CN103394318B - 一种高光效率光催化反应器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高光效率光催化反应器，属光催化技术领域。该反应器包括箱体、设置在箱体内的反应器本体（7）、磁力搅拌器（6）、滤光片（3）、散热风扇（9）和光源(10)，滤光片（3）将箱体分隔为两个腔体，即第一腔体（A）和第二腔体（B），分别作为反应区和光源区；磁力搅拌器(6)设置在第一腔体（A）底部，反应器本体（7）设置在磁力搅拌器（6）上方，由磁力搅拌器（6）实现反应物的均匀分散；采用隔板将第二腔体（B）分为上下两个腔体，散热风扇（9）设置在下腔体，光源（10）设置在上腔体。本发明结构简单、成本低等众多优点于一身，体现出了优越的光催化性能。

Description

一种高光效率光催化反应器

技术领域

本发明涉及光催化反应设备技术领域，更具体地说，涉及一种高光效率光催化反应器，可以用来进行光降解有机物、光催化分解水等光催化领域研究。

背景技术

随着能源危机的逐步加剧，以及化石能源使用过程中带来的环境问题每况愈下，寻求一种可再生的清洁能源是人类的迫切愿望。太阳能是一种取之不尽用之不竭的能源，收集太阳能并将其转化为方便使用的二次能源成了研究者突破的目标。

自1972年研究者发现紫外光照下TiO₂能够实现水分解为氢气与氧气以来，针对半导体催化水分解以及半导体催化废水处理的研究引起了广大研究者的关注。能量以氢气形式储存比电能或热能储存起来方便很多，此外氢气热值高（≈143kJ/g），清洁环保，无毒害等众多优势。

研究表明，部分半导体化合物对太阳光有一定的响应，在特定的条件下能够实现高效制氢（或者制氧），具有代表性的TiO₂（制氢）、WO₃（制氧）等；此外更研究了类似植物体光合作用的“Z-型”光催化体系，能够同时实现制氢和制氧等。

由光催化水分解制氢（制氧）过程衍生出来的光催化下净化还原性（氧化性）废水研究也取得了很大的进展。

近年来，研究者在光催化领域做了大量的研究，但是光催化技术的应用能力仍然受到光催化反应器合理设计的制约和阻碍。最初的“外照式”反应器虽然结构简单，但是存在光能利用效率低下等显著缺陷。而后普遍采用的“内照式”反应器因冷却系统、光源外形等条件限制，造价太高而难以普遍使用。具体来讲，光源内部照射，需要将光源设置在反应器的内部，因考虑到光源散热问题，还需循环供水降温，这样就需要特殊结构的反应器，反应器结构复杂，从而增加了反应器的制造成本。

如何保证光能有效利用的前提下，降低反应器结构的复杂程度，是本领域需要迫切解决的问题。

发明内容

发明目的：本发明提供了一种高光效率光催化反应器，结合内照式和外照式反应器的众多优点，提高光能利用效率的同时降低了反应器设计的复杂程度，从而大大降低了制造成本。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供了一种高光效率光催化反应器，该反应器包括箱体、设置在箱体内的反应器本体、磁力搅拌器、滤光片、散热风扇和光源，其中：

滤光片将箱体分隔为两个腔体，即第一腔体和第二腔体，分别作为反应区和光源区，滤光片用于为反应器本体提供符合波长要求的光线；

磁力搅拌器设置在第一腔体底部，反应器本体设置在磁力搅拌器上方，由磁力搅拌器实现反应物的均匀分散；

采用隔板将第二腔体分为上下两个腔体，散热风扇设置在下腔体，光源设置在上腔体。

优选的，第一腔体的内壁为第一抛物线平面，第二腔体的内壁为第二抛物线平面，该两个抛物线平面的焦距不同，在该两个抛物线平面的壁上分别涂有100%反射率的镜面材料，反应器本体设置于第一腔体抛物面焦点处，光源设置于第二腔体抛物面焦点处。

优选的，光源选用100～300W高压汞灯作为紫外光源，或选用50～500W氙灯作为可见光源。

有益效果：本发明将反应器本体和光源均设置在箱体内，重要的是将反应器和光源设置于抛物面的焦点，利用光学原理充分利用光辐射能，克服了“外照式”反应器光能利用率较低的缺点，实现将光源设置在反应器本体外侧却能够有比内侧更高的光能利用效率。由于光源设置在反应器本体外侧，反应器结构简单，不涉及任何精细的制作过程，降低了反应器的制造成本。抛物面的箱体设计代替了辐射防护，可以有效抑制光污染。

本发明的一系列优化方案中，对光源无特殊要求，可以是普通平行光源也可以是特种外形光源；底座式散热风扇代替原循环冷却水系统，利用了热空气上升这一特点进行高效散热，同样可以实现连续工作。

附图说明

图1为反应器的俯视图。

图2为反应器的主视图。

图3为一种常见光源工作原理光路图。

图4为另一种常见光源工作原理光路图。

其中，图中包括：

反应器本体7、磁力搅拌器6、滤光片3、散热风扇9和光源10；

第一腔体A、第二腔体B；

第一抛物线平面1，第二抛物线平面5；

散热风扇9，反应产物出料口8，外接收集装置及检测仪器。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。

