從1972年日本科學(xué)家藤島昭發(fā)現(xiàn)光催化現(xiàn)象開始，光催化已經(jīng)有五十年的發(fā)展歷程。近些年，光催化研究也開始從實(shí)驗室基礎(chǔ)研究逐漸向產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。由于傳統(tǒng)的釜式反應(yīng)器存在受光面積小，光催化劑受光不均勻，傳熱效率低且有放大效應(yīng)等問題，難以實(shí)現(xiàn)光催化產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

不同于傳統(tǒng)的釜式反應(yīng)器，平板式光化學(xué)反應(yīng)裝置結(jié)構(gòu)呈扁平狀，催化劑可均勻分散在板式反應(yīng)器中。具有受光面積更大，光催化劑的光照均勻性更高，反應(yīng)物與光催化劑的傳質(zhì)效率更高，放大效應(yīng)小等優(yōu)勢，是光催化反應(yīng)體系向戶外應(yīng)用轉(zhuǎn)化的不二之選。

但是當(dāng)前大部分的研究工作都是在釜式反應(yīng)器內(nèi)完成，要實(shí)現(xiàn)釜式反應(yīng)器向平板反應(yīng)器的轉(zhuǎn)化，需要考慮如下問題：

1、光催化劑的固定方式及用量

2、反應(yīng)器的材質(zhì)

3、反應(yīng)液濃度

4、流速

5、平板反應(yīng)器內(nèi)的傳熱問題

6、床層厚度等

然而常規(guī)的平板反應(yīng)器體積較大，單次實(shí)驗探索消耗的原料較多，不適用于初期的條件摸索，尤其是更換催化劑固定方式，反應(yīng)器材質(zhì)以及床層厚度等條件。

PLR-SPRL實(shí)驗級光化學(xué)反應(yīng)裝置用于早期實(shí)驗階段的條件摸索，它的反應(yīng)器體積小巧，常規(guī)款工作面積僅10×10 cm²，可選5×5、15×15、20×20、25×25 cm²。實(shí)驗者可根據(jù)實(shí)驗情況更換不同的反應(yīng)器，逐步增大反應(yīng)面積，得到放大過程中的傳質(zhì)、傳熱以及反應(yīng)動力學(xué)數(shù)據(jù)。

光催化劑固定方式對反應(yīng)的影響

為了適用于不同類型的光催化劑以及反應(yīng)，通常需要選擇不同材質(zhì)的基板去固定光催化劑。常用的光催化劑固定基材有無紡布、碳紙、碳布、高硼硅玻璃和有機(jī)玻璃等。

PLR-SPRL實(shí)驗級光化學(xué)反應(yīng)裝置通過支撐塊的設(shè)計，可匹配上述多種基材的固定，滿足不同的實(shí)驗場景需求。

平板式反應(yīng)器中的傳質(zhì)

反應(yīng)液在流過平板反應(yīng)器時，如圖所示會有層流運(yùn)動和湍流運(yùn)動。為了增大反應(yīng)液和催化劑之間的傳質(zhì)，需要增大流體的縱向流動的速率。

雷諾數(shù)Re是用于衡量流體流動狀態(tài)的數(shù)值，對于非圓管流體流動，其計算公式如下：

當(dāng)Re＞500時，流體開始由層流狀態(tài)向湍流狀態(tài)轉(zhuǎn)變。

以水為例，將其運(yùn)動粘度V=0.013 cm²/s代入10×10 cm²平板反應(yīng)器計算可得，當(dāng)v＞8000 mL/min后，Re＞500，即當(dāng)平板反應(yīng)器在正常實(shí)驗條件下（0~200 mL/min）是處于層流運(yùn)動狀態(tài)。

為了改善平板反應(yīng)器內(nèi)部的傳質(zhì)問題，PLR-SPRL實(shí)驗級光化學(xué)反應(yīng)裝置將流體層厚度d_L限定在3 mm以內(nèi)，減小反應(yīng)物向光催化劑床層的擴(kuò)散距離。同時將平板反應(yīng)器傾斜放置，流體從底部進(jìn)入反應(yīng)器內(nèi)。一方面可以增大光催化劑的光照面積以及光照強(qiáng)度，另一方面通過流體向下的重力以及與床層的摩擦阻力來擾動流體，增大反應(yīng)物向光催化劑床層擴(kuò)散的概率，實(shí)現(xiàn)低流速下較高的傳質(zhì)效率。

對于傳質(zhì)效率低或者反應(yīng)速率較低的光催化反應(yīng)，PLR-SPRL實(shí)驗級光化學(xué)反應(yīng)裝置還可進(jìn)行密閉反應(yīng)，或者通過儲液罐和循環(huán)泵實(shí)現(xiàn)反應(yīng)液多次流入平板反應(yīng)器內(nèi)，通過時間累計來計算光催化劑的活性，隨著工藝的優(yōu)化和產(chǎn)量的提高，可逐步切換為連續(xù)流模式進(jìn)行光催化劑的活性計算。

