CN102974292A - 一种自控式外照光化学反应设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自控式外照光化学反应器，包括箱体、反应系统和控制系统，箱体分为上下两层，上箱体上安装由电源保护开关、镇流器、继电器和微电脑控制器组成的控制系统，下箱体设置有反应系统，反应系统包括石英反应器、磁力搅拌器和光源单元，本发明还包括取样系统，取样系统包括微量计量泵、组分收集器、电脑时控开关和电磁阀。使用时，取样系统向石英反应器输入反应液，由控制系统控制反应系统的开始和停止，石英反应器在磁力搅拌器和光源的作用下充分混合反应。本发明可定时开、关机，自动调节光照功率和强度，自动定量取样，反应液能够充分均匀混合反应，同时温度可控并且能保持反应温度恒定。

Description

一种自控式外照光化学反应设备

技术领域

本发明涉及一种光化学反应的装置，尤其是用于研究和实验的光化学反应的装置。

背景技术

光化学反应不仅是污染物在环境中发生的最重要的自然转化过程之一，也是目前环境领域研究比较多的一种具有潜在利用价值的污染物控制技术。它是一种涉及到多学科结合的技术应用，综合体现了新技术和新材料的发展，在解决日益严重的水、空气、土壤等环境污染问题和新功能材料开发等方面具有广阔的应用前景。光化学反应的光源主要采用紫外光(UV)或可见光(VIS)，以半导体界面光化学反应为例，在光照射下半导体粒子价带上的电子激发到导带，形成导带上具有强还原性的自由电子，同时在价带留有具有强氧化性的空穴。生成的电子和空穴与催化剂表面吸附的化合物发生一系列氧化还原反应，在生成的各种氧化物种的作用下，各类污染物最终被矿化成二氧化碳和水。光化学反应设备作为光化学反应过程的核心设备，在光化学领域应用中具有十分重要的地位。

高等院校环境专业是一个理论性、技术性、实践性很强的专业，实践教学是培养学生过程中的一个重要环节。光化学实验课程是一门专业研究性实验课程，开设研究性光化学实验教学一方面可以使学生真正了解实验原理，增加实验兴趣，取得良好的实验教学效果；另一方面使学生在这项研究性实验中不断强化基础知识并融会贯通，激发学生的创新实践能力，培养环境专业素质及科研意识。

然而，受到教学实验设备的局限，光化学实验教学课程未能在高校普遍开展。目前国内适用于光化学实验教学成套设备的生产厂家并不多，并且不仅购置费用高，而且普遍存在反应过程取样困难、光源不易控制及反应物混合不充分等不足。

因此，有必要针对现有光化学实验教学设备的不足之处，设计出一种经济实用、安全可靠、灵活多用及自控一体化操作，适用于环境专业研究性光化学实验教学设备。

中国专利申请号为201010293017.2公开了一种多试管搅拌—旋转式光化学反应的方法和装置，光化学反应的试管同时由磁子对试管内进行搅拌，试管围绕的中心光源采用二种滤光方法：化学滤光液滤光或采用滤光片滤光，内夹层通过冷却水，石英冷却内层放置光源。该设备的多根试管可以同时接受光照，同时设有对试管内光化学反应的液体进行通气参与反应或进行通气保护。虽然该设备能确保反应溶液浓度的均匀性及其接受光照的均匀性，但是却不能实现自动控制一体化的操作。

中国专利申请号为200820120401.0公开了一种多功能光化学反应器，包括反应器和控制器两部分，反应器部分包括石英杯，旋转平台，慢速电机，若干根紫外灯管，风扇，加热板；石英杯设置于旋转平台上，旋转平台下设有慢速电机，若干根紫外灯管设置反应器的两侧壁上，加热板和风扇设于反应器的底部，反应器的顶部设有出风口；控制器部分定时控制仪，温度控制仪，紫外线灯的控制按钮。该反应器虽然能够调节紫外线照射，样品在旋转过程中受照射均匀，温度可控，但是仍不能完全实现自动控制一体化的操作。

