CN107999000A - 一种带温控聚光的气固-液固光催化反应用的装置 - Google Patents

一种带温控聚光的气固-液固光催化反应用的装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种带温控聚光的气固‑液固光催化反应用的装置，包括设置在磁力搅拌器上的反应罐，所述反应罐的正上方设置有光源，所述反应罐包括罐体及可拆设置在罐体上端口的凸透镜式罐盖，所述罐体内部与气体供给装置相连，罐体内部下端可拆设置有用于放置催化剂的砂芯板，罐体的侧壁设置有罐体保温夹层；所述罐盖的内部设置有罐盖保温夹层，所述罐盖保温夹层经管道与罐体保温夹层连通，罐盖保温夹层与罐体保温夹层之间连接有恒温槽。本发明结构简单、使用方便，可有效提高光催化效率，同时密闭性好，温度可控，高聚光，可进行一定压力下的实验，适用于气固或液固等不同反应类型。

Description

一种带温控聚光的气固-液固光催化反应用的装置
技术领域：
本发明涉及一种带温控聚光的气固-液固光催化反应用的装置。
背景技术：
随着现代工业的迅猛发展和石油等化石能源日渐枯竭，利用太阳能来解决全球性的能源和环境问题越来越受到人们的重视。光催化反应是一种在光的照射下，利用光源产生的光能转换为化学反应所需能量的催化反应。光催化过程可在室温下充分利用太阳光，具有低成本、无污染的优点，被认为是绿色技术。
近年来，光催化技术进展迅速，光催化已形成一个独立的研究领域，在环境保护、新能源、国防军事、化工、汽车工业等众多领域得到广泛的应用。但是光催化技术的应用能力仍然受到光催化反应器合理设计的制约和阻碍。同时研究表明光催化材料在不同条件下其催化性能存在较大的差异，而影响光催化性能的因素众多，有：光源（太阳光、可见光、紫外光）、光强、反应体系的温度、气氛、溶解氧等。目前，关于光催化反应器装置的专利就不少（如ZL201410766637.1、ZL201410805678.7和ZL201310305876.2），主要分为外照式反应器和内照式反应器，内照式反应器因冷却系统、光源外形等条件限制，造价高等问题而难以普遍使用。目前实验室中使用较多的是外照式反应器，一般需要与外照式光源结合使用，但是这类光催化反应器很少考虑反应器的恒温问题，虽然市面上有一些外照式反应器有设置循环水夹层，但是一般只是对罐体部分进行控温，而光照窗口仅是一片简单的石英片，由于光源的发热和反应器内温差，底部温度较高的液体会蒸发到盖子上冷凝，最后导致光照受影响。使得反应器的温度难以控制，很难准确控制反应条件，在一定程度上限制了人们对如何提高光催化性能的实验装置的研究思路。另一方面，在光催化反应中，催化剂受光照强度即光子的利用率也时反应器设计中的一个难点。
目前，现有的反应器光照面均采用平面层的，这虽然有利于光源发出的平行光的直接穿透，但是也存在着透光后平行光作用于催化剂的表面量较少，很多光并未被催化剂吸收而直接穿透反应器，导致了催化反应中光利用率很低的问题。而探究外借条件如何影响光催化材料的光催化性能是及其必要的，设计合理的光催化反应装置是及其重要的。因此，如何保证反应器反应条件的稳定是本领域迫切需要解决的问题。
发明内容：
本发明的目的在于针对以目前小规模用光催化反应器温度控制困难、反应条件难以控制等特点，提供一种带温控聚光的气固-液固光催化反应用的装置，不仅结构简单、使用方便，而且可有效提高光催化效率。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种带温控聚光的气固-液固光催化反应用的装置，包括设置在磁力搅拌器上的反应罐，所述反应罐的正上方设置有光源，所述反应罐包括罐体及可拆设置在罐体上端口的凸透镜式罐盖，所述罐体内部与气体供给装置相连，罐体内部下端可拆设置有用于放置催化剂的砂芯板，罐体的侧壁设置有罐体保温夹层；所述罐盖的内部设置有罐盖保温夹层，所述罐盖保温夹层经管道与罐体保温夹层连通，罐盖保温夹层与罐体保温夹层之间连接有恒温槽。
