 蜂窝 与抛物面槽式浓缩器相结合,以恒定的催化剂质量有效提高了光利用率,并增加了垂直通道以提高传质效率,从而形成了具有优异催化效率的 蜂窝 反应器结构㊂图6㊀ 蜂窝 反应器[29]3.5㊀ 三明治 反应器㊀㊀与液固微反应器相比,气固体系可以更好地控制催化剂与CO 2和水蒸气的接触时间,最大限度地减少二次反应或析氢竞争反应㊂目前报道的气固模式光流控微反应器大多是平面微反应器㊂反应器中装有一层薄薄的催化剂,结构与夹层结构相似,因此将其命名为 三明治 反应器㊂结合光学和微流控的优点,光流控 三明治 反应器比其他反应器更有效,具有精细的控制能力,因此推断 三明治 反应器可以提高光催化CO 2还原的效率㊂文献[30]制备了用于 三明治 反应器的Cu 改性1D TiO 2薄膜,如图7所示㊂反应器采用复制成型法和标准光刻工艺制备而成,盖板材料由聚二甲基硅氧烷(PDMS)制成,具有优异的化学稳定性和透光性,广泛应用于微反应器的制备㊂将制备的催化剂薄膜放置在玻璃基板上,并在反应器腔内组装到总体积为117mL 的 三明治 反应器中,该反应器使用黏合剂进行防漏㊂在反应器的入口和出口处,分别设计了4个分支形微通道,使气体均匀地填充在反应器中并与催化剂充分接触㊂采用 三明治 反应器研究不同CO 2流速对还原性能的影响:当CO 2流速提高时,产品的产量先增长后下降㊂在缓慢流速下反应速率缓慢,当反应速率较高时,气体在反应器中的停留时间较短,不利于催化反应㊂图7㊀ 三明治 反应器的设计与示意[30]文献[31]结合TiO 2和Cu x O 构建高性能Z 型异质结光催化剂,并引入碳纳米管制备Cu x TiO 2C 光催化剂,用于测试 三明治 反应器中的光催化CO 2还原性能㊂实验设置是一个24ˑ24mm 的反应器,底部有玻璃板,催化剂负载在玻璃板表面㊂对于气固体系,连续流反应器比间歇反应器更合适㊂本研究的反应器设计简单,操作方便,CH 4的产率在实验中仅使用低功率LED 达到117μmol /g㊃h㊂三明治 反应器反应体积小㊁比表面积大㊁反应时间快㊂因此,在传热过程中,传热效率将得到提高㊂与其他反应器相比,热量积聚最小,反应过程中传热加速,反应温度可精确控制,避免局部过热㊂使用连续流进料可以精确控制反应时间,并减少产品的积累和副反应的发生㊂微反应器有多种类型,可以通过扩大平行管道的数量来实现平行放大㊂具有良好的安全性和可控性,节省了反应时间和经济成本㊂然而,微反应器的应用仍存在一定的问题㊂由于通道狭窄,催化剂容易堵塞,反应可能不足㊂应根据反应选择合适的微反应器类型㊂与传统反应器相比,微反应器的成本更高,其普及性相对有限㊂微反应器通过工业技术的合理设计和不断优化,可以在工业生产中发挥重要作用㊂4 结语㊀㊀综上,本文开创性地对气固相光催化二氧化碳还原的反应器进行了分类和命名,并强调了它们各自的特点㊂其中, 地毯 反应器由于其结构简单㊁操作直观,被广泛开发和应用㊂然而,它的光利用率不足,光分布有限㊂ 煎饼 反应器通过改变催化剂的负载方式,将粉末转变为薄膜而不是直接平铺㊂该方法通过减少催化剂的聚集并减小扩散阻力来实现㊂使用 牙签 反应器和 蜂窝 反应器,可以显著提高光利用率,并且能够达到较高的反应速率和传质速率㊂在与其他4种反应器进行比较时,可以发现 三明治 反应器的体积最小,配置相对简单,同时具有较高的质量和传热能力,更适用于未来二氧化碳的减排应用㊂尽管光催化可以将二氧化碳还原为高附加值产品,并在一定程度上缓解能源与环境问题,但目前的研究仍处于实验室阶段,难以满足实际工业需求㊂未来的研究应集中在以下几个方面,以实现真正的应用㊂(1)优化反应器配置:可以通过反应器设计优化来促进传质,防止催化剂失活,从而提高工艺性能并节约工艺成本㊂(2)与可再生能源相结合:目前的研究很少实际使用太阳光作为光催化还原反应的光源,大多数使用模拟太阳光㊂通过将气固相光催化技术与太阳能结合,可以减少对环境的影响,并提升该过程的可持续性㊂(3)工业放大和商业化:对于未来的研究来说,应该专注于增加其在工业应用和经济效益方面的潜力㊂开发创新反应器设计,优化反应条件,并探索新的市场机会都是必要的㊂综上所述㊂在未来的研究中,应该专注于设计高效稳定的光催化剂㊁优化反应器配置,并且将其与太阳能的利用整合,以促进其扩大规模并商业化㊂未来将会有许多类型的新型反应器出现,这些反应器能够满足实际的工业需求,并且对解决环境问题做出重大贡献㊂[参考文献][1]ZHANG F ,LIU F ,MA X ,et al.Greenhouse gasemissions from vegetables production in China[J]. 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光催化氧化法简介