平板式光催化反應(yīng)的放大驗證

在實(shí)驗級平板反應(yīng)器獲得如光催化劑負(fù)載量的優(yōu)化、流速的優(yōu)化及反應(yīng)器材質(zhì)選擇等合適的參數(shù)之后，還需要在大面積的平板式反應(yīng)器上進(jìn)行放大驗證才能用于規(guī)模化量產(chǎn)。

但是在實(shí)際放大生產(chǎn)時還需要考慮如下問題：

1. 傳熱的影響

實(shí)驗室所用的平板反應(yīng)器可通過冷卻系統(tǒng)，如循環(huán)水、冰浴等方式及時帶走，對反應(yīng)影響很小。但反應(yīng)體系放大后，這種熱量的及時移走就變得不容易，極易影響反應(yīng)進(jìn)行的方向；

2. 反應(yīng)效率

平板反應(yīng)器面積的增大會影響反應(yīng)的總停留時長，傳質(zhì)效率也會變化，從而影響反應(yīng)效率及產(chǎn)量；

3. 負(fù)載工藝

將反應(yīng)工藝放大時，光催化劑負(fù)載基板面積會相應(yīng)變大，其耐壓性和穩(wěn)定性都會發(fā)生相應(yīng)的變化，光催化劑的負(fù)載工藝以及負(fù)載基板的固定結(jié)構(gòu)都需要做出一定的調(diào)整以滿足大尺寸的反應(yīng)需求；

4. 動力循環(huán)系統(tǒng)

反應(yīng)器體積增大也會同時增大單位時間內(nèi)反應(yīng)液的處理量，其相應(yīng)匹配的動力循環(huán)系統(tǒng)如循環(huán)泵、輸送管道及儲液泵等都需要做出相應(yīng)的放大處理，以保證足夠的循環(huán)效率，減少結(jié)構(gòu)上的動力損耗，降低成本。

PLR-SPRF小試級平板式光化學(xué)反應(yīng)裝置推出了三個尺寸（40×40、60×60和80×80 cm²）的大尺寸平板反應(yīng)器，其最大有效受光面積可達(dá)0.5 m²，而且可以將兩塊平板反應(yīng)器通過快速接頭串聯(lián)組成受光面積為1 m²的平板反應(yīng)器。

針對不同尺寸的平板反應(yīng)器，泊菲萊科技在反應(yīng)器結(jié)構(gòu)以及光催化劑基材固定結(jié)構(gòu)上都做了相應(yīng)的調(diào)整。

在傳質(zhì)效率的優(yōu)化上，PLR-SPRF小試級平板式光化學(xué)反應(yīng)裝置在反應(yīng)器的進(jìn)液和出液口都設(shè)置了相應(yīng)的擾流結(jié)構(gòu)，反應(yīng)器的流體層厚度也預(yù)留1~5 mm的可調(diào)空間，以減小反應(yīng)器放大過程對傳質(zhì)效率的影響。

針對不同尺寸規(guī)格的反應(yīng)器，PLR-SPRF小試級平板式光化學(xué)反應(yīng)裝置通過計算反應(yīng)器的持液量，優(yōu)化了其配套的儲液罐、輸液泵、流量計及輸送管道的長度與尺寸。

平板式反應(yīng)器的量產(chǎn)放大

在放大實(shí)驗確認(rèn)最終反應(yīng)條件之后，就可以將最大尺寸（80×80 cm²，有效受光面積0.5 m²）的光反應(yīng)器進(jìn)行串聯(lián)或者并聯(lián)實(shí)現(xiàn)規(guī)模化的量產(chǎn)。

PLR-SPRG量產(chǎn)級光化學(xué)反應(yīng)裝置用于光催化規(guī)模化量產(chǎn)。該裝置由反應(yīng)模塊、液體驅(qū)動模塊、氣-液分離模塊和檢測控制模塊組成。采用PLC一體機(jī)控制，通過點(diǎn)擊觸控屏幕即可實(shí)現(xiàn)對反應(yīng)過程量的監(jiān)測和調(diào)節(jié)，可監(jiān)測和調(diào)節(jié)參數(shù)包括反應(yīng)體系溶液狀態(tài)監(jiān)測，如反應(yīng)流量、反應(yīng)壓力、溶液pH、ORP（Oxidation-Reduction Potential）等。同時，兼具反應(yīng)條件控制量監(jiān)測，如反應(yīng)液體總流量、反應(yīng)單元流量、壓力等。