CN106830171B - 一种聚光强化型太阳能光催化反应器 - Google Patents

一种聚光强化型太阳能光催化反应器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种聚光强化型太阳能光催化反应器，包括两组平行且形成高度落差的槽式聚光反应装置，槽式聚光反应装置中的石英玻璃反应管置于槽式聚光镜的聚焦位置处并用支架支撑；定日跟踪系统连接并支撑槽式聚光镜；两组槽式聚光反应装置之间，分别通过冷却管和循环管连接，形成闭合循环通路；循环管的低位端设置开口并连接给料管，给料管依次连接给料泵和反应液容器；循环管的高位端设置开口并连接三通接头，分别连接缓冲稳压罐和采样管。本发明通过利用石英玻璃反应管的优良透光性、定日跟踪系统的特点、槽式聚光镜的聚光作用以及反光罩的二次补光作用，提高了对太阳光的综合利用效率，为光催化反应提供了足够的太阳光光照强度。

Description

一种聚光强化型太阳能光催化反应器
技术领域
本发明涉及一种聚光强化型太阳能光催化反应器，用于液体有机污染物的光催化降解，属于光催化技术领域。
背景技术
环境和能源是直接影响人类生存和发展的重大问题。近年来，随着我国经济的快速发展和人民生活水平的提高，大量有毒、难降解的污染物如化学药剂、农药、重金属以及亚硝酸盐等进入环境，尤其是水资源，导致严重水质污染。目前对难生化降解的有机废水，由于技术、经济等原因，仍缺乏有效的治理手段。光催化作为一种最有希望解决环境和能源问题绿色技术之一，不仅可在环境领域应用，如利用光能降解环境中的有机和无机污染物和实现污水处理，而且也可以应用于能源领域，如脂肪酸光催化脱羧生成少一个碳原子的烷烃及光催化水分解制氢能。因此光催化技术及其装置的研究成为目前研究的重点。
而太阳光是一种取之不尽、用之不竭的能源，阳光中有4%～6%的光能激发催化剂，如果能将这部分光用于光催化反应，该技术将有很大的实际应用潜力。我国地域辽阔，年日照时间大于2000h的地区约占全国国土面积的2/3，处于利用太阳能较有利的区域内,近年来，国内外对太阳能光催化技术在各污水处理、有机物降解方面取得了一定的成果，而合理地设计光催化反应器是光催化技术开发的关键影响因素之一。目前国内外关于不同太阳能光催化反应器开发设计比较活跃，但光催化反应器仍存在光源利用效率和传质效率低、装置复杂、受光强度不均等问题，这将制约光催化反应器技术的开发，同时反应器是否适用于实际应用或者大批量处理仍然是考虑的问题。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题，本发明提供了一种聚光强化型太阳能光催化反应器，采用多种措施增强太阳光的光照强度和利用率，以强化的太阳光作为光催化反应的光源，并提供其他有利的光催化反应条件，从而使光催化反应高效进行。
本发明采用的技术方案：一种聚光强化型太阳能光催化反应器，主要包括两组平行且形成高度落差的槽式聚光反应装置，所述槽式聚光反应装置主要包括石英玻璃反应管、槽式聚光镜、定日跟踪系统和支架；石英玻璃反应管置于槽式聚光镜的聚焦位置处，并用连接石英玻璃反应管和槽式聚光镜的支架支撑；定日跟踪系统连接并支撑槽式聚光镜；两组槽式聚光反应装置之间，一端通过冷却管连接同侧的两根石英玻璃反应管，另一端通过循环管连接同侧的两根石英玻璃反应管，形成闭合循环通路；循环管的低位端设置开口并连接给料管，给料管依次连接给料泵和反应液容器；循环管的高位端设置开口并连接三通接头，三通接头的另外两端分别连接缓冲稳压罐和采样管。
进一步优化的，所述石英玻璃反应管的上方设置反光罩，并用连接反光罩和石英玻璃反应管的支架支撑。
进一步优化的，所述反应液容器内设置搅拌装置；进一步优化的，所述搅拌装置为悬臂式搅拌器。
进一步优化的，所述冷却管为蛇形冷却管。
进一步优化的，两组槽式聚光反应装置之间的高度落差为5-100cm；所述槽式聚光镜的聚焦倍数为20-100。
进一步优化的，石英玻璃反应管与冷却管及循环管的连接处采用金属波纹管固定。因为利用金属波纹管具有的弹性作用，可以解决受高温应力效应导致石英玻璃反应管端口撕裂的问题，使石英玻璃反应管在微正压条件下正常使用。
本发明中反应液在石英玻璃反应管内接受太阳光照并进行光催化反应，因为石英玻璃的透光性最好，能够透过绝大部分太阳光，而且石英玻璃还具有耐高温耐腐蚀等优点。本发明采用现有技术中的定日跟踪系统，通过定日跟踪系统带动槽式聚光镜随太阳位置的变动而转动，使槽式聚光镜始终保持正对太阳，实现在日照时间段内最优化利用太阳光照。
本发明中的槽式聚光镜将照射在其镜面上的太阳光聚集起来，全部照向位于聚焦位置处的石英玻璃反应管，为光催化反应提供足够的太阳光光照强度。另外，设置在石英玻璃反应管上方的反光罩可以反射并再次聚集太阳光，对石英玻璃反应管的上方进行二次补光，从而保证石英玻璃反应管的上方也可以接受到足够的太阳光照。
