CN104190343A - 具有光源逆向布置的多光纤反应通道反应器 - Google Patents

具有光源逆向布置的多光纤反应通道反应器 Download PDF

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袁凯
杨立军
杜小泽
杨勇平
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Abstract

本发明公布了光催化技术领域的一种用于还原二氧化碳的光源逆向布置的多光纤反应通道反应器。在底座上水平放置固定多光纤反应通道反应器，密封装置固定在多光纤反应通道反应器上下两边，通道入口和通道出口分别固定在多光纤反应通道反应器左右两边；紫外光源紧靠通道出口，光的传输方向与反应物的流动方向相反，光源功率可调，通道入口处设置搅拌装置，使反应物充分混合并均匀流入反应器。同时每个独立的反应通道内均匀布置四根光纤，光纤的结构参数、光学性能完全一致。该结构使物质浓度、光强分布更加均匀。多根光纤的布置加强了光子的利用，更多的光子到达催化剂涂层参与反应，反应效率得以改进，反应产物甲醇浓度得以提高。

Description

具有光源逆向布置的多光纤反应通道反应器
技术领域
本发明属于光催化技术领域，特别涉及一种用于还原二氧化碳的具有光源逆向布置的多光纤反应通道反应器。
背景技术
随着经济社会发展，化石燃料的需求日益增加。化石燃料燃烧过程产生大量二氧化碳等物质，加剧了地球温室效应，因而捕获二氧化碳迫在眉睫。目前，二氧化碳捕获技术主要分为燃后捕获、燃前捕获和富氧燃烧这三大类。作为燃后捕获的一种方式，光催化还原技术采用外加光源照射具有光催化活性的半导体，将二氧化碳还原成甲醇等有机燃料，可很好地缓解温室效应。
光催化反应主要受催化剂活性、反应器结构性能的影响。作为光催化反应的载体，光催化反应器的结构直接影响光子的传输和吸收进而影响反应效率。与其它光催化反应器相比，蜂窝光纤反应器将光纤传导光与光纤负载催化剂两者相结合，既提高了光子传输效率和利用效率，又增加了反应面积，具有较高的反应效率。
蜂窝光纤反应器由大量的平行直通流道组成，每个流道(单元)中的光辐照场和流动场都相对独立，通过增加流道可实现反应器的规模化。每个独立的流道内布置一根光纤传导光，但随着传输距离的增加，光子数量减少，光照强度减弱，进而影响反应的进行，所以光强仍是制约蜂窝光纤反应器效率的主要因素。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有光源逆向布置的多光纤反应通道反应器，其特征在于，将光源布置在通道出口处，光的传输方向与反应物的流动方向相反，光源功率可调；在底座6上水平放置固定多光纤反应通道反应器1，并由底座固定于实验装置内；密封装置7固定在多光纤反应通道反应器1上下两边，通道入口3和通道出口5分别固定在多光纤反应通道反应器1左右两边；紫外光源2紧靠通道出口5，并与密封装置7固定，混合搅拌装置4安装在通道入口3内；其中密封装置7中充满惰性气体用于隔绝外界空气；反应前从通道入口3处通入惰性气体，一方面检查装置气密性，另一方面排出反应器中的空气，目的在于更好地测量反应的转化效率；
所述多光纤反应通道反应器包括5-25个相互独立的单个多光纤反应通道8，每个多光纤反应通道之间由陶瓷材料连接，使光照、反应互不干涉，相互独立，通过反应通道数的增加实现反应器的规模化。
所述每个多光纤反应通道的结构为在反应通道内均匀布置多根光纤9，在光纤外表面10与多光纤反应通道内表面11之间形成流动通道12，从而新增多个反应表面。在光纤外表面10与多光纤反应通道内表面11上涂有催化剂。因此，多根光纤的共同作用加强了反应器内的光强，反应物二氧化碳和水蒸气进一步高效地吸收光子，提高了光子的利用效率，更多光子到达催化剂表面参与反应，提高了反应效率，反应产物浓度更高。
所述反应通道内均匀布置多根光纤，其多根光纤为四根同等的光纤。这种布置方式使物质浓度、光强分布更加均匀。
所述光纤的半径为0.5mm，长度为60mm。
本发明的有益效果是通过光源的逆向布置，而且多根光纤安置于一个反应通道，光强分布更加均匀并得以加强，光催化反应的效率得以提高；催化剂涂层面积随光纤数量的增加而增加，进而提高反应产量；通过改变光源的输入功率和四根光纤的相对位置，可以得到不同的辐照场，进行对比实验，从而得到最优效率时的光源功率和光纤布置。
附图说明
图1为多光纤反应通道反应器的结构示意图。
图2为图1的截面示意图。
图3为反应器单个反应通道的结构示意图。
其中各编号对应名称为：多光纤反应通反应器1、紫外光源2、通道入口3、混合搅拌装置4、通道出口5、固定底座6、密封装置7、单个多光纤反应通道8、光纤9、光纤外表面10、多光纤反应通道内表面11、流动通道12。
具体实施方式
本发明提出一种具有光源逆向布置的多光纤反应通道反应器。下面结合附图对本发明予以说明。
在图1所示的光源逆向布置的多光纤反应通道反应器的结构示意图中，在底座6上水平放置固定多光纤反应通道反应器1，并由底座固定于实验装置内；密封装置7固定在多光纤反应通道反应器1上下两边，通道入口3和通道出口5分别固定在多光纤反应通道反应器1左右两边；紫外光源2紧靠通道出口5，光的传输方向与反应物的流动方向相反，光源功率可在200W/m2到800W/m2范围内调节，并与密封装置7固定；混合搅拌装置4安装在通道入口3内；其中密封装置7中充满惰性气体用于隔绝外界空气；反应前从通道入口3处通入惰性气体，一方面检查装置气密性，另一方面排出反应器中的空气，目的在于更好地测量反应的转化效率；
为了更好地测量反应的转化效率，反应进行前，通道入口3、多光纤反应通道反应器1、通道出口5均用真空泵抽真空。在图2所示的多光纤反应器的截面示意图中，多光纤反应通道反应器1包括19个独立的多光纤反应通道8。每个多光纤反应通道之间由陶瓷材料连接，光照、反应等互不干涉，相互独立。通过增加多光纤反应通道数可实现光催化反应的规模化。在图3所示的单个多光纤反应通道的结构示意图中，反应物在流动通道12中流动，在涂有掺杂了1％NiO/InTaO4(sg)的TiO2颗粒催化剂的四个光纤外表面10、多光纤反应通道内表面11上发生反应。单个多光纤反应通道8的半径为3mm，长度为50mm。
首先打开紫外光源2，混合搅拌装置4，接着在通道入口3处通入二氧化碳和水蒸气等反应物，混合搅拌装置4使反应物充分混合，以一定速度均匀流入多光纤反应通道反应器1中，在四个光纤外表面10、多光纤反应通道内表面11处发生光催化还原反应。经过一定时间的反应，产物甲醇和氧气从通道出口3处流出，测量得出产物的浓度。
本发明在紫外光源照射下，在催化剂涂层表面发生反应，200s后产物浓度基本稳定。与已有反应器的结果1.77×10-5mol/m3相比，本发明的产物浓度达到2.32×10-5mol/m3，提高了31.1％，充分说明了本发明所述的实验装置可以更加高效地还原二氧化碳并产生更多的甲醇燃料。