进一步的，所述气体供给装置包括反应气体储放罐、进气管路、出气管路、进气连接头、出气连接头以及压力表，所述进气连接头和出气连接头分别穿过罐体保温夹层与罐体的内部连通，进气连接头与反应气体储放罐的出气口之间经进气管路连通，所述压力表安装在进气管路上；所述出气连接头与反应气体储放罐的进气口之间经出气管路连通。
进一步的，所述出气连接头设置在罐体的左侧上端，所述进气连接头位于出气连接头的下方且呈L形，进气连接头的下端口延伸至罐体内底部。
进一步的，所述罐体保温夹层的左侧下端及右侧上端分别连接有第一进液连接头和第一出液连接头，所述第一进液连接头经由进液管路与恒温槽的出液口相连通；所述罐盖保温夹层的左、右两端分别连接有第二出液连接头和第二进液连接头，所述第二进液连接头与第一出液连接头之间经中间管路连通，所述第二出液连接头经由进液管路与恒温槽的进液口相连通。
进一步的，所述罐盖由蓝宝石玻璃制成。
进一步的，所述罐体的右侧下端连接有两根倾斜设置的取样管，两根取样管分别位于砂芯板的上、下两侧，取样管的上端口内设置有硅胶取样塞。
进一步的，所述罐盖与罐体之间经若干个法兰夹连接，罐盖的下表面与罐体的上表面之间还设置有O型密封圈。
进一步的，所述光源为紫外灯或氙灯，光源与罐盖之间还设置有滤光片。
进一步的，所述罐体的内壁下端设置有用于放置砂芯板的支撑凸块。
与现有技术相比，本发明具有以下效果：（1）本发明结构简单、合理，使用方便，可适用于气固和液固的光催化反应；（2）凸透镜式罐盖能将入射光全部汇聚到罐体内的催化剂上，实现最大化的光能量利用，有效提高光催化效率；（3）罐盖保温夹层与罐体保温夹层之间连接恒温槽，便于控制整个装置的温度，防止罐体与罐盖温差过大，导致蒸发的反应液冷凝于罐盖上，改变了光照量，从而使得光催化实验中条件可控性和稳定性差的问题。
附图说明：
图1是本发明实施例的剖面结构示意图。
图中：
1-磁力搅拌器；2-光源；3-罐体；301-罐体保温夹层；4-罐盖；401-罐盖保温夹层；5-砂芯板；6-恒温槽；7-反应气体储放罐；8-进气管路；9-出气管路；10-进气连接头；11-出气连接头；12-压力表；13-第一进液连接头；14-第一出液连接头；15-进液管路；16-出液管路；17-第二进液连接头；18-第二出液连接头；19-中间管路；20-取样管；21-支撑凸块；22-硅胶取样塞；23-法兰夹；24-O型密封圈。
具体实施方式:
为了更清楚地解释本发明，下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明，显而易见地，下面所列的附图仅仅是本发明的一些具体实施例。
如图1所示，本发明一种带温控聚光的气固-液固光催化反应用的装置，包括设置在磁力搅拌器1上的反应罐，所述反应罐的正上方设置有光源2，所述反应罐包括罐体3及可拆设置在罐体3上端口的凸透镜式罐盖4，通过凸透镜式的罐盖4将灯源2照射于反应罐上的光全部汇聚到样品上，实现最大化的光能量利用；所述罐体3内部与气体供给装置相连，可适用于不同气氛下的光催化反应。罐体3内部下端可拆设置有用于放置催化剂的砂芯板5，通过设置砂芯板5，可使整个装置也适用于采用液相反应物的蒸发气进行气固反应体系；在使用时：当反应体系为气固反应时，可将砂芯板5放置在罐体3内，用于承载分体催化剂或成型催化剂；当反应体系为液固反应时，可将砂芯板5取出。罐体3的侧壁设置有罐体保温夹层301，罐盖4的内部设置有罐盖保温夹层401，所述罐盖保温夹层401经管道与罐体保温夹层301连通，罐盖保温夹层401与罐体保温夹层301之间连接有恒温槽6（所述恒温槽为现有技术，在此不做过多赘述），便于控制罐体3和罐盖4的温度。
本实施例中，所述磁力搅拌器1为现有技术，在此不做过多赘述；当反应罐放置在磁力搅拌器1上时，通过在罐体3内设置磁力转子，使磁力搅拌器与磁力转子配合搅拌，使液固反应中催化剂和液相反应物得以充分的接触与反应，提高光催化效率。
