气固流化床光催化反应器的研究进展

时间：2024-12-13

论述了气固相光催化反应器的特点、类型及研究现状。根据反应器的结构，气固相光催化反应器分为固定床和流化床，主要介绍了国外近年来流化床光催化反应器应用于废气处理中的研究进展情况，阐明了新型流化床光催化反应器的研究与设计是光催化氧化法工业化过程中需要解决的关键问题之一，分析了其存在的问题，并对今后的发展方向进行了展望。

随着能源价格的持续上涨和环境污染的日趋严重，半导体光催化污染治理技术近年来日益受到人们的重视 [1]。该技术具有工艺简单、能耗低、**次污染和降解的特点。因为半导体受yi定能量光照射而产生的光生空穴和电子具有很强的氧化性和还原性,可以无选择的将半导体颗粒表面的吸附物氧化还原为ＣＯ2和Ｈ2Ｏ。国内外有关光催化降解水中**污染物的研究已有十余年历史，近几年来，随着对低浓度(μｇ/ｍ3)挥发性**物（VOCs）所带来的空气污染问题的重视，人们认识到气固相光催化处理VOCs的潜在优势，开始了这方面的研究。气固相光催化反应器是光催化过程的核心设备，它的设计和应用势必成为气固相光催化研究的主要方向之一。由于流化床具有传质效率高、操作范围宽、易实现工业化等特点，近年来出现了气固相流化床光催化反应器的研究热潮。本文总结了国外近年来废气治理中气固流化床光催化反应器的研制及应用情况，并对其发展趋势进行了展望。

1 气固相光催化反应器的特点
光催化反应器与传统反应器的不同之处在于需要有光源的存在，因此它的设计更加复杂，除了考虑传统的反应器所涉及的如质量传递和混合、反应物和催化剂的接触、流动方式、反应动力学、催化剂的安装、温度的控制等问题外，还要考虑光能在反应器内的传播与均匀分布，因为只有吸收了适当的光子而被激活的催化剂才具有催化活性。另外，光强的选择也为重要，它对光催化反应的影响随反应物的不同而有所不同。但通常在较低光强下反应速率与光通量呈一级反应，在较高光强下反应速率为半级，即光效率随光强增加而下降。光催化反应器的反应能力受照射光分布和光强的影响这些特性给光反应器的理论分析、实验研究和工业化应用均带来了困难，多相体系中固体催化剂的存在更增加了问题的复杂性。
根据相态的不同，光催化反应器可分为气固相光催化反应器与液固相光催化反应器。与液固相相比，气固相光催化反应器通常需要在高气体体积流量下操作[2]，要求有很好的气密性，同时要便于物料的装卸；需要固定化的催化剂，若使用粉末催化剂，只能造成气阻增大，催化剂流失严重或分散不均等不利情况而影响。
整个光催化效果（但一般认为光催化剂固定后比表面积减小，其催化效率有所降低）。两者的相同点是，都需要实现反应物、催化剂与入射光的充分接触，这可以通过改善反应器中光的分布和提高催化剂的比表面积的方法来实现。气固流化床光催化反应器的研究进展

2 气固相光催化反应器的研究现状
半导体多相光催化反应的Z早研究可追溯到1972年日本科学家Fujihims和Honda次发现在近紫外光（380nm波长的光）的作用下，金红石型TiO2单晶电能使水在常温常压下连续分解为氢气和氧气。其在环保中的应用则始于1976年加拿大科学家John H. Catey等次将TiO2光催化应用于剧毒多氯联苯降解的研究。气固相光催化氧化技术至今未能工业化的一个Z主要原因是高效光反应器的缺乏。目前，开发结构简单、反应效率高的新型光反应器已成为气固相光催化技术的一个重要研究方向。
气固相光催化反应器根据结构可分为固定床和流化床两种类型。固定床结构简单，易于操作，随处理程度不同可一次性或回流循环处理。有关固定床光催化反应器的研究较多，出现了多种反应器类型，如间歇式反应器[3,4]、光导纤维反应器（OFR）[5,6]、环形反应器[7-9]、管状反应器[10-13]和整体构造反应器（即蜂窝状反应器）[14]等。
流化床的结构相对复杂，操作中需要满足压降小、高气速的要求，过程不易控制，因此研究难度较大，报道得较少。然而，流化床可改善传质条件，提供光对颗粒的连续照射，提高催化剂表面积与反应器容积之比，可通过调节载体膨胀率提高光的透射率。与固定床的比较研究表明[15,16]，流化床比固定床能更好地实现反应物、催化剂与入射光的充分接触，提高光催化效率。并且，由于流化床大的改善了污染物与催化剂的传质条件，比固定床更适合于处理较高浓度的**废气。流化床的这些优点已逐渐引起了人们的注意，为使气固相光催化反应实现大规模的工业化应用，流化床光反应器的研制和开发势在必行，国内外已有不少研究人员投入了该项工作，并取得了不菲的成绩。

3 气固流化床光催化反应器
气固流化床光催化反应器与其它工业流化床所不同的是：(1)在反应器中安装有人工紫外光源；(2)流化床中流态化颗粒表面负载有二氧化钛光催化剂（由于粉末二氧化钛*粘附聚结，流态化性质不好，所以常将二氧化钛负载在易流态化的颗粒表面）。根据流化床的光源内置和外置的不同，为使光、气、固充分接触，流化床可采用不同的几何形状，但目前，气固流化床光催化反应器主要限于实验室研究，因此多为“二维”流化床的形式。以下是近年来国外采用的几种用于气固相光催化反应研究的流化床类型。
3.1 平板流化床光反应器
平板流化床光反应器采用外置光源，由两个透光性能好的平板玻璃或塑料等垂直安装制成，两板间有一小间隔（一般为几个毫米）。半导体催化剂负载于颗粒状载体表面，装填于床中，由床层底部的多孔布气板支撑，同时混合有反应物的气流经布气板进入反应器使催化剂颗粒流态化，紫外光源垂直照射于反应面。这种反应器较易观察催化剂颗粒的运动、气流路径和气泡性质，而且结构简单，制作*，在研究中使用较多。
D. Iatridis[17]等在平板流化床中进行了光能吸收的研究，分析了透光系数和反射系数与反应器参数之间的关系。该反应器用高纯度氮气作载气，使催化剂颗粒流态化。采用氙光灯作光源，经过光栅，筛选出波长为560nm±4nm的光，再通过透镜，使光线平行，经累计球，照射于反应器，照射面积为3mm×6mm。研究表明，平均透光系数随床层膨胀高度和颗粒直径的平方根的增加而增加，随床层厚度的增加而减小；相反，平均反射系数随床层高度和颗粒直径的增加而减小。
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