CN103406084B - 一种气相光催化反应装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种气相光催化反应装置，该装置包括：气相反应室、气相对比室、光诱导系统、气氛及气压调节控制装置、温度和湿度调节控制装置、气体循环泵、气相反应物及产物浓度检测装置。通过组合调节气氛及气压调节控制装置、温度和湿度调节控制装置以及相应控制阀门，该装置可以使得光催化反应实验在不同温度、湿度、不同氧含量及气压、不同气流等条件下进行，从而模拟研究光催化材料在不同环境条件下的光催化性能。本发明装置反应条件可控、系统密闭性优异、测试稳定性高，有助于客观准确的表征光催化材料的性能，从而推进光催化材料的应用。
Description
技术领域：
本发明属于材料性能的表征方法和装置，尤其是光催化材料降解气相污染物性能的表征装置的一种气相光催化反应装置。
背景技术：
光催化环境净化材料，特别是半导体光催化材料如二氧化钛，可将光能转化为化学能，在空气净化、污水处理、抗菌除臭、防雾以及自清洁等领域有巨大的应用前景。但由于光催化材料的性能受到多种环境因素如气压、氧含量、温度、湿度、气流等因素的影响，而难以在恒定条件下进行准确的评价。因而需要在上述环境条件下去表征光催化材料的性能，以便对其性能进行准确的评价和指导实际应用。但目前国内外尚缺乏可同时模拟上述环境因素的气相光催化性能检测装置。现有的一些相关检测装置在测试过程中难以准确调控温度、湿度、气压、氧含量、气流等环境因素，同时还存在测试周期较长、容易泄露、负压采样等问题，难以得到环境因素对光催化材料性能的影响规律以及快速准确评价光催化材料的性能。
本发明针对上述问题创新性地提出了一个测试稳定性高、系统密闭性优异的气相光催化反应装置，该装置可以准确模拟气压、氧含量、温度、湿度以及气流等各种环境条件及其综合作用对材料光催化性能的影响，用以准确测试在不同环境条件下材料的光催化性能。
发明内容：
本发明的目的在于解决上述问题，提出了一种可以模拟实际环境条件、密闭性优异、系统稳定性高的气相光催化反应装置。
本发明是通过以下技术方案是：一种气相光催化反应装置，其特征在于，该装置包括用于提供气源的钢瓶、气压调节控制装置、气体流量计、第一三通接口、第二三通接口、气体加湿装置、气体混合室、第一三通调节阀、气相反应室、第二三通调节阀、第三三通接口、气体循环泵、气相对比室、光诱导系统和恒温控制装置；
其中，所述气相反应室由反应室腔盖和反应室双层腔体组成，所述反应室腔盖通过螺栓与所述反应室双层腔体固接，所述气相对比室由对比室腔盖和对比室双层腔体组成，所述对比室腔盖通过螺栓与所述对比室双层腔体固接，所述反应室腔盖与对比室腔盖的上端面中心位置均设置高透石英玻璃窗口，所述高透石英玻璃窗口四周设有进气口、出气口、真空泵接口、气压显示记录仪接口、温度和湿度显示记录仪接口、气相反应物及产物浓度检测装置接口；所述反应室双层腔体与所述对比室双层腔体之间通过连接管连通，并通过连接管与所述恒温控制装置连接，所述反应室双层腔体与所述对比室双层腔体内均装填有控温介质；
2个所述钢瓶通过气压调节控制装置、气体流量计后分别与第一三通接口的两个接口连接，所述第一三通接口的另一个接口与所述第二三通接口的一个接口连通，所述第二三通接口的另两个接口通过管道分别与所述气体加湿装置的进气口和所述气体混合室的一个进气口连通，所述气体加湿装置的出气口通过管道与所述气体混合室的另一个进气口连通，所述气体混合室与所述第一三通调节阀的一个接口连接，所述第一三通调节阀的另两个接口通过管道分别与所述气相反应室的进气口和气体循环泵的一端连接，所述气相反应室的出气口与第二三通调节阀的一个接口连接，所述第二三通调节阀的另两个接口分别与气相对比室的进气口和第三三通接口的一个接口连接，所述第三三通接口的另两个接口分别与气相对比室的出气口和气体循环泵的另一端连接，所述光诱导系统置于所述气相反应室的所述高透石英玻璃窗口上端，所述气体加湿装置和气体混合室的侧壁均为双层腔体，所述双层腔体通过管路与所述恒温控制装置连接，所述恒温控制装置控制所述双层腔体内均装填的控温介质。