所以，本发明通过利用石英玻璃反应管的优良透光性、定日跟踪系统的特点、槽式聚光镜的聚光作用以及反光罩的二次补光作用，极大的提高了对太阳光的综合利用效率，为光催化反应提供了足够的太阳光光照强度，从而可以有效增强光催化反应效率。
本发明中两根石英玻璃反应管、冷却管和循环管围成一个闭合循环通路。由于反应液流经冷却管后温度降低，使得反应液在两根石英玻璃反应管内具有不同的温度，这种温度差会产生一定的温差推动力，使不同温度的反应液可以交换流动。而且，这种温度差也会导致两根石英玻璃反应管内具有不同的气压，由此产出了一定的压差推动力。另外，两组槽式聚光反应装置之间的的高度落差也会产生重力推动力。受以上三种推动力的共同作用，使反应液在两根石英玻璃反应管之间可以实现自动上下循环流动。在反应液的动态循环流动过程中，冷却管调控光催化剂与反应液的反应温度；而且，光催化剂在反应液中可以得到持续分散避免沉淀，并可以与太阳光充分接触，进一步提高光催化反应效率。
本发明中的搅拌装置可以对加入反应液容器中的光催化剂和液体进行预混合，形成稳定均匀的反应液后，在给料泵的调控作用下由给料管加入到由两根石英玻璃反应管、冷却管和循环管围成的闭合循环通路中。而且，当光催化反应完成后，也可以利用给料泵的反转功能将石英玻璃反应管中的反应液排出。
本发明可以通过缓冲稳压罐维持石英玻璃反应管内的压力稳定，因为光催化反应过程中可能会产生的气体以及在受热条件下产生的蒸汽，会导致石英玻璃反应管内部的气压升高，缓冲稳压罐可以防止由此产生的高气压。本发明还可以通过采样管对光催化反应一定时间后的反应液进行取样分析，评价光催化反应效率。
本发明通过采用多种措施提高太阳光综合利用率和增强太阳光光照强度，以聚集强化后的太阳光为光源，为光催化反应提供了充足的太阳光照，而且还提供了反应液的动态循环流动过程，从而可以使光催化反应高效进行。另外，本发明整体设计合理，设置了安全防护装置，加工制作容易，在实际使用过程中操作简单。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2 为本发明中槽式聚光反应装置的纵截面示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例，对本发明的技术方案作进行进一步详细的说明。
如图1和图2中所示，本发明主要包括两组平行且形成高度落差的槽式聚光反应装置，所述槽式聚光反应装置主要包括石英玻璃反应管1、槽式聚光镜2、定日跟踪系统3和支架4；石英玻璃反应管1置于槽式聚光镜2的聚焦位置处，并用连接石英玻璃反应管1和槽式聚光镜2的支架4支撑；石英玻璃反应管1的上方设置反光罩12，并用连接反光罩12和石英玻璃反应管1的支架4支撑；定日跟踪系统3连接并支撑槽式聚光镜2；
两组槽式聚光反应装置之间，一端通过冷却管5连接同侧的两根石英玻璃反应管1，而且所述冷却管5为蛇形冷却管；另一端通过循环管6连接同侧的两根石英玻璃反应管1，形成闭合循环通路；
循环管6的低位端设置开口并连接给料管7，给料管7依次连接给料泵8和反应液容器9；所述反应液容器9内设置搅拌装置13；循环管6的高位端设置开口并连接三通接头，三通接头的另外两端分别连接缓冲稳压罐10和采样管11。
本发明中的两根石英玻璃反应管1、冷却管5和循环管6围成一个闭合循环通路，反应液在循环通路内部上下循环流动。而且，反应液在透光性最好的石英玻璃反应管1内接受太阳光照进行光催化反应。本发明中的定日跟踪系统3能够带动槽式聚光镜2随太阳位置的变动而转动，使槽式聚光镜2始终保持正对太阳。本发明中的槽式聚光镜2将照射在其镜面上的太阳光聚集起来，全部照向位于聚焦位置处的石英玻璃反应管1上；石英玻璃反应管1上方的反光罩12可以再次反射并聚集太阳光，对石英玻璃反应管1的上方进行二次补光，即槽式聚光镜2和反光罩12通过对太阳光的反射聚集，提供强化后的太阳光作为光催化反应的光源。
本发明的操作过程为：首先，将光催化剂和液体加入反应液容器9中，并利用搅拌装置13进行预混合，形成稳定均匀的反应液。接着，在给料泵8的调控作用下，反应液由给料管7加入到由两根石英玻璃反应管1、冷却管5和循环管6围成的闭合循环通路中，直到循环通路中充满反应液为止。然后，反应液在闭合循环通路内流动，在流经石英玻璃反应管1时接受充足的太阳光照进行光催化反应。在光催化反应进行过程中，反应液受热会产生的蒸汽以及光催化反应会产生的气体，导致石英玻璃反应管1内的气压升高，通过缓冲稳压罐10降低产生的高气压以维持石英玻璃反应管1内的气压稳定。当需要对光催化反应效率进行评价时，可以通过采样管11对反应液进行取样分析。最后，当光催化反应完成后，也可以利用给料泵8的反转功能将石英玻璃反应管1中的反应液排出。
最后需要说明的是，以上文字和附图描述了本发明的主要结构特征和工作原理，但是本领域的技术人员应该了解，本发明不受上述具体实施方式的的限制，在不脱离本发明基本设计构思的前提下，对本发明所做的多种变形方式也应该在本发明的的保护范围内。

