天津大学 化工学院 09化工一班 王一斌 3009207018 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 天津大学 化工学院 09化工一班 王一斌 3009207018 前言 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( TiO2) 光催化反应器 废水处理 天津大学 化工学院 09化工一班 王一斌 3009207018 正文 一，光催化反应机理 当能量大于催化剂（TiO2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H2O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O2发生作用生成HO2·和O2-·等活性氧类，这些活性氧自由基也能参与氧化还原反应。该过程可用如下反应式表示：
),(22heTiOhvTiO
hvheathe HOhOHads
HHOhOH
ads2
22OOe HO·能与电子给体作用，将之氧化，电子（矿）能够与电子受体作用将之还原，同时h+也能够直接与有机物作用将之氧化：
OHDDHO2
AAe
DDh
二，光催化反应器的类型 利用TiO2 作为光催化剂降解有机污染物已逐渐由实验研究转向实际应用的研究，光催化氧化法的大规模应用需要解决的主要技术问题是TiO2 催化剂的固定化以及与之相应的结构简单、效率高、可长期稳定运行的反应器的设计。光催化反应器设计的问题远比传统的化学反应器的复杂。除了涉及质量传递与混合、反应物与催化剂的接触、流动方式、反应动力学、催化剂的安装、温度控制等问题外，还必须考虑光辐射这一重要因素。 催化剂只有吸收适当的光子才能被激活而具有催化活性，为了提供尽可能多的激活光催化剂，光反应器必须能提供可能大的催化剂表面积。 为了减少反应器的体积，还要求单位体积的反应器提供尽可能大的安装催化剂的空间。 最早出现的光催化反应器是为在实验室中进行研究而设计的，其结构简单，天津大学 化工学院 09化工一班 王一斌 3009207018 操作方便。 反应器主体为一敞开的容器，并置于磁力搅拌机上，反应液在荧光或紫外灯的照射下反应，灯与液面的距离可调，现在仍有许多研究者用这种反应器来评价催化剂的活性或进行污染物降解规律的研究。
2.1流化床光催化反应器 该类反应器以纯TiO2 或者是负载型TiO2 颗粒粉末为光催化剂， 形成悬浮液， 光催化降解效率高，但存在光催化剂的回收利用问题。一种是三相内循环流化床光催化反应器。反应器最里边的石英套管中放置紫外光源；中间是气、固、液三相升流区，外层是降流区；反应器底部安装环状曝气头，驱使流体夹带固体催化剂在两区之间循环流动。顶部放大段形成缓冲区，使气、固、液分离， 处理后的上清液流出反应器。另一种是循环式浆态光催化反应器，其内置有石英套管， 中心放置紫外灯， 若将反应器的上、下循环口堵住，即形成普通鼓泡床式光催化反应器。与传统的搅拌式和鼓泡床式浆态光催化反应器相比，循环式光催化浆态床反应器能更好地改善催化剂和废水的混合效果以及提高光利用率， 并与气流量关系不大，从而能更有效降解有机污染物。
2.2液膜型光催化反应器 该类反应器通过装置中的部件在光催化反应器内形成液膜，强化传质和光的吸收，提高光催化降解效率。一种是半圆形反应器，TiO2 粘结固定于转盘表面， 转盘垂直放置于反应器的中部， 一部分浸没在反应液中，一部分暴露于空气中。当转盘转动时，反应液被带到转盘上形成一层水膜，水膜的厚度可通过转速来调节。实验表明，光催化降解五氯酚( PCP )，反应350 h 后，PCP 的去除率可达90%。另一种是转筒式负载膜光催化反应器，将TiO2 负载在转筒内壁上，被处理液可在旋转的反应壁上形成厚度可调的薄层液膜，增加了催化剂、反应物和光子之间的接触面。结果表明，该反应器性能优良，在较宽的运行条件下皆能达到较高的染料脱色率，且拥有优于淤浆床光催化反应器的水处理能力。
