CN107983271B - 连续流磁-水力搅拌多段式顺磁性光催化反应床 - Google Patents

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Abstract

连续流磁‑水力搅拌多段式顺磁性光催化反应床，涉及光催化领域。该反应床为浅层流化床，每个反应床单元按流向依次包含超低频磁力搅拌段A、水力搅拌段B和光催化段C，采用多个反应床单元；多个反应床单元串联相接为完整的反应床，在反应单元之间采用部分回流。首先送入超低频磁力搅拌段A，途径电磁铁，受超低频磁场垂直振动搅拌后，进入水力搅拌段B，经过水力搅拌段B渐缩部分流入喉部减压，再经过突然扩大处，突然减速形成湍流；利用反应体系的流体特性令湍流维持在后续透光的光催化段C内并同时进行光催化，实现强化搅拌，达到更新催化剂表面的目的，反应床单元整体透光并受光照射，光照催化主要在C段发生，能提高光催化技术。

Description

连续流磁-水力搅拌多段式顺磁性光催化反应床
技术领域
本发明涉及光催化领域，尤其是具有超顺磁性的催化剂的应用领域。
背景技术
当今世界正面临着两大严峻挑战，一是能源短缺，二是环境污染。而人类社会要想实现可持续发展，则必须解决这两大问题。在当前状况下，中国既是能源短缺国，又是能源消耗国。因而改进技术和提高能源利用率对我国来说迫在眉睫。现有技术中，光催化在能源转换、环境净化、环境保护和卫生保健等方面具有重要的应用前景。
提高光催化技术，可以从两方面进行考虑。首先是需要开发出高效的光催化材料。这种材料需要满足带隙与太阳光谱匹配、导价带能级位与反应物电极电位匹配、高量子效率和光化学稳定等性能要求。光催化材料的研究现状和发展趋势包括如下几个方面：1、光催化材料的太阳能转换效率逐步提高；2、对于光催化机理的认识逐步提高； 3、光催化反应效率的手段得到改善；4、新奇物理机制的光催化材料逐渐兴起。
其次，提高光催化技术，可以在一定技术上改进光催化反应器，提高光利用率。有如下三点可以改进：1、在反应器上设计薄层，使其透光，尽可能的将外部光线全部用于反应；2、改变催化剂的分布，不仅可以使纳米级的颗粒分布均匀，同时可以改善大颗粒物质沉积的情况，使各部分受光时间以及受光面积达到均匀程度；3、催化剂在参与反应后可以易于分离，提高催化剂的利用率以及反应物的纯度。
发明内容
本发明的目的在于提高光催化技术，光催化反应器的设计包括以下几方面：
1、采用浅层流化床，并且多个反应单元串联相接。浅层流化床是受“分布板区”的启迪而发展出来的新的特殊形式的流化床。具有降压小、气固接触时间短、更为有效以及床层利用率高等优点。在本发明中，反应床高0.5～4cm，每个反应床单元包含超低频磁力搅拌段A、水力搅拌段B和光催化段C，在反应单元之间采用部分回流，可以提高光能和电能的利用率、减小整床尺寸和提高流速。
2、在本发明中采用超低频磁力搅拌，实现了搅拌与光催化同时进行，从而提高光利用率。催化剂与被催化反应物混合后进入搅拌段 A，经过垂直振动搅拌后，进入水力搅拌段B，经过水力搅拌段B渐缩部分3流入喉部4减压，再经过突然扩大处5，突然减速形成湍流。利用反应体系3的流体特性令湍流维持在后续透光的光催化段C内并同时进行光催化，实现搅拌和催化同步进行的目的，之后进入下一个重复的反应床单元或反应结束分离。
3、在整个反应器中，采用回流的装置，后一级反应床单元的水力搅拌段B的渐缩部分3为回流管入口，前一级反应床单元的水力搅拌段B的喉部4为回流管出口，利用文丘里效应形成的压差形成自然回流，也可以在回流管上串联管道泵进行强制回流，从而提高反应时间，使反应更加充分。
4、超低频磁力搅拌段A中电磁铁2中线圈电流具有纹波，纹波系数由整流电容2的大小决定，纹波频率由PWM形式输出的开关电源7的PWM频率决定。改变上述两个因素可以令反应体系3中超顺磁催化剂颗粒在随超低频交变磁场下运动的同时叠加频率相对较高的振动，提高物相混合效果。
附图说明
图2为连续流磁—水力搅拌多段式顺磁性光催化反应床整体设计简图；
图1为连续流磁—水力搅拌多段式顺磁性光催化反应床的流程图；
图3为PWM控制的超低频磁力搅拌段A的组成部分。
图4为电源7输出的电压通过整流电容6和在电磁铁2上的线圈，转变为的频率为20Hz左右超低频交变三角波电流波形示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细描述。
如图1所示，连续流磁—水力搅拌多段式顺磁性光催化反应床的浅层流化床，床高42cm，床宽9cm，每个反应床单元包含超低频磁力搅拌段A、水力搅拌段B和光催化段C，根据实际工艺设计，采用 12个反应床单元。12个反应床单元水平依次串联相接为完整的反应床，相邻反应床单元之间回流比约0.20，以提高光能和电能利用率，减小整床尺寸，并提高流速。
应用于本反应器的催化剂具有超顺磁性，与被催化反应物混合后组成反应体系1，首先以0.032m3/h的流量送入超低频磁力搅拌段A，途径电磁铁2，受超低频磁场垂直振动搅拌后，进入水力搅拌段B，经过水力搅拌段B渐缩部分3流入截面为2×2cm的喉部4减压，再经过突然扩大处5，突然减速形成湍流。利用反应体系3的流体特性令湍流维持在后续长为65cm透光的光催化段C内并同时进行光催化，实现强化搅拌，达到更新催化剂表面的目的，反应床单元整体透光并受光照射，光照催化主要在C段发生，之后进入下一个重复的反应床单元或反应结束分离。
如图3所示，超低频磁力搅拌段A由电磁铁2、整流电容6、以 PWM形式输出的可编程开关电源7组成。电磁铁2由“口”字形带磁隙硅钢片磁芯与线圈绕制而成，磁芯窗口尺寸为3×10cm，电源7输出的电压通过整流电容6，在电磁铁2上的线圈，产生如图4所示的频率为20Hz左右超低频交变三角波电流，令磁路内磁场强度不断变化，实现反应体系3中超顺磁性催化剂颗粒受磁场作用不断运动。
在整个反应装置中，后一级反应床单元的水力搅拌段B的渐缩部分3为φ1cm回流管入口，前一级反应床单元的水力搅拌段B的喉部4为回流管出口，利用文丘里效应形成的压差形成自然回流，由于整床的水力损失小于10cm且采用自然回流，节省能源并对反应床的结构要求较低。
超低频磁力搅拌段A中电磁铁2中线圈电流具有纹波，纹波系数由整流电容2的大小决定，纹波频率由PWM形式输出的开关电源 7的PWM频率决定。改变上述两个因素可以令反应体系3中超顺磁催化剂颗粒在随超低频交变磁场下运动的同时叠加频率相对较高的振动，提高物相混合效果。

