CN109126657A - 光催化反应器核心元件 - Google Patents

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纪晓寰
朱美芳
邓锋
陈龙
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Abstract

本发明涉及一种光催化反应器核心元件，主要由极性体系a以及分布在极性体系a中的极性体系b构成，极性体系a是由高分子链之间相互缠结形成的具有网络结构、吸附性能和极性的整体，极性体系b是由表面含光催化反应位点的纳米粒子以及吸附在纳米粒子表面的表面活性剂构成的具有吸附性能和极性的整体，极性体系a的吸附性能高于极性体系b，极性体系a和和极性体系b同为正极性或负极性，极性体系a的极性弱于极性体系b。本发明的光催化反应器核心元件中极性体系a和极性体系b分别起到吸附‑存储和吸附‑反应的作用，二者之间进行传质保持反应持续不断地进行，且光催化反应器核心元件可以多次回收，重复利用，降低了生产成本，有极好的推广价值。

Description

光催化反应器核心元件
技术领域
本发明属于光催化反应器领域，涉及一种光催化反应器核心元件。
背景技术
光反应器是将吸附技术与光催化技术结合的水处理装置，从上世纪末起，世界范围内兴起了众多以光催化反应技术为主体工艺的水处理设施。进入新世纪以来，随着我国膜产品的不断成熟和发展，光催化反应器凭借优异的水处理表现，已在水处理技术领域占有重要地位。因此可以预见，以结合光催化和自由基等为代表的高级氧化技术开发的光催化反应器将在废水深度处理甚至给水领域快速发展。
光催化反应器如膜反应器的构型取决于膜组件，它是将膜固定在反应器中，清液侧连接抽吸泵的组合体，目前应用最多的是平板膜组件、管式反应器和中空纤维膜组件。如专利CN106669412A提供了一种简易的以紫外灯为核心的光催化箱体；专利CN206965703U提供了一种管式的光催化反应体系。其优点在于便携，组装简易，但缺点在于其内部的催化剂体系单一，一般是单一的高分子吸附体系或是直接使用金属催化剂负载在反应器内部。
目前大多数的专利中，所使用的光催化剂大多都是直接接触被反应物，催化剂容易中毒和失活，部分还需要回收；而以高分子基体为催化剂载体的催化体系，强度低，重复使用率低，且高分子基体与催化剂金属的相容性差。
因此，研究一种高强度且可重复使用的光催化反应器元件具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中存在的问题，提供一种高强度且可重复使用的具有吸附-迁移功能反应体系的光催化反应器核心元件。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
光催化反应器核心元件，主要由极性体系a以及分布在极性体系a中的极性体系b构成；
极性体系a是由高分子链之间相互缠结形成的具有网络结构、吸附性能和极性的整体，极性体系b是由表面含光催化反应位点的纳米粒子以及吸附在纳米粒子表面的表面活性剂构成的具有吸附性能和极性的整体；极性体系a不局限于高分子材料，部分带孔隙的无机材料如陶瓷、金属掺杂陶瓷同样适用于本发明；极性体系a和极性体系b可以同为无机体系，也可以同为有机体系；
极性体系a的吸附性能高于极性体系b，极性体系a和和极性体系b同为正极性或负极性，极性体系a的极性弱于极性体系b。
极性体系a的作用是进行吸附和存储，被反应物存储在极性体系a中，极性体系b的作用是吸附和反应，被反应物与极性体系b中的光催化反应位点接触后被催化降解，由于极性体系a的吸附性能高于极性体系b，因而被反应物在极性体系a中富集，同时又由于极性体系a的极性弱于极性体系b，因而极性体系b中的被反应物反应完成后，极性体系a吸附和存储的被反应物在浓度梯度和静电引力的作用下可自发迁移到极性体系b的光催化反应体系中，达到继续进行反应的效果，使反应可以持续不断的进行。本发明的光催化反应器核心元件，反应后的光催化反应器核心元件可以多次回收，重复利用，降低了生产成本，有极好的推广价值。
