CN107008214A - 一种光催化还原co2反应器 - Google Patents

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熊卓
王艺程
雷泽
张军营
郑楚光
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Abstract

本发明属于二氧化碳捕获相关设备领域，并公开了一种光催化还原CO2反应器，其整体呈圆筒体结构，并且从外到内依次包括呈空心圆柱体的加热层、附在加热层内壁上的反光层，以及同轴延伸安装在加热层内部的反应管和光源，其中反应管围绕光源呈螺旋状延伸，且其首尾两端分别具有物料进口和物料出口，内壁附有光催化剂，由此用于将待反应的CO2经由此反应管的中空管件内部保持盘旋地输送及同步反应。通过本发明，适于以高比表面积和高反应效率的方式来将CO2转化为碳氢化合物，同时具备结构紧凑、便于操控的特点。

Description

一种光催化还原CO2反应器
技术领域
本发明属于二氧化碳捕获相关设备领域，更具体地，涉及一种光催化还原CO2反应器，其适于以高比表面积和高反应效率的方式来将CO2转化为碳氢化合物，同时具备结构紧凑、便于操控的特点。
背景技术
近年来，大量温室气体如CO2的排放引起的温室效应已成为全球关注热点，而人类生产活动引起的大气中CO2浓度的增加也加速了温室效应对全球气候的影响。如何有效地降低CO2浓度成为人们关注的重点。
利用光催化还原的方法将CO2转化为碳氢化合物是一种颇具潜力的减排并同时利用CO2的有效办法。它采用半导体材料作为催化剂，当能量高于半导体禁带宽度的光照射到催化剂表面时，就会激发半导体内的电子从价带跃迁至导带，形成具有很强活性的电子空穴对，使得CO2的还原反应得以进行。该方法能耗低、成本低、无污染，在降低CO2排放的同时还实现了CO2的资源化利用。
现有技术中已经提出了一些光催化还原CO2反应器。例如，CN201610159514.0公开了一种光催化二氧化碳反应装置，其中将反应器由两个对称的主体构成，并通过夹紧装置相互连接固定；又如，WO2011086402公开了一种还原二氧化碳的实施设备，其中采用封闭反应容器来执行处理过程。然而，进一步的研究表明，上述这些反应设备可包括悬浮液反应器、常规固定床反应器等类型，但不同程度地均存在催化剂光利用率低、比表面积小等缺点，并直接影响到最终的光催化反应效率和质量。相应地，本领域亟需对此作出进一步的完善，以便更好地满足大批量规模化光催化还原CO2的应用需求。
发明内容
针对现有技术的以上不足或改进需求，本发明提供了一种光催化还原CO2反应器，其中通过充分结合CO2光催化还原反应的工艺特点来执行针对性设计，并对其关键组件的具体结构及其特定设置方式作出改进，相应与现有技术相比不仅能够显著延长反应物的停留时间，有利于与催化剂之间的充分接触，而且同时还可极大增加光催化剂的比表面积和承载量，并具备便于操控、反应充分和结构紧凑等特点，进而能够实现更为高效和高质的光催化还原处理过程，因而尤其适用于工业化大规模应用场合。
为实现上述目的，按照本发明，提供了一种光催化还原CO2反应器，其特征在于，该光催化还原CO2反应器整体呈圆筒体结构，并且从外到内依次包括加热层、反光层、反应管和光源，其中：
所述加热层呈空心圆柱体的形式，用于为整个光催化还原CO2反应器的内部提供及保持所需的温度；所述反光层附在该加热层的内壁上，并用于将所述光源所发射的光执行多次反射；
所述光源与所述加热层保持同轴地延伸设置，用于提供光照辐射来执行光催化反应；
所述反应管呈中空管件的形式，并围绕所述光源呈螺旋状延伸穿过整个所述加热层；此外，该反应管的首尾两端分别具有物料进口和物料出口，且其内壁附有光催化剂，由此用于将待反应的CO2经由此反应管的中空管件内部保持盘旋地输送及同步反应。
作为进一步优选地，所述光源为长弧灯管；并且其长度优选设定为1m。
作为进一步优选地，所述反应管的长度优选为3m，其外径和内径分别优选被设计为2cm～3.5cm和1.5cm～3cm。
作为进一步优选地，所述反应管的螺旋圈数优选为10～15，并且其回转半径优选为6cm～8cm。
作为进一步优选地，附在所述反应管内壁的光催化剂优选为TiO2催化剂。
作为进一步优选地，所述反光层优选为铝箔层，并且其厚度为2mm～3mm。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
1、通过对将整个反应器设置为圆筒状构造并对其内部组成部件的设置方式进行设计，特别是将反应管调整为螺旋状中空管件来始终围绕光源，同时布置有反光层和加热层，这样一方面能够显著延长反应物在反应管内的停留时间，同时增加光催化剂的比表面积，有利于反应物与催化剂之间的充分接触；另一方面还通过让光在一个相对狭小封闭的空间内不断反射，相应可极大提高光利用率，对于促进光催化还原的效率和质量都能起到明显的促进；
