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公司新聞
光催化氧化反應(yīng)器設(shè)計綜述
2023-07-25IP屬地 湖北27

  本文通過對廢水中有機(jī)物的降解,介紹了光催化氧化降解有機(jī)物的技術(shù),然后從技術(shù)問題引出更深層次的問題,即如何提高降解效率,從而引出光催化氧化反應(yīng)器的設(shè)計。本文詳細(xì)介紹了反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)、幾種不同類型反應(yīng)器的優(yōu)缺點(diǎn)以及研究現(xiàn)狀。關(guān)鍵詞:光催化氧化;反應(yīng)器;隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,工業(yè)廢水和生活污水中的大量有機(jī)污染物超標(biāo)排放,造成了水環(huán)境的嚴(yán)重富營養(yǎng)化。目前很多地方的治理只注重有毒重金屬的治理,忽視了有機(jī)污染物的潛在危害,廢水中存在大量的有機(jī)污染物。富含洗滌劑的污水 (LAS)、COD、BOD、氮、磷等有機(jī)物對動物、植物和人都有毒性,還會降低水中的氧傳遞速率,阻礙水體自凈,從而使水體變色發(fā)臭。因此,有必要對廢水中的有機(jī)物進(jìn)行處理。光催化氧化分解有機(jī)污染物是Z前沿公認(rèn)的有效處理技術(shù)。光催化氧化反應(yīng)器成功解決了光催化氧化技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用問題。光催化氧化技術(shù)的產(chǎn)物是水、二氧化碳和無害的無機(jī)鹽,從根本上解決了有機(jī)污染問題。

  目前,以金屬氧化物半導(dǎo)體為催化劑的光催化氧化有機(jī)污染物的研究已經(jīng)引起了國內(nèi)外眾多學(xué)者的關(guān)注[1]。為了提高光催化氧化反應(yīng)的效率,光催化氧化反應(yīng)器必不可少。光催化氧化反應(yīng)器可用于化學(xué)氧化、光氧化、光化學(xué)氧化、光催化氧化和光化學(xué)催化氧化,并可用于多種組合試驗(yàn),為環(huán)境研究和環(huán)境工程提供實(shí)驗(yàn)設(shè)備,也為高校師生提供教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備。光催化氧化反應(yīng)器的設(shè)計遠(yuǎn)比傳統(tǒng)的化學(xué)反應(yīng)器復(fù)雜,不僅涉及傳質(zhì)與混合、反應(yīng)物與催化劑的接觸、流動方式、反應(yīng)動力學(xué)、催化劑的安裝, 溫度控制等問題,也是光輻射的重要因素。目前,各種形式的光催化氧化反應(yīng)器已被應(yīng)用于光降解的研究和實(shí)際廢水的處理,并取得了一定的成果,但同時也暴露出了許多問題,因此很多人從不同的角度對如何提高光催化氧化反應(yīng)器的效率和實(shí)用性做了大量的工作[2]。

  1光催化氧化反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)催化劑在反應(yīng)器中以兩種形式存在:一種是光催化劑顆粒分散在整個反應(yīng)器體系中,另一種是光催化劑顆粒固定在載體(如反應(yīng)器壁或尼龍網(wǎng))上,因此相應(yīng)的反應(yīng)器形式可以稱為懸浮式和固定式。

  懸浮型是由二氧化鈦粉末直接與廢水混合而成的懸浮體系。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單,充分利用催化劑活性。缺點(diǎn)是有固液分離的問題,不能連續(xù)使用;容易丟失;懸浮顆粒阻擋光輻射的深度約為0.5 mg/m3,反應(yīng)速度達(dá)到極限[4]。固定式是將二氧化鈦粉末噴涂在多孔玻璃、玻璃纖維或玻璃板上。優(yōu)點(diǎn)是二氧化鈦不易流失,可連續(xù)使用;缺點(diǎn)是固定化后催化劑的活性降低[5]。固定式可分為非填充式和填充式。非填充固定床型:光催化劑通過燒結(jié)或沉積直接沉積在反應(yīng)器內(nèi)壁上, 并且光催化表面積的一部分與液相接觸。填充固定床型:在載體上燒結(jié),然后裝入反應(yīng)器。與無填料固定床型相比,增加了光催化劑與液相的接觸面積,克服了懸浮固液分離的問題。