光催化氧化法简介光催化氧化法是近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。
玻璃仪器在光催化反应器设计中的应用考核试卷
18. ABC
19. ABC
20. AD
三、填空题
1.催化剂的固定
2.高硼硅玻璃
3.光学
4.光散射
5.热膨胀系数
6.玻璃纤维增强
7.波长
8.光学抛光
9.石英玻璃
10.玻璃材质
四、判断题
1. ×
2. ×
3. ×
4. ×
5. √
6. ×
7. √
8. ×
9. ×
10. √
五、主观题（参考）
1.玻璃仪器的选择主要考虑因素包括光学性能、化学稳定性、热稳定性和机械强度。这些因素影响光催化效率，例如，高透光率可提高光照效果，良好的化学稳定性可保证长期使用，热稳定性影响反应温度控制，机械强度则关系到反应器结构安全。
9.玻璃仪器的表面粗糙度对光催化效率没有影响。（×）
10.在光催化反应器中，玻璃仪器的紫外线透过率越高，光催化效率越高。（√）
五、主观题（本题共4小题，每题5分，共20分）
1.请阐述在光催化反应器设计中，玻璃仪器选择的主要考虑因素，并说明这些因素如何影响光催化效率。
（）
2.描述玻璃仪器在光催化反应器中的光散射效应，并分析其对光催化反应的利弊。
玻璃仪器在光催化反应器设计中的应用考核试卷
考生姓名：__________答题日期：__________得分：__________判卷人：__________
一、单项选择题（本题共20小题，每小题1分，共20分，在每小题给出的四个选项中，只有一项是符合题目要求的）
1.下列哪种玻璃仪器常用于光催化反应器中的光源载体？
（）
2.在光催化反应器设计中，__________玻璃因其高透光率和良好的化学稳定性而常被选用。
化工废水处理-光催化氧化技术
02
太阳光：节能，但太阳能的利用率低
二、流态不同
悬浮型 固定型（非填充式和填充式） 流化床
悬浮型
悬浮型：TiO2粉末直接与废水混合 组成悬浮体系。
优点：结构简单，能充分利用催化 剂活性；
缺点：
存在固液分离问题，无法连续使用
易流失 1. 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。
复合半导体催化剂。 （4）表面光敏化：光活性物质可吸收可见光，受激发将电子传递给半导体导带 （5）表面螯合及衍生化作用：含硫化合物、OH-、EDTA等螯合剂能影响半导体的能带位置，
使导带移向更负的位置。
催化剂的负载
三、多相光催化氧化——光催化剂TiO2
➢ 将TiO2负载到光滑平整的载体上形成均一连续的薄膜。 ➢ 将TiO2固定到载体上
三、多相光催化氧化——光催化剂TiO2 TiO2的改性
表面修饰：由于TiO2的吸收阈值为387nm，对太阳光的利用率低，为了提高光催化活性和 扩大激发光波长范围而进行催化剂改性。
（1）惰性金属沉积：Pt、Au、Ag、Cu （2）过渡金属掺杂：Fe3+ （3）复合半导体：用两种或以上的半导体通过浸渍、混合溶胶、均匀沉淀等方法能够制成
二、均相光催化氧化——光助Fenton
Fenton试剂发展（Fe2+/H2O2） 1894年，Fenton用于有机合成氧化苹果酸 1964年，Eisenhouser将其用于处理苯酚及烷基苯 1993年，Ruppert将紫外光照射引入Fenton处理4-CP，形成
光助Fenton技术。 其后，在处理有机废水上得到应用。
1
0 过氧化氢浓度的影响
3
0
pH值的影响——初始
用于光催化反应器的双面出光LED光源设计
用于光催化反应器的双面出光LED光源设计薛冬冬;郭震宁;林介本;张佳宁;陈中行;李建鹏【摘要】从光催化反应器的光源结构出发,采用波长为365 nm的紫外2835LED 作为光源.使用基材为PMMA并分别掺入二氧化硅和氧化铝晶体颗粒的亚克力板作为纳米导光板.利用建模工具Solidworks及仿真工具Lighttools设计导光板双面出光模型,并进行仿真优化.仿真结果表明,当导光板尺寸为600 mm×300 mm ×4 mm,采用氧化铝纳米晶粒的粒子数密度为3 450 mm-3,粒径为2 150 nm时,紫外光光耦合效率在70％以上,双面出光光照均匀度均在80％以上,符合光催化反应器光源的要求.【期刊名称】《照明工程学报》【年(卷),期】2019(030)001【总页数】6页(P32-37)【关键词】光催化反应器;紫外LED;纳米导光板;双面出光;光耦合效率;光照均匀度【作者】薛冬冬;郭震宁;林介本;张佳宁;陈中行;李建鹏【作者单位】华侨大学信息科学与工程学院,福建厦门361021;福建省光传输与变换重点实验室,福建厦门361021;华侨大学信息科学与工程学院,福建厦门361021;福建省光传输与变换重点实验室,福建厦门361021;泉州市世芯智能照明技术研究院有限公司,福建泉州 362302;华侨大学信息科学与工程学院,福建厦门361021;福建省光传输与变换重点实验室,福建厦门361021;华侨大学信息科学与工程学院,福建厦门361021;福建省光传输与变换重点实验室,福建厦门361021;华侨大学信息科学与工程学院,福建厦门361021;福建省光传输与变换重点实验室,福建厦门361021【正文语种】中文【中图分类】TM923引言光催化作为水处理的一种方式相对于传统的物理及化学方式而言具有成本低、二次污染少、降解污染物完全和易操作等优点[1, 2]。