光催化反应器核心元件还包括容置极性体系a的容器，容器使用铝箔作为内层反射层，可以达到发射紫外光的作用，最大化利用光能，同时极性体系a的正下方架设团簇状微孔曝气头集群，该结构能够强化重点反应区域氧气供给。
光催化反应器核心元件还包括位于容器外的采光凸透镜组，光线经光传导装置传输至采光凸透镜组会聚形成的会聚光线指向容器，有利于提高光的利用率。
作为优选的技术方案：
如上所述的光催化反应器核心元件，所述分布为均匀分布。极性体系b在极性体系a中均匀分布有利于提高反应的均匀性，进而提高反应的效率。
如上所述的光催化反应器核心元件，所述极性体系a为高分子水凝胶或者其微球或薄膜，所述高分子水凝胶的吸水率为88～92％。此处仅列举一些“由高分子链之间相互缠结形成的具有网络结构、吸附性能和极性的整体”的常见形态，保护范围不限于此，只要满足该条件的体系不管形态如何都在本发明的保护范围内。
如上所述的光催化反应器核心元件，所述高分子水凝胶的材质为海藻酸钠、海藻酸钾、羧甲基纤维素钠、羧甲基纤维素、羧甲基纤维素钾、单羧基壳聚糖、单羧基壳聚糖钠、香菇多糖、香菇多糖钠、木糖、木糖钠或羧甲基淀粉。
如上所述的光催化反应器核心元件，高分子水凝胶微球采用微乳液聚合方法制得，高分子水凝胶微球的平均粒径为100～300μm。
如上所述的光催化反应器核心元件，光催化反应器核心元件中极性体系b的含量为2.37～2.47wt％。极性体系b含量低，则催化剂(即表面含光催化反应位点的纳米粒子)含量低，过低的催化剂添加量导致复合薄膜的光催化性能低，同时由于催化剂本身具有一定的颜色，过高的催化剂添加量会使得薄膜的颜色过深，对于光的吸收和转化变弱，同样会影响光催化的性能。
如上所述的光催化反应器核心元件，所述极性体系b中纳米粒子与表面活性剂的质量比为1.40～12.46:100。
如上所述的光催化反应器核心元件，所述纳米粒子为无机纳米粒子，其他能与表面活性剂配合形成具有吸附-反应作用的极性体系的有机纳米粒子同样适用于本发明。
如上所述的光催化反应器核心元件，所述无机纳米粒子为纳米银、纳米二氧化钛、纳米氧化锌或掺杂纳米二氧化钛，纳米银的平均粒径为6～22nm，纳米二氧化钛、纳米氧化锌或掺杂纳米二氧化钛的平均粒径为10～30nm。无机纳米粒子的种类和尺寸不限于此，本发明的关键点是形成两个吸附性能有强弱、极性有强弱的极性体系，并不在于无机纳米粒子的种类和尺寸，此处仅列举常用的一些起到光催化作用的无机纳米粒子。
如上所述的光催化反应器核心元件，所述表面活性剂为油酸铵。表面活性剂的种类不限于此，只要能与纳米粒子相互配合形成具有吸附-反应作用的极性体系的表面活性剂都适用于本发明。
发明机理：
本发明的一种光催化反应器核心元件，同时含有极性体系a和极性体系b，极性体系a具有吸附-存储作用，可吸附并储存大量分散环境下的被反应物，极性体系b具有吸附-反应作用，可吸附被反应物并将其光催化降解，由于极性体系a的吸附性能高于极性体系b，因而被反应物主要富集在极性体系a中，同时又由于极性体系a的极性与极性体系b相同，且极性体系a的极性弱于极性体系b，因而当极性体系b吸附的被反应物反应完全后，极性体系a上吸附和储存的被反应物在浓度梯度和静电引力的作用下，可自发迁移到极性体系b中的光催化反应位点上，达到继续进行反应的效果，极大的提高了反应效率。
有益效果：
(1)本发明的一种光催化反应器核心元件，极性体系a和极性体系b有着良好的相容性，复合体系稳定；
(2)本发明的一种光催化反应器核心元件，极性体系a和极性体系b分别具有吸附-存储和吸附-反应作用，且二者之间可传递被反应物，极大的提高了反应效率；
(3)本发明的一种光催化反应器核心元件，极性体系a为凝胶或凝胶膜或凝胶微球，自身透光性好，减少了污水及催化剂载体自身对光线的阻挡作用，可使光照效果最大化；
(4)本发明的一种光催化反应器核心元件，含光催化反应位点的极性体系b不容易脱落，反应后的光催化反应器核心元件可以多次回收，重复利用，降低了生产成本。
附图说明
