CN101385964A - 一种管状光催化反应器 - Google Patents
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Abstract
一种管状光催化反应器，包括管状壳体(2)、光催化剂、紫外光源(4)、进口(1)和出口(6)，在管状壳体(2)的管轴线上安装有石英玻璃管(5)，绕石英玻璃管(5)设置螺旋叶片(3)，光催化剂负载在螺旋叶片(3)的表面，紫外光源(4)置于石英玻璃管(5)内。气体或液体经进口(1)进入反应器，沿螺旋叶片(3)运动，在紫外光源(4)的辐照作用下发生光催化反应，处理后经出口(6)排出。本发明的管状光催化反应器具有高光催化反应面积，光源利用充分，光催化处理效率高，且反应器结构简单，制作方便，可广泛用于液体或气体污染物的净化等领域。
Description
技术领域
本发明属于环境净化技术领域，涉及一种光催化反应装置，尤其是特别涉及一种管状光催化反应器。
背景技术
自1972年Fujishima和Honda发现利用半导体金属氧化物TiO2单晶电极可光分解水以来，半导体的光催化效应在环境治理和能源开发等方面引起人们的广泛关注和研究。现有的大量研究表明，利用光催化技术不仅能够处理多种有机污染物，而且具有很好的杀菌及抑制病毒活性的作用，不会形成对人体有害的中间产物。
大量研究表明，纳米TiO2的光催化特性具有广谱性，几乎对所有的有机污染物都具有治理能力，利用光催化剂TiO2处理难降解的有机有害物效果明显。此外，用TiO2处理空气和水中的有机污染物，反应条件温和、能耗低，在紫外光照射或暴露在太阳光下即可发生反应。尤其是光催化剂TiO2具有催化活性高、氧化能力强、降解速度快、降解无选择性、廉价、无毒、稳定及可以重复使用，所需处理设备结构简单、操作条件容易控制，无二次污染等优点，备受人们关注。
近20年来，研究者在光催化的反应机理、催化剂制备和改性以及降解各种有机污染物等方面做了大量的研究，但是光催化技术的实际应用能力仍然受到光催化反应器有效设计的制约和阻碍。一个合理有效的光催化反应器应具备以下特点：①发射的光子能被催化剂有效吸收；②有足够的污染物传递到催化剂表面，使催化剂应尽可能多地与污染物接触。为促进污染物和催化剂接触反应，早期在光催化处理废水的研究中，大都将TiO2粉末与废水组成悬浮体系，但催化剂回收比较困难，而且这种方法显然不可能用于空气净化。将TiO2固定在某种载体上能很好地解决这些问题，近年来进行了大量的研究，也取得了较大的进展，如载体的形式有平板、蜂窝或薄片(02144673.3)等结构，载体使用透光性的光纤(中国专利01113708.8)、玻璃板或玻璃毛细管(中国专利200610029643.4)、玻璃纤维(中国专利200610048743.1)或多孔石英玻璃(中国专利200710018322.9)等。上述反应器均有各自的优点，但仍存在有效催化反应面积少、光源利用效率低及反应器结构、制作复杂的缺点，，在提高光催化反应器的有效反应面积方面的研究偏少，进展也有限，还未能很好地解决该问题。
光催化反应器作为光催化反应的主体设备，决定了催化剂活性的发挥和对光能的有效利用，也将直接影响光催化反应的效率，光催化反应器的设计和研制是多相光催化技术走向实用化的关键步骤。一个成功的光催化反应器必然体现了催化剂活性和光源利用的最优化组合，如何提高对光源的利用率及使催化剂活性得到最大发挥已成为光催化反应器研制和开发的中心，也是光催化研究的重点之一。
发明内容
本发明涉及一种新型光催化反应器设计，能克服现有的光催化反应器设计中存在的有效催化反应面积少，催化剂活性和光源利用效率低的技术缺陷，提供一种结构简单、具有高光催化反应面积的管状光催化反应器。
本发明采用的技术方案如下：
一种管状光催化反应器，包括管状壳体(2)、光催化剂、紫外光源(4)、进口(1)和出口(6)，其特征在于：在管状壳体(2)的管轴线上安装有石英玻璃管(5)，在管状壳体(2)与石英玻璃管(5)之间，绕石英玻璃管(5)设置螺旋叶片(3)，光催化剂负载在螺旋叶片(3)的表面，紫外光源(4)置于石英玻璃管(5)内。
所述的光催化反应器，一片或多片螺旋叶片(3)绕石英玻璃管(5)设置在管状壳体(2)与石英玻璃管(5)之间，在管状壳体(2)与石英玻璃管(5)之间的反应器空间内，形成螺旋状的反应物(气体或液体)通道(一条或多条)，增加光催化反应面积和受光面积，提高催化剂和光源利用效率。所述的螺旋叶片(3)，其与管轴的夹角为30°～75°。叶片的数量优选3～8片。
所述的光催化剂为纳米TiO2光催化剂。纳米TiO2光催化剂可以采用已知的方法，如溶胶—凝胶法、浆料法和喷涂法等方法负载在所述的螺旋叶片(3)上。所述的光催化剂还可以负载在所述的管状壳体(2)的内表面上。
紫外光源(4)置于石英玻璃管(5)内，石英玻璃管(5)把紫外光源和流体隔离开，可方便光源的维修和更换。