2、按照本发明的新型反应器通过将加热层直接包裹住核心反应部件，便于从外部更为有效地控制反应温度；此外，该反应器整体结构更为紧凑，不需要其他复杂笨重的附属设备，同时具备便于操控、反应充分等特点，进因而尤其适用于对CO2执行工业化大规模光催化还原的应用场合。
附图说明
图1是按照本发明所构建的光催化还原CO2反应器的整体结构示意图；
图2是用于更为具体地显示该光催化还原CO2反应器的内部组成构造的示意图；
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-加热层 2-反光层 3-反应管 4-光源
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图1是按照本发明所构建的光催化还原CO2反应器的整体结构示意图，图2是用于更为具体地显示该光催化还原CO2反应器的内部组成构造的示意图。如图1和图2所示，该光催化还原CO2反应器整体呈圆筒体结构，并且从外到内依次包括加热层1、反光层2、反应管3和光源4等组成部件，下面将对这些组成部件逐一进行详细解释说明。
加热层1被设计为呈空心圆柱体的形式，用于为整个光催化还原CO2反应器的内部提供及保持所需的温度；反光层2譬如可采用铝箔，并直接附在该加热层1的内壁上，并用于将置入在其内部的光源4所发射的光执行多次反射。
光源4优选被设计为杆状光源的形式，譬如为紫外的长弧灯管，它与所述加热层1保持同轴地延伸设置，用于提供光照辐射来执行光催化反应.
反应管3呈中空管件的形式，并始终围绕光源4呈螺旋状延伸穿过整个加热层1的内部；此外，该反应管3的首尾两端分别具有物料进口和物料出口，且其内壁附有譬如二氧化钛的光催化剂，由此用于将待反应的CO2经由此反应管的中空管件内部保持盘旋地输送及同步反应；以此方式，一方面能够显著延长反应物在反应管内的停留时间，同时增加光催化剂的比表面积，有利于反应物与催化剂之间的充分接触；另一方面还通过让光在一个相对狭小封闭的空间内不断反射，相应可极大提高光利用率，对于促进光催化还原的效率和质量都能起到明显的促进。
考虑到螺旋中空管结构的反应管在本发明中起到主要作用，下面对其关键结构参数作出进一步的研究和设计。
按照本发明的一个优选实施例，所述反应管的外径和内径分别优选被设计为2cm～3.5cm和1.5cm～3cm。此外，所述反应管的螺旋圈数优选为10～15，并且其回转半径优选为6cm～8cm。较多的测试表明，上述性能参数会直接影响到最终可获得的反应效率和质量，因此同样构成本发明关注的技术改进所在。
此外，本发明中还对反应管内负载光催化剂的方式作出了改进。具体而言，首先可将粉末状的光催化剂(例如二氧化钛与的乙醇按照237mg～450mg：30ml的配料比进行充分混合，并采用磁搅拌的方式30分钟至1小时且制备成质量百分比为1％～3％的悬浊液后，将该悬浊液通入螺旋反应管中，并向反应管中持续通入空气10小时以除去溶剂，由此使得一层光催化剂薄膜得以均匀附着在反应管的内壁上。
综上，按照本发明的光催化还原CO2反应器的光利用率高、催化剂比表面积大，而且能耗低、成本低、使用方便，因而尤其适用于对CO2执行工业化大规模光催化还原的应用场合。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种光催化还原CO2反应器，其特征在于，该光催化还原CO2反应器整体呈圆筒体结构，并且从外到内依次包括加热层(1)、反光层(2)、反应管(3)和光源(4)，其中：
所述加热层(1)呈空心圆柱体的形式，用于为整个光催化还原CO2反应器的内部提供及保持所需的温度；所述反光层(2)附在该加热层(1)的内壁上，并用于将所述光源(4)所发射的光执行多次反射；
所述光源(4)与所述加热层(1)保持同轴地延伸设置，用于提供光照辐射来执行光催化反应；
所述反应管(3)呈中空管件的形式，并围绕所述光源(4)呈螺旋状延伸穿过整个所述加热层；此外，该反应管(3)的首尾两端分别具有物料进口和物料出口，且其内壁附有光催化剂，由此用于将待反应的CO2经由此反应管的中空管件内部保持盘旋地输送及同步反应。
2.如权利要求1所述的一种光催化还原CO2反应器，其特征在于，所述光源(4)为长弧灯管。
3.如权利要求1或2所述的一种光催化还原CO2反应器，其特征在于，所述反应管(3)的长度优选被设计为3m，其外径和内径分别优选为2cm～3.5cm和1.5cm～3cm。
4.如权利要求1-3任意一项所述的一种光催化还原CO2反应器，其特征在于，所述反应管(3)的螺旋圈数优选被设计为10～15，并且其回转半径优选被设计为6cm～8cm。
5.如权利要求1-4任意一项所述的一种光催化还原CO2反应器，其特征在于，所述反光层(2)为铝箔层，并且其厚度为2mm～3mm。
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