光催化反應(yīng)器的研究進(jìn)展

時(shí)間：2024-12-27作者：杭州川一實(shí)驗(yàn)儀器有限公司瀏覽：76

論述了氣固相光催化反應(yīng)器的特點(diǎn)、類型及研究現(xiàn)狀。根據(jù)反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)，氣固相光催化反應(yīng)器分為固定床和流化床，主要介紹了國(guó)外近年來流化床光催化反應(yīng)器應(yīng)用于廢氣處理中的研究進(jìn)展情況，闡明了新型流化床光催化反應(yīng)器的研究與設(shè)計(jì)是光催化氧化法工業(yè)化過程中需要解決的關(guān)鍵問題之一，分析了其存在的問題，并對(duì)今后的發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

隨著能源價(jià)格的持續(xù)上漲和環(huán)境污染的日趨嚴(yán)重，半導(dǎo)體光催化污染治理技術(shù)近年來日益受到人們的重視 [1]。該技術(shù)具有工藝簡(jiǎn)單、能耗低、**次污染和降解的特點(diǎn)。因?yàn)榘雽?dǎo)體受yi定能量光照射而產(chǎn)生的光生空穴和電子具有很強(qiáng)的氧化性和還原性,可以無選擇的將半導(dǎo)體顆粒表面的吸附物氧化還原為ＣＯ2和Ｈ2Ｏ。國(guó)內(nèi)外有關(guān)光催化降解水中**污染物的研究已有十余年歷史，近幾年來，隨著對(duì)低濃度(μｇ/ｍ3)揮發(fā)性**物（VOCs）所帶來的空氣污染問題的重視，人們認(rèn)識(shí)到氣固相光催化處理VOCs的潛在優(yōu)勢(shì)，開始了這方面的研究。氣固相光催化反應(yīng)器是光催化過程的**設(shè)備，它的設(shè)計(jì)和應(yīng)用勢(shì)必成為氣固相光催化研究的主要方向之一。由于流化床具有傳質(zhì)效率高、操作范圍寬、易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化等特點(diǎn)，近年來出現(xiàn)了氣固相流化床光催化反應(yīng)器的研究熱潮。本文總結(jié)了國(guó)外近年來廢氣治理中氣固流化床光催化反應(yīng)器的研制及應(yīng)用情況，并對(duì)其發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

1 氣固相光催化反應(yīng)器的特點(diǎn)
光催化反應(yīng)器與傳統(tǒng)反應(yīng)器的不同之處在于需要有光源的存在，因此它的設(shè)計(jì)較加復(fù)雜，除了考慮傳統(tǒng)的反應(yīng)器所涉及的如質(zhì)量傳遞和混合、反應(yīng)物和催化劑的接觸、流動(dòng)方式、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、催化劑的安裝、溫度的控制等問題外，還要考慮光能在反應(yīng)器內(nèi)的傳播與均勻分布，因?yàn)橹挥形樟诉m當(dāng)?shù)墓庾佣坏拇呋瘎┎啪哂写呋钚?。另外，光?qiáng)的選擇也為重要，它對(duì)光催化反應(yīng)的影響隨反應(yīng)物的不同而有所不同。但通常在較低光強(qiáng)下反應(yīng)速率與光通量呈一級(jí)反應(yīng)，在較高光強(qiáng)下反應(yīng)速率為半級(jí)，即光效率隨光強(qiáng)增加而下降。光催化反應(yīng)器的反應(yīng)能力受照射光分布和光強(qiáng)的影響這些特性給光反應(yīng)器的理論分析、實(shí)驗(yàn)研究和工業(yè)化應(yīng)用均帶來了困難，多相體系中固體催化劑的存在增加了問題的復(fù)雜性。
根據(jù)相態(tài)的不同，光催化反應(yīng)器可分為氣固相光催化反應(yīng)器與液固相光催化反應(yīng)器。與液固相相比，氣固相光催化反應(yīng)器通常需要在高氣體體積流量下操作[2]，要求有很好的氣密性，同時(shí)要便于物料的裝卸；需要固定化的催化劑，若使用粉末催化劑，只能造成氣阻增大，催化劑流失嚴(yán)重或分散不均等不利情況而影響。
整個(gè)光催化效果（但一般認(rèn)為光催化劑固定后比表面積減小，其催化效率有所降低）。兩者的相同點(diǎn)是，都需要實(shí)現(xiàn)反應(yīng)物、催化劑與入射光的充分接觸，這可以通過改善反應(yīng)器中光的分布和提高催化劑的比表面積的方法來實(shí)現(xiàn)。氣固流化床光催化反應(yīng)器的研究進(jìn)展

2 氣固相光催化反應(yīng)器的研究現(xiàn)狀
半導(dǎo)體多相光催化反應(yīng)的Z早研究可追溯到1972年日本科學(xué)家Fujihims和Honda次發(fā)現(xiàn)在近紫外光（380nm波長(zhǎng)的光）的作用下，金紅石型TiO2單晶電能使水在常溫常壓下連續(xù)分解為氫氣和氧氣。其在環(huán)保中的應(yīng)用則始于加拿大科學(xué)家John H. Catey等次將TiO2光催化應(yīng)用于劇毒降解的研究。氣固相光催化氧化技術(shù)至今未能工業(yè)化的一個(gè)Z主要原因是光反應(yīng)器的缺乏。目前，開發(fā)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、反應(yīng)效率高的新型光反應(yīng)器已成為氣固相光催化技術(shù)的一個(gè)重要研究方向。
氣固相光催化反應(yīng)器根據(jù)結(jié)構(gòu)可分為固定床和流化床兩種類型。固定床結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于操作，隨處理程度不同可一次性或回流循環(huán)處理。有關(guān)固定床光催化反應(yīng)器的研究較多，出現(xiàn)了多種反應(yīng)器類型，如間歇式反應(yīng)器[3,4]、光導(dǎo)纖維反應(yīng)器（OFR）[5,6]、環(huán)形反應(yīng)器[7-9]、管狀反應(yīng)器[10-13]和整體構(gòu)造反應(yīng)器（即蜂窩狀反應(yīng)器）[14]等。
流化床的結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，操作中需要滿足壓降小、高氣速的要求，過程不易控制，因此研究難度較大，報(bào)道得較少。然而，流化床可改善傳質(zhì)條件，提供光對(duì)顆粒的連續(xù)照射，提高催化劑表面積與反應(yīng)器容積之比，可通過調(diào)節(jié)載體膨脹率提高光的透射率。與固定床的比較研究表明[15,16]，流化床比固定床能較好地實(shí)現(xiàn)反應(yīng)物、催化劑與入射光的充分接觸，提高光催化效率。并且，由于流化床大的改善了污染物與催化劑的傳質(zhì)條件，比固定床較適合于處理較高濃度的**廢氣。流化床的這些優(yōu)點(diǎn)已逐漸引起了人們的注意，為使氣固相光催化反應(yīng)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的工業(yè)化應(yīng)用，流化床光反應(yīng)器的研制和開發(fā)勢(shì)在必行，國(guó)內(nèi)外已有不少研究人員投入了該項(xiàng)工作，并**了不菲的成績(jī)。
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