所述的进口(1)或出口(6)分别位于管状壳体(2)的两端，其方向优选管状壳体(2)的切线方向。
本发明所述的管状光催化反应器，光催化剂纳米TiO2负载在螺旋状叶片(3)的表面，需处理的气体或液体经进口(1)沿管状壳体(2)的切线方向进入反应器，沿螺旋叶片(3)运动，在紫外光源(4)的辐照作用下，气体或液体中的有害物质在螺旋叶片(3)表面与负载的纳米TiO2发生作用，比如发生氧化分解，净化处理后沿切线方向出口(6)排出。
与现有应用光催化原理的管状反应器相比，本发明的管状光催化反应器具有如下优点：
通常的管状光催化反应器，是在管壁表面负载光催化剂，在整个反应器中，流体只在管壁表面与催化剂接触进行反应。本发明的管状光催化反应器，采用螺旋叶片负载光催化剂，增加了流体在催化反应器内部运动的路程，有效地提高了多相光催化过程中流体和催化剂的接触面积，加大了流体与催化剂的接触几率，反应过程得到强化，光源利用充分，最终提高光催化处理的效率。而且本发明的光催化反应器结构简单，制作方便，可广泛用于液体或气体污染物的净化等领域。
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细描述。具体实施方式中对于本发明的描述和应用是说明性的，并非将本发明的范围限制在具体实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的宗旨或本质特征的情况下，本发明可以以其他形式、结构、布置或比例来实现。本发明所保护的范围并不以具体实施方式为限，而是由权利要求的范围加以限定。
附图说明
图1管状光催化反应器结构示意图
图2管状光催化反应器侧视图
具体实施方式
实施例1
应用纳米TiO2的管状光催化反应器，如图1和图2所示，由管状壳体2、负载纳米TiO2的螺旋叶片3、紫外光源4、石英玻璃管5、进口1和出口6组成。石英玻璃管5安装在管状壳体2的轴线上，紫外光源4置于石英玻璃管5内。纳米TiO2光催化剂负载在螺旋叶片3的表面，螺旋叶片3绕石英玻璃管5设置在管状壳体2与石英玻璃管5之间，叶片的数量为6片，其与管轴的夹角为45°。
需处理的空气经进口1沿管状壳体2的切线方向进入反应器，沿螺旋叶片3运动，在紫外光源4的辐照作用下，空气中的有害物质在螺旋叶片3表面与负载的纳米TiO2发生作用，氧化分解，净化处理后的空气经出口6沿管状壳体2的切向排出。
实施例2
应用纳米TiO2的管状光催化反应器，如图1和图2所示，由管状壳体2、负载纳米TiO2的螺旋状叶片3、紫外光源4、石英玻璃管5、进口1和出口6组成。石英玻璃管5安装在管状壳体2的轴线上，紫外光源4置于石英玻璃管5内。纳米TiO2光催化剂负载在螺旋叶片3的表面，螺旋叶片3绕石英玻璃管5设置在管状壳体2与石英玻璃管5之间，叶片的数量为8片，其与管轴的夹角为75°。
需处理的水经进口1沿管状壳体2的切线方向进入反应器，沿螺旋叶片3运动，在紫外光源4的辐照作用下，水中的有害物质在螺旋叶片3表面与负载的纳米TiO2发生作用，氧化分解，净化处理后的水经出口6沿管状壳体2的切向排出。
实施例3
应用纳米TiO2的管状光催化反应器，如图1和图2所示，由管状壳体2、负载纳米TiO2的螺旋状叶片3、紫外光源4、石英玻璃管5、进口1和出口6组成。石英玻璃管5安装在管状壳体2的轴线上，紫外光源4置于石英玻璃管5内。纳米TiO2光催化剂负载在螺旋叶片3的表面，螺旋叶片3绕石英玻璃管5设置在管状壳体2与石英玻璃管5之间，叶片的数量为3片，其与管轴的夹角为30°。
需处理的空气经进口1沿管状壳体2的切线方向进入反应器，沿螺旋叶片3运动，在紫外光源4的辐照作用下，空气中的有害物质在螺旋叶片3表面与负载的纳米TiO2发生作用，氧化分解，净化处理后的空气经出口6沿管状壳体2的切向排出。
Claims (6)
1、一种管状光催化反应器，包括管状壳体(2)、光催化剂、紫外光源(4)、进口(1)和出口(6)，其特征在于：在管状壳体(2)的管轴线上安装有石英玻璃管(5)，在管状壳体(2)与石英玻璃管(5)之间，绕石英玻璃管(5)设置螺旋叶片(3)，光催化剂负载在螺旋叶片(3)的表面，紫外光源(4)置于石英玻璃管(5)内。
2、根据权利要求1所述的管状光催化反应器，其特征在于所述的螺旋叶片(3)与管轴的夹角为30°～75°。
3、根据权利要求1所述的管状光催化反应器，其特征在于所述的螺旋叶片(3)的数量为3～8片。
4、根据权利要求1所述的管状光催化反应器，其特征在于所述的光催化剂还负载在所述的管状壳体(2)的内表面上。
5、根据权利要求1至4所述的任一管状光催化反应器，其特征在于所述的光催化剂为纳米TiO2。
6、根据权利要求1至4所述的任一管状光催化反应器，其特征在于所述的进口(1)或出口(6)的方向为管状壳体(2)的切线方向。
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