本实施例中，所述气体供给装置包括反应气体储放罐7、进气管路8、出气管路9、进气连接头10、出气连接头11以及压力表12，所述进气连接头10和出气连接头11分别穿过罐体保温夹层301与罐体3的内部连通，进气连接头10与反应气体储放罐7的出气口之间经进气管路8连通，所述压力表12安装在进气管路8上；通过设置压力表12，可进行一定压力下的实验，压力表12的发压力范围在0.1-3 MPa；所述出气连接头11与反应气体储放罐7的进气口之间经出气管路9连通；通过外部鼓入不同气氛，可探究不同气氛或溶解氧浓度对光催化材料性能的影响。
本实施例中，所述出气连接头9设置在罐体的左侧上端，所述进气连接头8位于出气连接头9的下方且呈L形，进气连接头8的下端口延伸至罐体1内底部。
本实施例中，所述罐体保温夹层301的左侧下端及右侧上端分别连接有第一进液连接头13和第一出液连接头14，所述第一进液连接头13经由进液管路15与恒温槽6的出液口相连通；所述罐盖保温夹层401的左、右两端分别连接有第二出液连接头18和第二进液连接头17，所述第二进液连接头17与第一出液连接头14之间经中间管路19连通，所述第二出液连接头18经由进液管路16与恒温1槽6的进液口相连通；即恒温槽6、罐盖保温夹层401及罐体保温夹层303相通，通过恒温槽6对罐盖4与罐体3的温度进行调节，能有效防止罐体3与罐盖4温差过大，导致蒸发的反应液冷凝于由蓝宝石玻璃制成的罐盖4上，改变了光照量，从而导致光催化实验中条件可控性和稳定性差的问题。
本实施例中，所述罐盖4由蓝宝石玻璃制成，罐盖保温夹层的厚度为0.2～2cm；罐盖4与罐体3之间经若干个法兰夹23连接，罐盖4的下表面与罐体3的上表面之间还设置有O型密封圈,24 以确保整个反应体系的密封性。
本实施例中，所述罐体3的右侧下端连接有两根倾斜设置的取样管20，两根取样管20分别位于砂芯板5的上、下两侧，取样管0的上端口内设置有硅胶取样塞22，便于实现实时取样，取样方便。
本实施例中，所述光源2选用4-300 W紫外灯或300-1000 W氙灯作为可见光源，光源与罐盖之间还设置有滤光片（图中未画出），方便选择特定波长的光线，以满足不同的实验要求。光从反应管上方垂直照射下来，通过凸透镜式罐盖将入射光全部回去到罐体内部的催化剂上，实现最大化的光能量利用。
本实施例中，所述罐体3的内壁下端设置有用于放置砂芯板5的支撑凸块21。
本发明的优点在于:（1）结构简单、操作方便，凸透镜式罐盖能将入射光全部汇聚到罐体内的催化剂上，实现最大化的光能量利用，可考察不同光强对光催化性能的影响，摒除了原有反应器中照射于反应器的是平行光，从而一部分光并未被催化剂吸收，导致无法准确确定光照光强的问题；（2）将罐盖保温夹层与罐体保温夹层相连通且与恒温槽连接，利用恒温槽的作用控制整个装置的温度，同时能够有效防止罐体与罐盖温差过大，导致蒸发的反应液冷凝于罐盖上，改变了光照量，从而使得光催化实验中条件可控性和稳定性差的问题；且在整个光催化反应过程中，恒温槽内的液体可循环使用，节约资源；（3）将罐体与气体供给装置相连，通过外部鼓入不同气氛，可探究不同气氛或溶解氧浓度对光催化材料性能的影响；（4）将光源设置在罐外，罐体中无需设计容纳光源的腔体，因此对罐体的结构无特殊要求，在一定程度上简化了罐体的结构，降低了结构的复杂程度，故而大大降低了制造成本。
本实施例的使用方式一：进行液固光催化反应时，主要步骤如下：
1、灯源：根据实验的需要选择常规使用太阳光、氙灯或特定波长的紫外灯；同时调节光强，可使用光强测定仪，根据实验需要调节高度，待光强到达预定值时，固定高度。
2、加料：加入对应的催化材料和溶液，同时放入合适的磁子，反应器放置于磁力搅拌器上。
3、密封：通过四个法兰夹把罐盖和罐体连接起来，O型密封圈密封，以确保整个反应体系的密封性。
4、通气：根据反应气氛的需要通入不同气体，同时可通过压力表控制压力。
5、开灯进行光催化反应，从取样管取样进行分析。
本实施例的使用方式二：进行气固光催化反应时，主要步骤如下：