发明内容

本发明的目的是克服现有光化学反应设备的不足，提供一种经济实用、安全可靠、灵活多样及自控一体化操作，适用于光化学实验教学设备的光化学反应设备。

本发明的目的是通过以下的技术方案实现：

一种自控式外照光化学反应设备，包括箱体、反应系统和控制系统，箱体分为上箱体和下箱体，箱体底部设有滑轮；所述的上箱体前面设有上门板，上门板设有锁定开关，上箱体后面设有电缆孔，上箱体侧板设有散热窗；下箱体前面设有下门板，下门板上设有锁定开关和观察窗，下箱体侧面设有散热窗、管孔和温控探头，下箱体后面设有风扇；所述的控制系统安装在上箱体内，控制系统包括镇流器、电源保护开关、继电器和微电脑控制器；所述的反应系统包括磁力搅拌器、石英反应器和光源单元；反应系统安装在下箱体内，下箱体底板上设置磁力搅拌器，磁力搅拌器上设置石英反应器，下箱体中部设置光源单元；所述的磁力搅拌器通过导线分别与继电器和微电脑控制器连接；所述的光源单元通过导线分别与镇流器、电源保护开关、继电器和微电脑控制器连接；所述的温控探头通过导线分别与继电器和微电脑控制器连接。

上述的一种自控室外照光化学反应设备，还包括取样系统，所述的取样系统包括微量计量泵、组分收集器、电脑时控开关以及电磁阀，取样系统安装在箱体外部，通过管路与石英反应器连接，电磁阀安装在管路上；所述的电脑时控开关安装在上门板上。

上述的一种自控式外照光化学反应设备，石英反应器包括出气孔、带磨口塞的温度计、气体取/加样口及液体回流口、磨口密封盖、冷却水出口、强制混合玻璃挡板、夹套、搅拌子、液体取样口和冷却水进口；所述的磨口密封盖设置在石英反应器上部，出气孔、气体取/加样口及液体回流口设置在磨口密封盖上，带磨口塞的温度计穿过磨口密封盖插入石英反应器内；石英反应器内安装有强制混合玻璃挡板，石英反应器下部设置搅拌子，石英反应器下端设有液体取样口，石英反应器外部设有夹套，夹套下端设有冷却水进口，夹套上端设有冷却水出口。

上述的一种自控式外照光化学反应设备，所述的光源单元包括支架和光源、支架安装在下箱体内，光源固定在支架上。

上述的一种自控式外照光化学反应设备，所述的光源为高压汞灯或氙气灯或金卤灯，设置1根以上。

上述的一种自控式外照光化学反应设备，所述的反应系统里设有1—4个磁力搅拌器和石英反应器。

使用时，取样系统将需要进行光化学反应的样品输送到石英反应器中，在磁力搅拌器的作用下，试验样品在石英反应器中得以充分混合，在外照光的作用下，反应物进行光化学反应。风扇和散热窗能够冷却反应过程中的热量，并且带走石英反应器中产生的废气。

本发明的有益效果在于：

1、本发明设置的控制系统，可实现光化学反应设备的定时的自动开、关机的功能，也可以调节光照的功率和强度，同时温度可控并能保持反应温度的恒定，有利于实验研究的准确性和便利性；

2、本发明的取样系统可以实现无人看守条件下完成定时、定量取样及留存，使得该光化学反应设备的取样适应性强；

3、本发明采用了石英反应器，配合磁力搅拌器，可以完成料液的完全混合；同时在石英反应器外部设有夹套，可以通入冷却水，从而能有效冷却反应过程中产生的热量；

4、本发明的箱体设有风扇和散热窗，能冷却反应过程中产生热量的同时也能带走反应中产生的废气；

5、本发明的光源可以选择不同的灯，可以完成不同的光化学实验；关闭电源后，还可以完成暗吸附以及其他各种吸附性实验，使得本设备能够多灵活运用。

附图说明

图1为本发明一种自控式光化学反应设备的内部结构示意图

图2为本发明一种自控式光化学反应设备的石英反应器结构示意图及取样系统示意图

附图标识：1-箱体，2-上箱体，3A-散热窗，3B-散热窗，4-电缆孔，5-镇流器，6-电源保护开关，7-继电器，8-微电脑控制器，9-上门板，10A-锁定开关，10B-锁定开关，11-下门板，12-观察窗，13-下箱体，14-滑轮，15-支架，16-光源，17-磁力搅拌器，18-石英反应器，19-管孔，20-温控探头，21-风扇，22-出气孔，23-带磨口塞温度计，24-气体取/加样口及液体回流口，25-磨口密封盖，26-冷却水出口，27-强制混合玻璃挡板，28-夹套，29-搅拌子，30-液体取样口，31-冷却水进口，32A-电磁阀，32B-电磁阀，32C-电磁阀，33-微量计量泵，34-组分收集器，35-电脑时控开关，36-管路。 