  Geisen等人[6]分別研究了懸浮TiO _ 2和固定TiO _ 2液膜反應(yīng)器(FFR)對典型化合物DCA的降解。結(jié)果表明,與固定催化劑反應(yīng)體系相比,懸浮體系可以獲得更高的DCA降解率,是固定體系的3倍,這是因?yàn)楣潭ù呋瘎┫拗屏藗髻|(zhì),降低了光催化活性。因此,如果可以通過固/液分離技術(shù)實(shí)現(xiàn)TiO2顆粒和處理水的分離和回收,懸浮反應(yīng)器將比固定反應(yīng)器具有明顯的優(yōu)勢。因此,Xi等人[7]繼續(xù)研究利用沉淀池和有、無斜板的微濾膜分離懸浮催化劑:當(dāng)進(jìn)水中催化劑濃度為5 g/ L,pH值接近零電荷點(diǎn)時,Degussa P 25 TiO2可通過沉淀高效分離; 在沉淀池中增加斜板可以減少沉淀面積,保證出水TiO 2濃度為5mg/l,為了進(jìn)一步降低出水TiO 2濃度,可以采用微波技術(shù)同時攔截TiO 2和細(xì)菌。此外,膜對聚合物的攔截將增加其在光反應(yīng)器中的濃度,從而獲得更高的反應(yīng)速率。

  目前常用的是流化床式。所謂流化床型,即負(fù)載TiO2顆粒的載體,在反應(yīng)器中以懸浮狀態(tài)存在。其優(yōu)點(diǎn)是:一方面,可以對催化劑顆粒進(jìn)行多方位照射,防止催化劑在懸浮擾動下鈍化,從而提高催化劑的利用效率;另一方面也解決了懸浮漿料體系固液分離困難的問題。Wooseok等人[8]使用流化床反應(yīng)器(FBR)來研究弱輻射(15 W低壓燈)下甲基橙的光催化氧化。實(shí)驗(yàn)中使用了兩種不同類型的流化床,一種是FBR的典型類型,另一種是FBR (DTFBR) 里面有通風(fēng)管。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,F(xiàn)RSs的幾何結(jié)構(gòu)對光催化氧化反應(yīng)的影響可以忽略。反應(yīng)器內(nèi)氣體的供應(yīng)不僅可以用于催化劑顆粒的流化,還可以消除光生電子,提高反應(yīng)效率;PH值是決定反應(yīng)速率的重要參數(shù),在酸性條件下更有利于甲基橙的降解。反應(yīng)物初始濃度越高,透光率越低,從而降低光催化氧化的反應(yīng)速率。存在一個Z最優(yōu)量的催化劑負(fù)載量,使得催化劑的存在對光照射不產(chǎn)生屏蔽作用。

  DO濃度較高的反應(yīng)器,通過向反應(yīng)器中加入氧化劑使顆粒表面多余的電子復(fù)合,可以抑制表面光生電子和空穴的復(fù)合,提高光量子的利用率。分子氧是氧化劑中易得、經(jīng)濟(jì)、有效的電子受體。如何提高廢水中的溶解氧將是光催化反應(yīng)器設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)之一。

  為了促進(jìn)氧在有效界面上的傳遞,Chan等人[9]設(shè)計了一種新型薄膜階梯式光催化反應(yīng)器(PTFCR),體現(xiàn)了混合式和推流式反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)。反應(yīng)器的設(shè)計是用階梯式平板排列代替單層平板結(jié)構(gòu)。當(dāng)反應(yīng)液從一個平板落到另一個平板上時,形成水滴,促進(jìn)了液膜的曝氣,同時湍流也強(qiáng)化了液膜中有機(jī)污染物向催化劑表面的傳質(zhì)。在提高溶液溶解氧水平的研究中,發(fā)現(xiàn)階梯反應(yīng)器運(yùn)行良好。楊洋等[10]設(shè)計了一種新型的淺池填充床光催化反應(yīng)器,采用不銹鋼曝氣網(wǎng)實(shí)現(xiàn)高效無動力曝氣,淺池內(nèi)交錯設(shè)置擋板。 顯著改善了反應(yīng)器內(nèi)的水流狀態(tài),強(qiáng)化了廢水與光催化劑之間的傳質(zhì),從而提高了光催化反應(yīng)的效率。這種由曝氣網(wǎng)連接的多層結(jié)構(gòu)的新型光催化反應(yīng)器具有加工簡單、操作方便、工程造價和運(yùn)行費(fèi)用低的特點(diǎn),易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用。

  3太陽能反應(yīng)器及聚光系統(tǒng)利用太陽光作為光源的反應(yīng)器可設(shè)計成平板狀,并可設(shè)置反射面,提高光能利用率。如膜固定床反應(yīng)器(TFFBR)、雙板反應(yīng)器(DSSR)和拋物槽反應(yīng)器(PTR) [11]。根據(jù)光源照射方式的不同,光反應(yīng)器可分為聚光型和非聚光型兩種。聚光反應(yīng)器需要高光學(xué)精度的反射鏡,價格昂貴,設(shè)計復(fù)雜,而且只使用紫外線照射的直射光部分。非冷凝反應(yīng)器不僅利用了紫外照射的直射光和散射光,而且不需要昂貴的反射鏡,結(jié)構(gòu)簡單,因此具有較大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

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