1 太阳能光催化反应器的类型根据不同的分类原则,可将太阳能光催化反应器归为不同的类型。按反应器中催化剂的存在形式可分为悬浮型反应器、固定型反应器;按反应器的聚光形式可分为聚光型反应器、非聚光型反应器。
1.1 悬浮型和固定型反应器根据催化剂的存在形态,光催化反应器可分为固定型和悬浮型两种。虽然悬浮型反应器的反应速率要高于前者,但是由于悬浮型反应器需要解决催化剂分离、回收的问题,不易于实际应用,所以多数研究者为了避开这个问题而选择固定型反应器进行研究。
1.1.1 固定型光催化反应器固定型光催化反应器普遍存在传质限制、能耗高以及催化剂装载复杂等缺点。各国研究人员根据各自不同的设计思想,研制了众多的固定膜太阳能光催化反应器,如填充床反应器、浅池型反应器、转筒型反应器等,其中薄膜固定式反应器(TFFBR)是研究较早、最具代表性的实用型固定膜太阳能光催化反应器。其主体部分为负载催化剂的玻璃平板,污水流经平板时,污染物质在氧气存在的情况下,经阳光照射得以催化降解。该反应器具有成本低、易建造、太阳光利用率高、适用地区广、催化剂易分离等优点。但由于反应器的流速较低,雷诺数偏小,流体处于层流状态,所以存在传质限制。再者,反应器是非封闭运行,催化剂受周围的环境影响比较大,易造成催化剂中毒。近几年,针对 TFFBR 的缺点,人们又设计出了几种新型反应器,如薄膜瀑布反应器。Urh Cernigoj 等为提高光照面积与溶液体积比、增强混合程度,设计了新型薄膜聚光式太阳能光催化反应器,但所得效果仍仅约悬浮式效率的 50%。为了克服 TFFBR 反应器传质限制问题,香港科技大学新近研制了薄膜瀑布(thinfilmcascade)反应器,将 DegussaP-25 二氧化钛催化剂通过电泳法涂覆于 316 型不锈钢平板上,钢板呈阶梯状布置,反应液从上而下流过,水流产生的回流和紊动,有效减弱了污染物的传质限制,同时“瀑布”效应可以强化空气向溶液的输氧作用。和 TFFBR 一样,该反应器是个开放体系,催化剂容易受到污染,同时会存在有毒物质的挥发问题;当处理饮用水时,容易引起二次污染,另一方面,跌水作用还会使装置的能耗加大。
阶梯(STEP)反应器和薄膜瀑布反应器非常相像,主体为由不锈钢板组成的阶梯,催化剂为平均尺寸 5~10 nm 的晶体 PC500,利用 SiO 2胶体水分散系将其固定在天然和人工合成纤维材料的Ahlstrom 纸上,并进一步固定在阶梯上。和TFFBR相比,STEP 反应器通过跌水强化了污染物的传质作用及富氧过程。和薄膜瀑布反应器相比,该装置具有 Pyrex 玻璃盖子以防止水和污染物的挥发。处理4-氯酚及其它农药试验结果表明,在相同日照条件下,STEP 反应器性能甚至可以和悬浆体系 CPCR(复合抛物面反应器)相媲美。但是,如同薄膜瀑布反应器一样,跌水作用会使装置的能耗加大。
同济大学李田教授课题组在国家 863 计划的支持下,研制开发了新型固定膜复合抛物面反应器。
该反应器将负载于玻璃纤维网上的固定膜催化剂,巧妙装填在反应管内。反应管内雷诺数可以达到3500~9000,具有良好的传质作用。在晴天和多云天气条件下,反应体积 20 L,质量浓度 4 mg/L的苯酚,经过 100 min 反应可以降解 95%以上,即使在阴天条件下经过 120 min 反应,苯酚去除率也可以达到 83%.不过催化剂的装填较复杂。
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