光催化技术
TiO2光催化反应器简介
摘要:国内外有关光催化反应器的研究已开展多年,但在我国此类反应器主要处于基础和应用基础方面。本文简单介绍了光催化反应器的反应原理、分类及其走向工业应用中存在的一些制约因素,并对此问题的解决提出了几点建议。
关键词:光催化反应原理分类建议
Abstract: the research about photocatalytic reactor has been conducted for many years, but in china, it`s study mainly remain in the field of basic and basic application. This paper provides a brief introduction of the reaction principle, categories and the defects which limited the photocatalytic reactor from industry application. And then, to solve this problem, some suggestion has been pointed out.
Key words: photocatalytic principle of reaction category suggestion
1、光催化技术的前沿性
科学技术的飞速发展给人类提供了丰富的物质财富。20世纪初随着第二次科技革命的爆发,现代工业迅速崛起,为满足人类日益增长的物质需求,化工产业的发展蒸蒸日上。毫不夸张的说,现如今人类的生活处处皆化工,小到人们的日常生活,大到航天工程的实施,化工产业已成为当今人类社会进步
的重要支撑。然而发展是人类开发
利用自然的过程,所以不可避免的
带来了环境的污染问题。特别是我
国这样的制造业大国,生产过程中
大量废弃物的排放已使严重的环境
污染和生态破坏有目共睹。至今,
环境问题正危及着我国国民的生存
安全,因此节能减排、环境友好型的环保理念已引起各行各业人士的高度重视。面对巨大的工业需求,如何能将污染降到最低,走可持续发展的成产模式?这对化工行业提出了严峻的考验。既然污染是不可避免的,那就要在污染物的处理方面着手,彻底、高效、清洁地根治环境污染,传统的处理方法并不能彻底地降解污染物,也容易造成次生污染,并且能耗高、适用范围窄[1],大多数处理方法仅针对于特定的污染燃物范有效。近些年以来,为攻克此领域面临的各种难题,光催化技术应运而生。光催化技术是一种集高效节能、操作简便、反应条件温和等多项优势于一身的污染物治理技术。从生态学上讲,光催化技术实现了将大量有机污染物降解为CO2和H2O,继而被植物体利用,完成了物质的循环,如图1所示[2]。所以光催化技术正是当前时代所急需的一项高新技术。
2、光催化技术原理
光催化技术是一种利用新型的复合纳米高科技功能材料的技术。现今的光催化剂以TiO2为主,当紫外线光源在反应器内部持续照射时,依据半导体的特性,其价带上的电子吸收光子能量后跃迁到导带上,电子—空穴对可将吸附在催化剂表面的羟基或水还原为(HO•)[3],同时将氧分子还原为超氧阴离子(•O2-),它也可以与水中无机离子或部分有机物反应生成(OH•),羟基自由基具有较高的氧化还原电位,能无选择地将水中难降解的污染物氧化为水、二氧化碳等无机小分子。[4-7]
3、光催化反应器的分类
同常规反应器一样,在使用过程中,为满足不同的反应需求,依据实际使用条件设计出了多种多样的反应器。目前按照不同的标准,光催化反应器有多种形式的分类[8-10],一般的分类依据包括催化剂的存在形式、光源的照射方式和反应器的结构形状。而大多数情况下,按催化剂的存在形式将其分为悬浮式和负载型催化反应器。
(1)悬浮式光催化反应器
对悬浮式光催化反应器而言,TiO2颗粒以悬浮态分散在处理液中,从而使得催化剂颗粒与液相中的物料充分接触,可以随着无料的流动而翻滚,产生极好的传质效果。因此类反应器具有速率高、结构简单、操作方便的优势,至今关于此种反应器的研究仍在开展。
李洪辉,郝晓刚[11]等人设计出了新型迷宫式鼓泡光催化反应器,其结构如图1所示。此反应器以30~40目活性炭为载体,采用溶胶—凝胶法制备了负载型TiO2薄膜颗粒光催化剂,并对含甲基橙废水进行了光催化降解。由图可知,反应器整体为长方体结构,内部设置若干块平行的垂直折流板,由此形成了反应区内的迷宫式通道。液体从反应器上方流入分布板上方,且入口所在的壁面与折流板平行。废水在迷宫式反应区内沿折流板间隙流动从而上升的气泡呈错流式接触,附着于载体上的TiO2催化剂在气液混合物中以悬浮态分散,形成了非均相反应体系。气、液、固三相流动充分保证了光催化剂颗粒在反应区的均匀分布,提高了反应体系的催化剂比表面积,增加了液相的停留时间,很好地利用了光能,有较好的传质推动力。
图2.迷宫流鼓泡光催化反应器 图3.全天候太阳能固定膜光催化反应器
悬浮式光催化反应器虽然降解效率高,但由于该类反应器以纯TiO2或负载型TiO2颗粒粉末为光催化剂,形成悬浮液,就导致了光催化剂难以回收利用的问题。在大规模的工业生产中,若催化剂得不到循环利用,必然会使成本过大,因此,悬浮式反应器存在不易工业放大的缺陷。
(2)负载型光催化反应器
目前,在各种负载型光催化反应器中,催化剂的负载面多以反应器内壁、紫外灯管外壁、玻璃管内外壁或光导纤维管壁等为主,形成催化剂薄膜。一般根据载体材料和催化剂TiO2在载体上的不同形式,此种光反应器又可分为镀膜式和填充床式。废水流过反应区时在催化剂表面发生反应,从而有效地弥补了悬浮式反应器中催化剂难分离的不足,以此更容易实现大规模的工业应用[12]。
林少华等[13]设计了一种实用性太阳能固定膜光催化反应器并研究了此反应器对自来水的处理效果,装置结构如图3所示。太阳紫外辐射在低聚光度抛物型槽内,然后被反射到由双层同心圆构成的光催化膜组件,固定式催化剂TiO2通过溶胶-凝胶法附着于具有高比表面积的玻璃纤维网上,分内外两层设置。以自来水为研究对象,实验结果表明,在不同的光源条件下,实用型固定膜光催化反应器对三氯甲烷均具有良好的处理效果,特别是在太阳光下取得的良好处理效果对推动光催化技术的应用具有重大意义。同时,该反应器还带有光电源,在阴雨天气下补充光照。
4、研制高效光催化反应器的技术瓶颈及几点建议
目前光催化反应器的设计中存在的缺陷主要包括:光源利用效率低;催化剂与反应液的接触时间短、接触面积小;光照强度分布不均等。针对这些限制因素,今后需改进的方面主要有:光照是首要因素,因为光源照射直接影响到活化催化剂的数量,从而决定了反映其处理反应液的能力。所以,要尽量增加催化剂表面光生成电子-空穴的数量,提高光的利用率,减小能源浪费;为实现光催化反应器的工业应用,要改进反应器使其达到能对污染物料液进行批量处理的目标,保持反应器内部在动态的流动状态下运作;另外,要尽可能提高催化剂与物料的接触时间,增大接触面积;反应液中接受的光照尽可能的保持均匀。
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