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例详细描述本发明的具体内容。

实施例1：

如图所示，本自控式外照光化学反应设备设有箱体1，箱体分为上箱体2和下箱体13，箱体1底部设有4个滑轮14，便于设备的移动。上箱体1设有上门板9，上门板9上设有锁定开关10A，上箱体1后面设有电缆孔4，供电缆通过，上箱体2侧面板上设有散热窗3A。本自控式外照光化学反应设备的控制系统安装在上箱体2中。电源保护开关6、继电器7、电脑时控开关35和微电脑控制器8安装在上门板9上，镇流器5安装在上箱体2的横板上。下箱体13设有下门板11，下门板11设有锁定开关10B和观察窗12，用于观察箱体内部设备运行情况。下箱体13的侧面板设有散热窗3B和温控探头20，下箱体13后板上端设有风扇21，能够有效散去反应过程中产生的热量。本设备的反应系统安装在下箱体13中，反应系统包括支架15、光源16、磁力搅拌器17和石英反应器18。下箱体13的底板上设置2个磁力搅拌器17，磁力搅拌器17上各设有一个石英反应器18，下箱体13底板中部设有支架15，支架15上固定有光源16。光源16与镇流器5、继电器7和微电脑控制器8通过导线进行电连接，磁力搅拌器17通过导线分别与继电器7和微电脑控制器8电连接，温控探头20通过导线分别与继电器7和微电脑控制器8电连接，可实现光化学反应设备的定时的自动开、关机的功能，也可以调节光照的功率和强度，同时温度可控并能保持反应温度的恒定。本自控式外照光化学反应设备还设有取样系统，所述的微量计量泵33、组分收集器34、电脑时控开关35和电磁阀32A、电磁阀32B及电磁阀32C。取样系统安装在箱体1的外部，微量计量泵33通过管路36穿过管孔19与石英反应器18的液体取样口30连接，电磁阀32A、电磁阀32B和电磁阀32C均安装在管路36上。

本自控式外照光化学反应设备中的石英反应器18包括出气孔22、带磨口塞的温度计21、气体取/加样口及液体回流口24、磨口密封盖25、冷却水出口26、强制混合玻璃挡板27、夹套28、搅拌子29、液体取样口30以及冷却水进口31。磨口密封盖25设置在石英反应器18上部，出气孔22、气体取/加样口及液体回流口24设置在磨口密封盖25上，带磨口塞的温度计23穿过磨口密封盖25插入石英反应器18内。石英反应器18内安装有强制混合玻璃挡板27，石英反应器18设置搅拌子29。石英搅拌器18的下端设有液体取样口30，外部设有夹套28，夹套28下端设有冷却水进口31，夹套28上端设有冷却水出口26。工作时，液体反应物通过管路36从液体取样口30中进入到石英反应器18内，石英反应器18在磁力搅拌器17的带动下工作，反应物在磁子作用下充分混合，受到外照光的作用后开始反应。夹套28中通入冷却水，能带走石英反应器18中因磁子搅拌以及光照产生的热量。

使用本自控式外照光化学反应设备进行染料甲基橙紫外光直接光降解。

取20 mg/L的甲基橙溶液150 mL 置于石英反应器18中，盖好磨口密封盖25，插入带磨口塞的温度计23，将冷却水进水口31和出水口26分别与冷却水循环装置连接。接通微电脑控制器8、磁力搅拌器17、温控风扇21以及镇流器5的电源，磁力搅拌器17和温控风扇21开始工作。通过微电脑控制器8设置继电器7延时30 min 开启，关上上门板9和下门板11，进行暗吸附反应实验。30 min后，继电器7自动接通光源16的电源，光降解反应开始进行。同时接通微量计量泵33、组分收集器34以及电脑时控开关35的电源，设置取样时间为15、30、45、60、75、90、105和120 min。在取样时，在电脑时控开关35的控制下，电磁阀32C、32A开启，反应液在微量计量泵33的作用下经管路36和气体取/加样口及液体回流口24进入石英反应器18内部，循环2 min后。在电脑时控开关35的作用下，电磁阀32C关闭，电磁阀32B开启，组分收集器34自动收集样品5 mL后，在电脑时控开关35的作用下，电磁阀32B、32A以及微量计量泵34自动关闭，直至进入下一次取样。取样后用紫外—可见分光光度计测定溶液吸光度，得到甲基橙浓度变化情况，并计算甲基橙的光降解率。