进一步，所述气体加湿装置由侧开气孔的盘管结构和水浴装置及恒温控制装置构成，所述盘管结构置于所述水浴装置中。
进一步，所述的光诱导系统由氙灯光源、配有滤波片及衰减片的氙灯光源、白炽灯、荧光灯、LED光源、高压汞灯和光强测试及反馈调节装置构成，通过装置组合，光诱导系统的光源波长在200~800nm范围内可控调节，平均光照强度在0.5~500mW/cm2范围内可控调节。
进一步，所述装置中循环气体的流量在0.05~5L/min范围内可控调节 。
本发明的有益效果是：采用本发明制备的气相光催化反应装置，可以模拟不同温度、湿度、氧含量、气压、光照以及气流等应用环境条件下的光催化反应。该装置具备反应条件可控、测试稳定性高、系统密闭性好等特点，为研究光催化材料在不同应用环境下的光催化性能提供了一种快速有效的表征设备，有助于推进光催化材料的实际应用进程。
附图说明：
图1为本发明气相光催化反应装置总示意图。
图2为本发明气相反应室及气相对比室结构示意图。
图中：
1.钢瓶，2、气体加湿装置，3、气体混合室，4、光诱导系统，5、气相反应室，6、气相对比室，7、恒温控制装置，8、气体循环泵，9、气相反应室腔盖，10、气相对比室腔盖，11、温度和湿度显示记录仪接口， 12、气压显示记录仪接口，13、出气口，14、进气口，15、真空泵接口，16、高透石英玻璃窗口，17、气相反应物及产物浓度检测装置接口，18、连接管，19、气压调节控制装置，20、气体流量计，21、第一三通接口，22、第二三通接口， 23、第一三通调节阀，24、第二三通调节阀，25、第三三通接口、26、侧开孔的盘管结构，27、水浴装置，28、反应室双层腔体，29、对比室双层腔体。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步说明。
如图1所示，本发明一种气相光催化反应装置，该装置包括用于提供气源的钢瓶1、气压调节控制装置19、气体流量计20、第一三通接口21、气体加湿装置2、第二三通接口22、气体混合室3、第一三通调节阀23、气相反应室5、第二三通调节阀24、第三三通接口25、气体循环泵8、气相对比室6、光诱导系统4和恒温控制装置7；
其中，气体加湿装置由侧开气孔的盘管结构26和水浴装置27及夹套式循环液体恒温控制装置7构成，侧开气孔的盘管结构26置于所述水浴装置27中；
所述气相反应室5由反应室腔盖9和反应室双层腔体28组成，所述反应室腔盖9通过螺栓与所述反应室双层腔体28固接，所述气相对比室6由对比室腔盖10和对比室双层腔体29组成，所述对比室腔盖10通过螺栓与所述对比室双层腔体29固接，所述反应室腔盖9与对比室腔盖10的上端面中心位置均设置高透石英玻璃窗口16，所述高透石英玻璃窗口16四周设有进气口14、出气口13、真空泵接口15、气压显示记录仪接口12、温度和湿度显示记录仪接口11、气相反应物及产物浓度检测装置接口17；所述反应室双层腔体28与所述反应室双层腔体29之间通过连接管18联通，并通过连接管18与所述恒温控制装置7连接，所述反应室双层腔体28与所述反应室双层腔体29内均装填有控温介质，保证气相反应室5和气相对比室6的温度相同；