Claims (8)

1.一种聚光强化型太阳能光催化反应器，主要包括两组平行且形成高度落差的槽式聚光反应装置，所述槽式聚光反应装置主要包括石英玻璃反应管（1）、槽式聚光镜（2）、定日跟踪系统（3）和支架（4）；石英玻璃反应管（1）置于槽式聚光镜（2）的聚焦位置处，并用连接石英玻璃反应管（1）和槽式聚光镜（2）的支架（4）支撑；定日跟踪系统（3）连接并支撑槽式聚光镜（2）；
两组槽式聚光反应装置之间，一端通过冷却管（5）连接同侧的两根石英玻璃反应管（1），另一端通过循环管（6）连接同侧的两根石英玻璃反应管（1），形成闭合循环通路；
循环管（6）的低位端设置开口并连接给料管（7），给料管（7）依次连接给料泵（8）和反应液容器（9）；循环管（6）的高位端设置开口并连接三通接头，三通接头的另外两端分别连接缓冲稳压罐（10）和采样管（11）。
2.根据权利要求1所述的一种聚光强化型太阳能光催化反应器，其特征在于：所述石英玻璃反应管（1）的上方设置反光罩（12），并用连接反光罩（12）和石英玻璃反应管（1）的支架（4）支撑。
3.根据权利要求1或2所述的一种聚光强化型太阳能光催化反应器，其特征在于：所述反应液容器（9）内设置搅拌装置（13）。
4.根据权利要求3所述的一种聚光强化型太阳能光催化反应器，其特征在于：所述搅拌装置（13）为悬臂式搅拌器。
5.根据权利要求1或2所述的一种聚光强化型太阳能光催化反应器，其特征在于：所述冷却管（5）为蛇形冷却管。
6.根据权利要求1或2所述的一种聚光强化型太阳能光催化反应器，其特征在于：所述石英玻璃反应管（1）与冷却管（5）及循环管（6）的连接处采用金属波纹管固定。
7.根据权利要求1或2所述的一种聚光强化型太阳能光催化反应器，其特征在于：两组槽式聚光反应装置之间的高度落差为5-100cm。
8.根据权利要求1或2所述的一种聚光强化型太阳能光催化反应器，其特征在于： 所述槽式聚光镜的聚焦倍数为20-60。
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