实施例2

如图所示，本自控式外照光化学反应设备设有箱体1，箱体分为上箱体2和下箱体13，箱体1底部设有4个滑轮14，便于设备的移动。上箱体1设有上门板9，上门板9上设有锁定开关10A，上箱体1后面设有电缆孔4，供电缆通过，上箱体2侧面板上设有散热窗3A。本自控式外照光化学反应设备的控制系统安装在上箱体2中。电脑时控开关35、电源保护开关6、继电器7和微电脑控制器8安装在上门板9上，镇流器5安装在上箱体2的横板上。下箱体13设有下门板11，下门板11设有锁定开关10B和观察窗12，用于观察箱体内部设备运行情况。下箱体13的侧面板设有散热窗3B、管孔19和温控探头20，下箱体13后板上端设有风扇21，能够有效散去反应过程中产生的热量。本设备的反应系统安装在下箱体13中，反应系统包括支架15、光源16、磁力搅拌器17和石英反应器18。下箱体13的底板上设置4个磁力搅拌器17，各个磁力搅拌器17上设有一个石英反应器18，下箱体13底板中部设有支架15，支架15上固定有光源16。光源16与镇流器5、继电器7和微电脑控制器8通过导线进行电连接，磁力搅拌器17通过导线分别与继电器7和微电脑控制器8电连接，温控探头20通过导线分别与继电器7和微电脑控制器8电连接，可实现光化学反应设备的定时的自动开、关机的功能，也可以调节光照的功率和强度，同时温度可控并能保持反应温度的恒定。

本自控式外照光化学反应设备还设有取样系统，所述的取样系统包括微量计量泵33、组分收集器34、电脑时控开关35和电磁阀32A、电磁阀32B及电磁阀32C。取样系统安装在箱体1的外部，微量计量泵33通过管路36穿过管孔19与石英反应器18的液体取样口30连接，电磁阀32A、电磁阀32B和电磁阀32C均安装在管路36上。

本自控式外照光化学反应设备中的石英反应器18包括出气孔22、带磨口塞的温度计23、气体取/加样口及液体回流口24、磨口密封盖25、冷却水出口26、强制混合玻璃挡板27、夹套28、搅拌子29、液体取样口30以及冷却水进口31。磨口密封盖25设置在石英反应器18上部，出气孔22、气体取/加样口及液体回流口24设置在磨口密封盖25上，带磨口塞的温度计23穿过磨口密封盖25插入石英反应器18内。石英反应器18内安装有强制混合玻璃挡板27，石英反应器18设置搅拌子29。石英搅拌器18的下端设有液体取样口30，外部设有夹套28，夹套28下端设有冷却水进口31，夹套28上端设有冷却水出口26。工作时，液体反应物通过管路36从液体取样口30中进入到石英反应器18内，石英反应器18在磁力搅拌器17的带动下工作，反应液在磁子作用下充分混合，受到外照光的作用后开始反应。夹套28中通入冷却水，能带走石英反应器18中因磁子搅拌以及光照产生的热量。