Claims (5)

1.一种具有光源逆向布置的多光纤反应通道反应器，其特征在于，将光源布置在通道出口处，光的传输方向与反应物的流动方向相反，光源功率可调；在底座(6)上水平放置固定多光纤反应通道反应器(1)，并由底座固定于实验装置内；密封装置(7)固定在多光纤反应通道反应器(1)上下两边，通道入口(3)和通道出口(5)分别固定在多光纤反应通道反应器(1)左右两边；紫外光源(2)紧靠通道出口(5)，并与密封装置(7)固定，混合搅拌装置(4)安装在通道入口(3)内；其中密封装置(7)中充满惰性气体用于隔绝外界空气，反应前从通道入口(3)处通入惰性气体，一方面检查装置气密性，另一方面排出反应器中的空气，目的在于更好地测量反应的转化效率。
2.根据权利要求1所述一种具有光源逆向布置的多光纤反应通道反应器，其特征在于，所述多光纤反应通道反应器包括5-25个相互独立的单个反应通道(8)，每个反应通道之间由陶瓷材料连接，使光照、反应互不干涉，相互独立，从而通过反应通道数的增加实现反应器的规模化。
3.根据权利要求1所述一种具有光源逆向布置的多光纤反应通道反应器，其特征在于，所述每个反应通道的结构为在反应通道内均匀布置多根光纤(9)，在光纤外表面(10)与多光纤反应通道内表面(11)之间形成流动通道(12)，从而新增多个反应表面，并在光纤外表面(10)与多光纤反应通道内表面(11)上涂有催化剂，多根光纤的共同作用加强了反应器内的光强，反应物二氧化碳和水蒸气进一步高效地吸收光子，提高了光子的利用效率，更多光子到达催化剂表面参与反应，提高了反应效率，反应产物浓度更高。
4.根据权利要求1所述一种具有光源逆向布置的多光纤反应通道反应器，其特征在于，所述反应通道内均匀布置多根光纤，其多根光纤为四根同等的光纤，这种布置方式使物质浓度、光强分布更加均匀。
5.根据权利要求1所述一种具有光源逆向布置的多光纤反应通道反应器，其特征在于，所述光纤的半径为0.5mm，长度为60mm。
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