因二氧化钛具有性能优良、化学性质稳定、抗光腐蚀能力强、无毒和廉价易得的优点而被作为催化剂广泛用于光催化氧化中[3, 4]。
典型的光催化反应器
典型的光催化反应器光催化是废水净化的一个很有前途的技术，因而引起了国内外的重视，已经有了二十多年的经验积累，在光催化降解有机污染物、光催化剂的改性等方面受到了广泛的关注，有关光催化氧化法在水污染治理方面应用研究的报道很多，而在反应器的设计和选材也有一些相关的报道，但涉及到光反应器应用的报道较少。
在光催化反应中，反应器的材料、结构、形状、光源的几何位置等很多因素对光催化反应速率有很大的影响。
气相光催化反应器的设计有静态配气和动态配气的两种，种类和相关的研究较少，所以下面着重介绍液相光催化反应器的结构、种类和影响因素。
影响光催化反应器效率的因素很多，如光源(光源强度、波段与光照方式)、催化剂性质(催化剂粒径、类型与载体)、废液的外加氧化剂(如O2 ,H2O2,O3等)、待处理废水性质(废液的初始浓度组成、pH值、抑制物含量)、温度、废液的流动力学特征、停留时间等因素对反应器的最佳运行都有影响，反应器的整体设计要综合考虑这些因素。
1.光源用于光催化的光源有电光源和太阳光源。
电光源有高压汞灯、荧光灯、黑光灯、氨灯等。
光源的选择、布置及使用既要考虑效能又必须考虑经济性，因此，在设计光催化反应器时，要综合考虑各方面的影响因素。
过去，更多研究放在电光源上，使用的光波多限于光谱紫外区。
太阳光源是经济又环保的光源，开发出利用太阳能的光催化反应器一直是研究者追求的目标，但是由于在光催化反应中，太阳光的利用率很低，因此这类反应器的成功开发和真正实现工业应用目前还有很大难度，需要解决催化剂改性等许多方面的技术问题。
光源波长、光强及光源几何位置对催化反应有至关重要的影响，一般情况下，光源波长越短，效率越高;在同等波长的条件下，光强越高，效率越高，但并非线性相关的。
一般在低光强时，有机物降解速度与光强呈线性关系，高光强时，降解速度与光强的平方根存在线性关系。
光线的照射方式可分为直接照射和直接一反光结合照射，后者的使用更能充分利用光能。
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
谈谈光催化反应器的操作步骤
谈谈光催化反应器的操作步骤
光催化反应器定制加工服务包括微通道的刻蚀、芯片切割打孔和芯片键合，我们经过数年如一日的工艺探索，将上述工艺进行优化，可实现常用多做玻璃材料的微通道加工和芯片键合，并建成低成本大批量柔性生产线，即可满足科研用户小量多次的科研需求，又可满足微化工产业化用户微通道反应器工艺开发和生产的要求。
光催化反应器的操作步骤：
1、准备工作：连接电源。
使用该仪器前首先把八位反应器(或磁力搅拌器)放入主机箱内，石英反应管(或反应容器)内放入磁子。
之后检查所需要使用的汞灯(氙灯)、反应器以及冷却水循环装置是否连接好。
(如下图连接)
2、反应暗箱内设有八位反应器(或磁力搅拌器)和灯的电源接口，请按指示连接。
3、调节控制器上面的光源选择，使所使用光源与控制器上面的保持一致(按光源种类和功率大小区分)
4、依次打开控制器上面的风扇开关、反应器和灯开关，风扇开始工作(反应暗箱内空气开始外排。
5、打开八位反应器(或磁力搅拌器)上面的电源开关，按需调节搅拌速度。
6、光源功率调节位于控制器中心位置，可按需调节光源功率大小。
7、控制器右上方设有微电脑定时器，可按需设置工作时间。
光催化co2反应器
光催化co2反应器英文回答：The topic I would like to discuss is the photocatalytic CO2 reactor. This type of reactor utilizes light energy to drive the chemical reaction that converts carbon dioxide (CO2) into useful products. It has gained significant attention in recent years due to its potential for mitigating