2个所述钢瓶1通过气压调节控制装置19、气体流量计20后分别与第一三通接口21的两个接口连接，所述第一三通接口21的另一个接口与所述第二三通接口22的一个接口连通，所述第二三通接口23的另两个接口通过管道分别与所述气体加湿装置2的侧开气孔的盘管结构26的进气口和所述气体混合室3的一个进气口连通，所述气体加湿装置2的出气口通过管道与所述气体混合室3的另一个进气口连通，所述气体混合室3的出气口与所述第一三通调节阀23的一个接口连接，所述第一三通调节阀23的另两个接口通过管道分别与所述气相反应室5的进气口和所述气体循环泵8的一端连接，所述气相反应室5的出气口与所述第二三通调节阀24的一个接口连接，所述第二三通调节阀24的另两个接口通过管道分别与气相对比室6的进气口和第三三通接口25的一个接口连接，所述第三三通接口25的另两个接口通过管道分别与气相对比室6的出气口和气体循环泵8的另一端连接，所述光诱导系统4置于所述气相反应室5的所述高透石英玻璃窗口16上端，所述气体加湿装置2和气体混合室3的侧壁均为双层腔体，所述双层腔体通过管路与所述恒温控制装置7连接，所述恒温控制装置7控制所述双层腔体内均装填的控温介质。
所述的光诱导系统4由氙灯光源、配有滤波片及衰减片的氙灯光源、白炽灯、荧光灯、LED光源、高压汞灯和光强测试及反馈调节装置构成，上述光源的波长在200~800nm范围内可调。
本发明的工作原理是：
首先，通过真空泵连接到气相反应室5和气相对比室6的真空泵接口15上对气相反应室5、气相对比室6及相关连接管道进行抽真空，然后将装有高纯氧气和氮气的钢瓶1通过气压调节控制装置19将气体缓慢输出，气体通过气体流量计20和第一三通接口21的两个接口混合到一起，通过调节气体流量计20，两种气源的体积比可控制在（2~10）：1。将调节好体积比的混合气体通过第二三通接口22分别导入气体加湿装置2和气体混合室3中，干燥载气从加湿装置的进气口流进侧开气孔的盘管结构26，并从侧开气孔的盘管结构26的侧孔流出，饱和蒸汽从加湿装置的出气孔流出，并流向气体混合室3，气体混合室3内的气体湿度可控制在5~90RH%范围内，压力可以控制在0.5~10atm范围内。调节第一三通调节阀23，使已充分混合的气体从混合室3流向气相反应室5，调节第二三通调节阀24，可以使气体从气相反应室5的出气口流向气相对比室6的进气口，此时气相反应室5和气相对比室6及气体循环泵8串联接通；也可以使气体从气相反应室5的出气口直接流向气体循环泵8的进气口，此时气相反应室5与气体循环泵8串联接通，而气相对比室6独立于循环回路，循环回路的气压可以控制在0.5~5atm范围内。开灯光照前，气相反应室5和气相对比室6及气体循环泵8串联接通，使气体循环流动，流量可在0.05~5L/min范围内调节，2h后调节第二三通调节阀24使气体从气相反应室5出气口直接流向气体循环泵8，并从气相对比室6的气相反应物及产物浓度检测装置接口17采样测试相关物质浓度。采样测试完成后重新调节第二三通调节阀24使气体从气相反应室5出气口流向气相对比室6进气口。光照过程中任意时间点均可调节第二三通调节阀24使气相对比室6独立出气体循环回路，从气相对比室腔盖10的气相反应物及产物浓度装置接口17采样测试相关物质浓度，采样测试完成后，可随时调节第二三通调节阀24使气相对比室6重新接入密闭气体循环回路，通过调节恒温控制装置7控制气体加湿装置2、气体混合室3、气相反应室5和气相对比室6内的测试温度，气相反应室5和气相对比室6相连通腔体使二者之间在测试时温度保持相同。
以上所述仅是本发明的较佳实施方式，故凡依本发明专利申请范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均包括于本专利申请范围内。
Claims (4)