2.3光催化与膜分离一体化反应器 悬浮液光催化反应完毕后经膜分离(如超滤、纳滤、微滤、渗析和膜蒸馏等)均能有效分离回收光催化剂颗粒，但由于采用膜分离，必然提高了处理成本。 2.3.1光催化与超滤一体化反应器 光催化超滤反应器，其光催化反应单元混合液出水被分为两部分： 一部分回流到光催化反应单元中部，可起到减轻石英套管表面污染作用，保证紫外灯的透过率；另一部分混合液被泵压至超滤膜分离单元，纳米TiO2 浓缩液回流到光催化反应单元，出水从透过液出口流出。结果表明，光催化超滤反应器对染料酸性胡兰废水有很好的降解效果。 2.3.2光催化与渗析一体化反应器 新型结合膜与光催化的反应器(MPR )，试验所用膜由2种类型的模块组成， 分别是由聚丙烯腈或聚砜制成的中空纤维和由赛璐玢制成的平板框。MPR 不但可以过滤粒子，还可以不用跨膜压力就将2-4二羟基苯甲酸从污水中分离。 2.3.3光催化与纳滤一体化反应器 悬浮型光催化纳滤膜反应器耦合聚酰胺复合纳滤膜，该纳滤膜能抵抗长时间连续操作过程中光催化剂悬浮体系对其所造成的冲蚀损害；每次使用后，纳滤分离膜通过用水反冲洗方式清洗，直至其清水膜通量恢复至初始值时止。处理H 酸天津大学 化工学院 09化工一班 王一斌 3009207018 废水效果优良，130 min 可使污染底物彻底转化，矿化效率达70% 以上，较悬浮型光催化反应器缩短反应时间20 min，且大幅提高污染物矿化度。 2.3.4光催化与微滤一体化反应器 与光催化和其它膜分离形成独立两部分不一样，光催化微滤反应器可以分成独立的两部分，也可以是一个整体。一种陶瓷膜分离集成反应器由紫外灯、石英冷阱和陶瓷微滤膜组成，冷阱与紫外灯置于膜管内；膜的光反射作用使TiO2 光催化剂更易吸收紫外光。甲基橙光催化反应结果表明，体系中TiO2微粉的截留率达99. 9% ，反应一个周期后甲基橙脱色率达到10% ，高于圆柱式反应器，催化剂回收率高，且渗透通量基本稳定，光催化反应速率常数随着操作压力的增大而减小。 2.3.5光催化与膜蒸馏一体化反应器 一种采用光催化和膜蒸馏联合处理三种偶氮染料水溶液，有机物降解和分离同时同地进行可以缩小装置。处理5 h以后，无论TiO2用量多少，不影响透过通量，蒸馏液浊度类似于超纯水，TOC浓度、电导率和TDS 量分别不超过
LCmg/2.1， cms/2.2和1. 4mg /L。由于膜蒸馏不会出现明显的膜垢， 因此
要优于其它加压膜分离(如微滤、超滤、纳滤等)过程。 2.4固定式填充复合床光催化反应器 该类反应器将光催化剂固定在容器壁或合适的载体上， 然后将其固定在反应器中， 避免了光催化剂的分离、回收及重复利用问题， 但通常存在光催化剂量小及比表面小等问题。 2.4.1玻璃片式光催化反应器 固定式填充床光催化反应器由配水区、反应区、紫外光源等部分组成。在反应器中放置已负载TiO2薄膜光催化剂的普通玻璃片载体、石英螺旋圈载体和石英套管；紫外光源置于石英套管中。反应器底部设有水泵循环系统，以保证反应器中的水流混合均匀和光催化反应所需要的溶解氧。选择反应器合理的形状结构， 有利于增加反应区的有效反应容积，可以较大的提高反应器的降解效率。 2.4.2石英管式光催化反应器 迷宫式光催化反应器由7根石英管组成，光催化剂被固载到石英管中，管的两端用铝箔包裹，而石英管安放到塑料管里。研究表明，该装置能够有效降解偶氮类染料酸性红18。 2.4.3平板式反应器 平板式反应器由两端带槽的硬有机玻璃制成，玻璃板上涂有TiO2粒子膜，它与水平面的夹角可以调节，玻璃片上方10 cm 处悬有紫外光源，液体通过溢流在方形板表面形成液膜，与被激活的光催化剂TiO2作用，达到降解的目的。光催化降解D iuron，污染物浓度迅速下降，最后达到完全降解。 2.4.4玻璃纤维式光催化反应器 一种以结构简单、光能利用率高的复合抛物面采光板为采光元件，以采用溶胶凝胶法负载在比表面大、化学性质稳定的玻璃纤维网上，制得高活性TiO2固定催化剂制作催化组件。由于固定化催化剂活性良好、装填结构合理，降解苯酚表观量子产率可以达到相同结构悬浆催化体系反应器的1 /2。 2.4.5弥散光纤式光催化反应器 一种基于弥散光纤负载的纳米TiO2光催化反应器，弥散光纤光催化表面积