climate change and reducing greenhouse gas emissions.One of the key components of a photocatalytic CO2 reactor is the photocatalyst. This is a material that can absorb light energy and use it to initiate the CO2 conversion reaction. Common photocatalysts used in these reactors include titanium dioxide (TiO2) and zinc oxide (ZnO). These materials have the ability to generate electron-hole pairs when exposed to light, which can then participate in the CO2 reduction reaction.In addition to the photocatalyst, the reactor also requires a light source to provide the necessary energy for the photocatalytic reaction. This can be natural sunlightor artificial light sources such as LEDs. The choice oflight source depends on factors such as the desiredreaction rate and the availability of sunlight.The design of the reactor is another important aspectto consider. It should provide efficient light absorptionby the photocatalyst and ensure good contact between theCO2 and the photocatalyst surface. This can be achieved through various configurations such as slurry reactors,fixed-bed reactors, and fluidized-bed reactors.The photocatalytic CO2 reactor offers several advantages over traditional CO2 conversion methods. Firstly, it is a sustainable and environmentally friendly process as it utilizes renewable energy sources such as sunlight. Secondly, it can convert CO2 into valuable products such as fuels or chemicals, thereby reducing the dependence onfossil fuels. Finally, it has the potential to capture and utilize CO2 emissions from industrial processes, helping tomitigate climate change.To illustrate the concept further, let's consider an example. Imagine a large-scale photocatalytic CO2 reactor installed near a power plant. The reactor is equipped witha titanium dioxide photocatalyst and uses sunlight as the light source. As the sunlight hits the photocatalyst, it generates electron-hole pairs that react with CO2, converting it into a useful fuel such as methane. This fuel can then be used to generate electricity, creating aclosed-loop system that reduces CO2 emissions from thepower plant.中文回答：我想讨论的话题是光催化CO2反应器。