本发明公开了一种高光效率光催化反应器，提高光能利用效率的同时降低了反应器设计的复杂程度。下面对本发明实施例中的技术方案进行进一步描述。

如图1～2，图1为本发明实施例提供的高光效率光催化反应器俯视图；图2为本发明实施例提供的反应器主视图。

本发明提供的高光效率光催化反应器，该反应器包括箱体、设置在箱体内的反应器本体7、磁力搅拌器6、滤光片3、散热风扇9和光源10，其中：

滤光片3将箱体分隔为两个腔体，即第一腔体A和第二腔体B，分别作为反应区和光源区，滤光片3用于为反应器本体7提供符合波长要求的光线；

磁力搅拌器6设置在第一腔体A底部，反应器本体7设置在磁力搅拌器6上方，由磁力搅拌器6实现反应物的均匀分散；

采用隔板将第二腔体B分为上下两个腔体，散热风扇9设置在下腔体，光源10设置在上腔体。

第一腔体A的内壁为第一抛物线平面1，第二腔体B的内壁为第二抛物线平面5，该两个抛物线平面的焦距不同，在该两个抛物线平面的壁上分别涂有100%反射率的镜面材料，反应器本体7设置于第一腔体A抛物面焦点处，光源10设置于第二腔体B抛物面焦点处。

光源10选用100～300W高压汞灯作为紫外光源，或选用50～500W氙灯作为可见光源。

本发明所提供的高效光催化反应器，包括反应器本体和光源等基本部件外。本发明重点在于，箱体设计成两个焦距不同的抛物平面，内壁涂有高反射率的氧化铝镜面材料，反应器本体设置在第一腔体A的第一抛物平面1的焦点处，光源设置在第二腔体B的第二抛物平面5的焦点处。箱体由滤光片分隔成两个腔体，反应器与光源分别设置在两个腔体内，三者位于同一水平线上。光线通过滤光片照射在反应器本体上，通过设置不同的滤光片可以选择提供特定波长的光线，以满足不同的实验要求。

以平行光源为例，平行光透过滤光片成为特定波长的平行光，部分光线能够直接照射到反应器本体上，而另外一部分光将照射到箱体上，箱体内壁反射这部分光线，都会通过抛物平面的焦点，即反应器本体所在位置（光路如图3所示）。利用光学原理大大提高了光能利用率，提高了反应效率，其他光源也具有相似工作原理，大部分光能够转变成平行光（光路如图4所示）。镜面箱体设置提高光效率的同时可以作为防辐射装置，有效降低了光污染。

本发明将光源设置在反应器本体外侧，因此可在外侧对反应器本体2进行照射，使得反应器本体7无需设计容纳光源的腔体，故对反应器本体7的结构无特殊要求，可采用普通不同容积的玻璃、石英透明容器作为反应器本体。简化了反应器本体的结构，降低了反应器结构的复杂程度，故而大幅降低了反应器的制造成本。

本发明第二腔体B由一镂空隔板分为上下两个腔体，光源与散热风扇分别设置在隔板两侧。由于反应器的特殊光学特性，对光源无特殊结构要求，可以是普通的平行光源，当然也可以是特种结构光源，常用的是100～300W高压汞灯作为紫外光源以及50～500W氙灯模拟太阳可见光。将散热风扇设置在隔板下方，应用热空气上升原理可以更好地降低光源温度，实现光源连续工作。用风扇代替原来的循环水冷却系统不仅能够节约大量的水资源，还能大大降低反应器设计复杂程度。

综上所述，本发明综合“外照式”和“内照式”等目前常见光催化反应器的众多优点，取长补短，利用多种物理原理，以简单、低成本的设计达到了更高的光能利用效率。本发明配套稳定的光源和科学的设计，特别适合光催化降解有机物、光分解水等光化学科学研究。

Claims (1)

1.一种高光效率光催化反应器，其特征在于该反应器包括箱体、设置在箱体内的反应器本体(7)、磁力搅拌器(6)、滤光片(3)、散热风扇(9)和光源(10)，其中：

滤光片(3)将箱体分隔为两个腔体，即第一腔体(A)和第二腔体(B)，分别作为反应区和光源区，滤光片(3)用于为反应器本体(7)提供符合波长要求的光线；

磁力搅拌器(6)设置在第一腔体(A)底部，反应器本体(7)设置在磁力搅拌器(6)上方，由磁力搅拌器(6)实现反应物的均匀分散；

采用隔板将第二腔体(B)分为上下两个腔体，散热风扇(9)设置在下腔体，光源(10)设置在上腔体；

第一腔体(A)的内壁为第一抛物线平面(1)，第二腔体(B)的内壁为第二抛物线平面(5)，该两个抛物线平面的焦距不同，在该两个抛物线平面的壁上分别涂有100％反射率的镜面材料，反应器本体(7)设置于第一腔体(A)抛物面焦点处，光源(10)设置于第二腔体(B)抛物面焦点处；

光源(10)选用100～300W高压汞灯作为紫外光源，或选用50～500W氙灯作为可见光源。