Claims (2)

1.一种连续流磁-水力搅拌多段式顺磁性光催化反应床，其特征在于：该反应床为高0.5～4cm的浅层流化床，每个反应床单元按流向依次包含超低频磁力搅拌段A、水力搅拌段B和光催化段C，采用多个反应床单元；多个反应床单元串联相接为完整的反应床，在反应单元之间采用部分回流；
超低频磁力搅拌段A主要由电磁铁(2)、整流电容(6)、以PWM形式输出的可编程开关电源(7)组成；电磁铁(2)由“口”字形带磁隙窗口的硅钢片磁芯与线圈绕制而成，磁隙窗口尺寸边长不小于磁力搅拌段床层宽度，每个反应床单元穿过电磁铁(2)的磁隙窗口；电源(7)输出的电压通过整流电容(6)与缠绕在电磁铁(2)上的线圈连接；产生超低频交变三角波电流，令磁路内磁场强度不断变化，实现反应体系中超顺磁性催化剂颗粒受磁场作用不断运动；
水力搅拌段B为在反应床单元的内部上下面上各设有凸出的楔形块，楔形块的楔形位于前端，使得在两楔形块的前端部分之间形成水力搅拌段B的渐缩部分(3)，在两楔形块的后部分之间形成平直的喉部(4);
超低频磁力搅拌段A内反应层的高度与光催化段C内反应层的高度相等，均大于喉部(4)内反应层的高度;
光催化段C为透光且具有光照的反应段;
在整个反应装置中，后一级反应床单元的水力搅拌段B的渐缩部分(3)为回流管入口，前一级反应床单元的水力搅拌段B的喉部(4)为回流管出口;
超低频磁力搅拌段A中电磁铁(2)中线圈电流具有纹波，纹波系数由整流电容(6)的大小决定，纹波频率由PWM形式输出的开关电源(7)的PWM频率决定。
2.按照权利要求1所述的连续流磁-水力搅拌多段式顺磁性光催化反应床的实用方法，其特征在于，催化剂具有超顺磁性，与被催化反应物混合后组成反应体系(1)，首先送入超低频磁力搅拌段A，途径电磁铁(2)，受超低频磁场垂直振动搅拌后，进入水力搅拌段B，经过水力搅拌段B渐缩部分(3)流入喉部(4)减压，再经过突然扩大处(5)，突然减速形成湍流；利用反应体系的流体特性令湍流维持在后续透光的光催化段C内并同时进行光催化，实现强化搅拌，达到更新催化剂表面的目的，反应床单元整体透光并受光照射，光照催化主要在C段发生，之后进入下一个重复的反应床单元或反应结束分离。
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