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(yàn)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(yàn)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(yàn)級光化學(xué)反應(yīng)裝置用于早期實(shí)驗(yàn)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(yàn)者可根據(jù)實(shí)驗(yàn)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)。
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。
材質(zhì) | 性能特征 |
無紡布 | 具有優(yōu)異的孔隙結(jié)構(gòu)和高比表面積,,與光催化劑結(jié)合能力較強(qiáng),,有較好的承載能力且能提供較大的活性表面積 |
碳紙,、碳布 | 具有良好的導(dǎo)電性,有利于光催化中光生電荷的分離,,也可以用于電輔助的光催化反應(yīng)體系 |
高硼硅玻璃 | 具有較好的透明度和機(jī)械強(qiáng)度,,使用壽命更長,光催化劑的光吸收效率更高,,尤其適用于有一定腐蝕性的反應(yīng)(酸,,堿及強(qiáng)氧化性條件) |
有機(jī)玻璃 | 可以加工成不同的形狀和尺寸,用于研究工藝對反應(yīng)的影響 |
PLR-SPRL實(shí)驗(yàn)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(yàn)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(yàn)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(yàn)級光化學(xué)反應(yīng)裝置將流體層厚度dL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(yàn)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,。
在實(shí)驗(yàn)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(yàn)證才能用于規(guī)?;慨a(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(yàn)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,。
在放大實(shí)驗(yàn)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)?;牧慨a(chǎn)。
PLR-SPRG量產(chǎn)級光化學(xué)反應(yīng)裝置用于光催化規(guī)?;慨a(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,。
PLR-SPR系列平板式光化學(xué)反應(yīng)裝置 | |||
參數(shù) | PLR-SPRL實(shí)驗(yàn)室級 | PLR-SPRF小試級 | PLR-SPRG量產(chǎn)級 |
反應(yīng)器尺寸 | 10×10 cm ²,可選5×5,、15×15,、20×20、25×25 cm ² | 0.1 m ²,,可選0.25,、0.5 m ² | 0.5 m ²,可選5 m ²,、10 m ² |
反應(yīng)流量 | 0~1 L/min | 5~10 L/min | 25~120 L/min |
儲液池 | 0.2~0.8 L | 10 L | 10~1000 L |
支架單元 | 桌面型 | 落地型 | 戶外型 |
管路 | PU管,、四氟管、不銹鋼管,、PPR管 | 不銹鋼管 | 不銹鋼管 |
應(yīng)用場景 | 室內(nèi)/戶外 | 室內(nèi)/戶外 | 戶外 |
所需面積 | 桌面2m ² | 地面5~10m ² | 地面10~100m ² |
應(yīng)用領(lǐng)域 | 光催化:光催化分解水,、液態(tài)陽光、光催化污水降解 光電催化:光伏光電催化分解水 |
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