使用本自控式外照光化学反应设备在无光照时进行生物碳吸附染料甲基蓝的实验。

取20 mg/L和40mg/L的甲基蓝溶液各200 mL 置于石英反应器18中，再加入0.5 g的生物碳，盖好磨口密封盖25，插入带磨口塞的温度计23，将冷却水进水口31和出水口26分别与冷却水循环装置连接。接通微电脑控制器8、磁力搅拌器17、温控风扇21以及镇流器5的电源，磁力搅拌器17和温控风扇21开始工作。关上上门板9和下门板11，进行暗吸附反应实验。同时接通微量计量泵33、组分收集器34以及电脑时控开关35的电源，设置取样时间为0、15、30、45、60、75、90、105和120 min。在取样时，在电脑时控开关35的控制下，电磁阀32C、32A开启，反应液在微量计量泵33的作用下经管路36和气体取/加样口及液体回流口24进入石英反应器18内部，循环2 min后。在电脑时控开关35的作用下，电磁阀32C关闭，电磁阀32B开启，组分收集器34自动收集样品5 mL后，在电脑时控开关35的作用下，电磁阀32B、32A以及微量计量泵34自动关闭，直至进入下一次取样。取样后用分光光度计测定溶液吸光度，得到甲基蓝浓度变化情况，从而可根据溶液中甲基蓝浓度的变化进行染料脱色率的计算。

Claims (6)

1.一种自控式外照光化学反应设备，包括箱体（1）、反应系统和控制系统，其特征在于：所述的箱体（1）分为上箱体（2）和下箱体（13），箱体（1）底部设有滑轮（14）；所述的上箱体（2）前面设有上门板（9），上门板（9）设有锁定开关（10A），上箱体（2）后面设有电缆孔（4），上箱体（2）侧板设有散热窗（3A）；下箱体（13）前面设有下门板（11），下门板（11）上设有锁定开关（10B）和观察窗（12），下箱体（13）侧面设有散热窗（3B）、管孔（19）和温控探头（20），下箱体（13）后面设有风扇（21）；所述的控制系统安装在上箱体（2）内，控制系统包括镇流器（5）、电源保护开关（6）、继电器（7）和微电脑控制器（8）；所述的反应系统包括磁力搅拌器（17）、石英反应器（18）和光源单元；反应系统安装在下箱体（13）内，下箱体（13）底板上设置磁力搅拌器（17），磁力搅拌器（17）上设置石英反应器（18），下箱体（13）中部设置光源单元；所述的磁力搅拌器（17）通过导线分别与继电器（7）和微电脑控制器（8）连接；所述的光源单元通过导线分别与镇流器（5）、电源保护开关（6）、继电器（7）和微电脑控制器（8）连接；所述的温控探头（20）通过导线分别与继电器（7）和微电脑控制器连接（8）。

2.根据权利要求1所述的一种自控室外照光化学反应设备，其特征在于：还包括取样系统，所述的取样系统包括微量计量泵（33）、组分收集器（34）、电脑时控开关（35）以及电磁阀（32A、32B、32C），取样系统安装在箱体（1）外部，通过管路（36）与石英反应器（18）连接，电磁阀（32A、32B、32C）安装在管路（36）上；所述的电脑时控开关（35）安装在上门板（9）上。

3.根据权利要求1或2所述的一种自控式外照光化学反应设备，其特征在于：所述的石英反应器（18）包括出气孔（22）、带磨口塞的温度计（23）、气体取/加样口及液体回流口（24）、磨口密封盖（25）、冷却水出口（26）、强制混合玻璃挡板（27）、夹套（28）、搅拌子（29）、液体取样口（30）以及冷却水进口（31）；所述的磨口密封盖（25）设置在石英反应器（18）上部，出气孔（22）、气体取/加样口及液体回流口（24）设置在磨口密封盖（25）上，带磨口塞的温度计（23）穿过磨口密封盖（25）插入石英反应器（18）内；石英反应器（18）内安装有强制混合玻璃挡板（27），石英反应器（18）下部设置搅拌子（29），石英反应器（18）下端设有液体取样口（30），石英反应器（18）外部设有夹套（28），夹套（28）下端设有冷却水进口（31），夹套（28）上端设有冷却水出口（26）。

4.根据权利要求1所述的一种自控式外照光化学反应设备，其特征在于：所述的光源单元包括支架（15）和光源（16），支架（15）安装在下箱体（13）内，光源（16）安装在支架（15）上。

5.根据权利要求4所述的一种自控式外照光化学反应设备，其特征在于：所述的光源（16）为高压汞灯或氙气灯或金卤灯，设置1根以上。

6.根据权利要求1所述的一种自控式外照光化学反应设备，其特征在于：所述的反应系统里设有1—4个磁力搅拌器（17）和石英反应器（18）。

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