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。
《g-C3N4基复合材料的合成及其光催化降解有机污染物性能研究》
《g-C3N4基复合材料的合成及其光催化降解有机污染物性能研究》摘要本篇研究旨在探究g-C3N4基复合材料的合成及其在光催化降解有机污染物方面的性能。
通过合成不同种类的g-C3N4基复合材料，本文将探讨其结构特性，以及在光催化降解过程中所表现出的性能。
实验结果表明，g-C3N4基复合材料具有良好的光催化性能，可有效降解有机污染物。
一、引言随着工业化的快速发展，有机污染物的排放已成为一个全球性的环境问题。
光催化技术作为一种环保、高效的处理方法，近年来备受关注。
g-C3N4作为一种新型的光催化材料，因其优异的可见光响应、良好的化学稳定性和制备简单等特点，受到了广泛关注。
然而，g-C3N4的光催化性能仍需进一步提高，以满足实际应用的需求。
因此，本研究旨在通过合成g-C3N4基复合材料，提高其光催化性能，并探究其在光催化降解有机污染物方面的应用。
二、g-C3N4基复合材料的合成1. 材料选择与制备本研究所采用的g-C3N4基复合材料主要包含g-C3N4与不同种类的催化剂或助剂进行复合。
具体制备过程包括前驱体的选择、热处理条件、催化剂或助剂的掺杂等步骤。
详细介绍了各步骤的参数设置及实验过程。
2. 结构表征通过X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）等手段，对合成的g-C3N4基复合材料进行结构表征。
分析了材料的晶型、形貌、粒径等参数，为后续的性能研究提供了基础。
三、光催化降解有机污染物性能研究1. 实验方法选择常见的有机污染物（如染料、农药等）作为研究对象，通过模拟太阳光照射，评价g-C3N4基复合材料的光催化性能。
实验过程中，详细记录了实验条件、操作步骤及数据记录方法。
2. 结果与讨论（1）光催化降解效率：在模拟太阳光照射下，g-C3N4基复合材料对有机污染物的降解效率明显高于纯g-C3N4。
通过对比不同复合材料的光催化性能，发现某些复合材料具有更高的光催化活性。
此外，还探讨了复合材料中各组分的比例对光催化性能的影响。
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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。
反应区 R 50mm
沉降区 75mm
底部 50mm
2.2光催化反应器的设计因素
光 催 化 反 应 器 的 设 计 因 素 反应器的几何形状 催化剂存在的状态 光源 设备选型 尺寸计算
2.3光催化反应器的结构设计
根据电生磁的 原理，将一条的金 属导线在反应器外 壁上沿一个方向缠 绕起来，形成螺线 管，通电流，可产 生磁场。
光催化反应器的三视图
紫外灯光催化反应器
1.2
光源 太阳能光催化反应器 间歇式光催化反应器 操作方式 连续流动式光催化反应器 光源的照 射方式 聚光式光催化反应器 非聚光式光催化反应器
光 催 化 反 应 器 的 类 型
催化剂存 在形式
悬浮式光催化反应器
负载式光催化反应器
悬浮式光催化反应 器
催化剂 存在形 式 优 点 缺 点 粉末状分散悬浮于待处 理液 结构简单，操作方便， 催化剂与待处理液接触 良好，反应效率高 催化剂与反应液分离困 难
反应器 75mm
H
V
275mm
1375 mL
275mm
1649 mL
50mm
425 mL
415mm
6144 mL
光催化反应器的尺寸标注如下：
4.光催化反应器的优势
圆柱形的几何形状，中灯外反应区的结构， 使得反应器内的光照均匀，光能利用率大； 气体分布器使得催化剂悬浮于反应液中，与 反应液接触充分，催化效率高； 磁场的建立使得催化剂的分离回收方便； 内循环的设置使得反应的停留时间加大，增 大反应效率； 反应器可连续循环处理反应液。
光催化反应器的设计
目录 1
绪 论
2
光 催器 化的 反设 应计
3
展 望
4
致 谢
1.绪论
1.1选题背景
随着现代工农业的发展，伴随有大量有毒难 降解污染物排入环境中，特别是江、河、湖、海， 这对环境产生了严重的污染和破坏。 光催化氧化技术作为一种真正环境友好的新 型绿色污染处理技术，有高效节能、操作简便、 反应条件温和、可减少二次污染等众多优点。 光催化反应器作为光催化氧化反应的主体设 备，决定了对光源的利用率和催化剂活性的发挥 等问题，进而影响着光催化反应的效率。