1.一种气相光催化反应装置，其特征在于，该装置包括用于提供气源的钢瓶（1）、气压调节控制装置（19）、气体流量计（20）、第一三通接口（21）、第二三通接口（22）、气体加湿装置（2）、气体混合室（3）、第一三通调节阀（23）、气相反应室（5）、第二三通调节阀（24）、第三三通接口（25）、气体循环泵（8）、气相对比室（6）、光诱导系统（4）和恒温控制装置（7）；
其中，所述气相反应室（5）由反应室腔盖（9）和反应室双层腔体（28）组成，所述反应室腔盖（9）通过螺栓与所述反应室双层腔体（28）固接，所述气相对比室（6）由对比室腔盖（10）和对比室双层腔体（29）组成，所述对比室腔盖（10）通过螺栓与所述对比室双层腔体（29）固接，所述反应室腔盖（9）与对比室腔盖（10）的上端面中心位置均设置高透石英玻璃窗口（16）,所述高透石英玻璃窗口（16）四周设有进气口（14）、出气口（13）、真空泵接口（15）、气压显示记录仪接口（12）、温度和湿度显示记录仪接口（11）、气相反应物及产物浓度检测装置接口（17）；所述反应室双层腔体（28）与所述对比室双层腔体（29）之间通过连接管（18）连通，并通过连接管（18）与所述恒温控制装置（7）连接，所述反应室双层腔体（28）与所述对比室双层腔体（29）内均装填有控温介质；
2个所述钢瓶（1）通过气压调节控制装置（19）、气体流量计（20）后分别与第一三通接口（21）的两个接口连接，所述第一三通接口（21）的另一个接口与所述第二三通接口（22）的一个接口连通，所述第二三通接口（22）的另两个接口通过管道分别与所述气体加湿装置（2）的进气口和所述气体混合室（3）的一个进气口连通，所述气体加湿装置（2）的出气口通过管道与所述气体混合室（3）的另一个进气口连通，所述气体混合室（3）与所述第一三通调节阀（23）的一个接口连接，所述第一三通调节阀（23）的另外两个接口通过管道分别与所述气相反应室（5）的进气口和所述气体循环泵（8）的一端连接，所述气相反应室（5）的出气口与第二三通调节阀（24）的一个接口连接，所述第二三通调节阀（24）的另两个接口分别与气相对比室（6）的进气口和第三三通接口（25）的一个接口连接，所述第三三通接口（25）的另两个接口分别与气相对比室（6）的出气口和气体循环泵（8）的另一端连接，所述光诱导系统（4）置于所述气相反应室（5）的所述高透石英玻璃窗口（16）上端，所述气体加湿装置（2）和气体混合室（3）的侧壁均为双层腔体，所述气体加湿装置（2）和气体混合室（3）的双层腔体通过管路与所述恒温控制装置（7）连接，所述恒温控制装置（7）控制所述反应室双层腔体（28）、所述对比室双层腔体（29）和气体加湿装置（2）和气体混合室（3）的双层腔体内均装填的控温介质。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述气体加湿装置（2）由侧开气孔的盘管结构（26）和水浴装置（27）及恒温控制装置（7）构成，所述盘管结构（26）置于所述水浴装置（27）中。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的光诱导系统（4）由氙灯光源、配有滤波片及衰减片的氙灯光源、白炽灯、荧光灯、LED光源、高压汞灯和光强测试及反馈调节装置构成，上述光源波长在200~800nm范围内调节，光照强度在0.5~500mW/cm2范围内可控调节。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，该装置中循环气体的流量在0.05~5L/min范围内调节 。
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