1、灯源：根据实验的需要选择常规使用太阳光、氙灯或特定波长的紫外灯；同时调节光强，可使用光强测定仪，根据实验需要调节高度，待光强到达预定值时，固定高度。
2、加料：砂芯板担载粉体催化剂，同时放入合适的磁子，反应罐放置于磁力搅拌器上。
3、密封：通过四个法兰夹把罐盖和罐体连接起来，O型密封圈密封，以确保整个反应体系的密封性。
4、通气：根据反应气氛的需要通入不同气体，同时通过压力表控制压力。
5、开灯进行光催化反应，从取样管取样分析。
本实施例的使用方式三：进行气固光催化反应时，主要步骤如下：
1、灯源：根据实验的需要选择常规使用太阳光、氙灯或特定波长的紫外灯；同时调节光强，可使用光强测定仪，根据实验需要调节高度，待光强到达预定值时，固定高度。
2、加料：于罐体中加入液相反应液，放入合适的磁子，置入砂芯板进行担载粉体催化剂，同时反应罐放置于磁力搅拌器上。
3、密封：通过四个法兰夹把石英玻璃盖和反应器本体连接起来，O型密封圈密封，以确保整个反应体系的密封性。
4、通气：根据反应气氛的需要通入不同气体，同时可通过压力表，控制压力。
5、利用加热或通入气体使液相反应物蒸发成气态反应物，使其与粉体催化剂混合充分。
5、开灯进行光催化反应，从取样管取气体样和液体样进行分析检测。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (9)

1.一种带温控聚光的气固-液固光催化反应用的装置，包括设置在磁力搅拌器上的反应罐，所述反应罐的正上方设置有光源，其特征在于：所述反应罐包括罐体及可拆设置在罐体上端口的凸透镜式罐盖，所述罐体内部与气体供给装置相连，罐体内部下端可拆设置有用于放置催化剂的砂芯板，罐体的侧壁设置有罐体保温夹层；所述罐盖的内部设置有罐盖保温夹层，所述罐盖保温夹层经管道与罐体保温夹层连通，罐盖保温夹层与罐体保温夹层之间连接有恒温槽。
2.根据权利要求1所述的带温控聚光的气固-液固光催化反应用的装置，其特征在于：所述气体供给装置包括反应气体储放罐、进气管路、出气管路、进气连接头、出气连接头以及压力表，所述进气连接头和出气连接头分别穿过罐体保温夹层与罐体的内部连通，进气连接头与反应气体储放罐的出气口之间经进气管路连通，所述压力表安装在进气管路上；所述出气连接头与反应气体储放罐的进气口之间经出气管路连通。
3.根据权利要求2所述的带温控聚光的气固-液固光催化反应用的装置，其特征在于：所述出气连接头设置在罐体的左侧上端，所述进气连接头位于出气连接头的下方且呈L形，进气连接头的下端口延伸至罐体内底部。
4.根据权利要求1所述的带温控聚光的气固-液固光催化反应用的装置，其特征在于：所述罐体保温夹层的左侧下端及右侧上端分别连接有第一进液连接头和第一出液连接头，所述第一进液连接头经由进液管路与恒温槽的出液口相连通；所述罐盖保温夹层的左、右两端分别连接有第二出液连接头和第二进液连接头，所述第二进液连接头与第一出液连接头之间经中间管路连通，所述第二出液连接头经由进液管路与恒温槽的进液口相连通。
5.根据权利要求1所述的带温控聚光的气固-液固光催化反应用的装置，其特征在于：所述罐盖由蓝宝石玻璃制成。
6.根据权利要求1所述的带温控聚光的气固-液固光催化反应用的装置，其特征在于：所述罐体的右侧下端连接有两根倾斜设置的取样管，两根取样管分别位于砂芯板的上、下两侧，取样管的上端口内设置有硅胶取样塞。
7.根据权利要求1所述的带温控聚光的气固-液固光催化反应用的装置，其特征在于：所述罐盖与罐体之间经若干个法兰夹连接，罐盖的下表面与罐体的上表面之间还设置有O型密封圈。
8.根据权利要求1所述的带温控聚光的气固-液固光催化反应用的装置，其特征在于：所述光源为紫外灯或氙灯，光源与罐盖之间还设置有滤光片。
9.根据权利要求1所述的带温控聚光的气固-液固光催化反应用的装置，其特征在于：所述罐体的内壁下端设置有用于放置砂芯板的支撑凸块。
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