图1为本发明的光催化反应器核心元件结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
一种光催化反应器核心元件，如图1所示，主要由极性体系a以及均匀分布在极性体系a中的极性体系b构成，极性体系a为高分子水凝胶，高分子水凝胶的吸水率为92％，高分子水凝胶的材质为海藻酸钠，极性体系b的含量为2.47wt％，极性体系b是由平均粒径6nm的纳米银以及吸附在纳米银表面的油酸铵构成的具有吸附性能和极性的整体，其中，纳米银与油酸铵的质量比为12.46:100。极性体系a用于吸附和存储被反应物，极性体系b用于催化被反应物发生反应，当极性体系b的被反应物反应完成后，极性体系a中吸附和储存的被反应物在浓度梯度和静电引力的作用下，通过协同传质作用传递至极性体系b中，以达到继续进行反应的效果，可显著提高被反应物的反应效率，催化效率高。
实施例2
一种光催化反应器核心元件，主要由极性体系a以及均匀分布在极性体系a中的极性体系b构成，极性体系a为高分子水凝胶，高分子水凝胶的吸水率为91％，高分子水凝胶的材质为海藻酸钾，极性体系b的含量为2.40wt％，极性体系b是由平均粒径9nm的纳米银以及吸附在纳米银表面的油酸铵构成的具有吸附性能和极性的整体，其中，纳米银与油酸铵的质量比为6.64:100。
实施例3
一种光催化反应器核心元件，主要由极性体系a以及均匀分布在极性体系a中的极性体系b构成，极性体系a为高分子水凝胶，高分子水凝胶的吸水率为90％，高分子水凝胶的材质为羧甲基纤维素钠，极性体系b的含量为2.38wt％，极性体系b是由平均粒径18nm的纳米银以及吸附在纳米银表面的油酸铵构成的具有吸附性能和极性的整体，其中，纳米银与油酸铵的质量比为3.44:100。
实施例4
一种光催化反应器核心元件，主要由极性体系a以及均匀分布在极性体系a中的极性体系b构成，极性体系a为高分子水凝胶，高分子水凝胶的吸水率为88％，高分子水凝胶的材质为羧甲基纤维素，极性体系b的含量为2.37wt％，极性体系b是由平均粒径22nm的纳米银以及吸附在纳米银表面的油酸铵构成的具有吸附性能和极性的整体，其中，纳米银与油酸铵的质量比为1.40:100。
实施例5
一种光催化反应器核心元件，主要由极性体系a以及均匀分布在极性体系a中的极性体系b构成，极性体系a为平均粒径220μm的高分子水凝胶微球，高分子水凝胶微球的吸水率为90％，高分子水凝胶的材质为羧甲基纤维素钾，极性体系b的含量为2.38wt％，极性体系b是由平均粒径20nm的纳米二氧化钛以及吸附在纳米二氧化钛表面的油酸铵构成的具有吸附性能和极性的整体，其中，纳米二氧化钛与油酸铵的质量比为1.42:100。
实施例6
一种光催化反应器核心元件，主要由极性体系a以及均匀分布在极性体系a中的极性体系b构成，极性体系a为平均粒径100μm的高分子水凝胶微球，高分子水凝胶微球的吸水率为88％，高分子水凝胶的材质为单羧基壳聚糖，极性体系b的含量为2.42wt％，极性体系b是由平均粒径10nm的纳米氧化锌以及吸附在纳米氧化锌表面的油酸铵构成的具有吸附性能和极性的整体，其中，纳米氧化锌与油酸铵的质量比为3.45:100。
实施例7
一种光催化反应器核心元件，主要由极性体系a以及均匀分布在极性体系a中的极性体系b构成，极性体系a为平均粒径150μm的高分子水凝胶微球，高分子水凝胶微球的吸水率为91％，高分子水凝胶的材质为单羧基壳聚糖钠，极性体系b的含量为2.45wt％，极性体系b是由平均粒径30nm的纳米二氧化钛以及吸附在纳米二氧化钛表面的油酸铵构成的具有吸附性能和极性的整体，其中，纳米二氧化钛与油酸铵的质量比为7.22:100。
实施例8
一种光催化反应器核心元件，主要由极性体系a以及均匀分布在极性体系a中的极性体系b构成，极性体系a为平均粒径300μm的高分子水凝胶微球，高分子水凝胶微球的吸水率为91.5％，高分子水凝胶的材质为香菇多糖，极性体系b的含量为2.43wt％，极性体系b是由平均粒径28nm的纳米氧化锌以及吸附在纳米氧化锌表面的油酸铵构成的具有吸附性能和极性的整体，其中，纳米氧化锌与油酸铵的质量比为7.26:100。
实施例9
一种光催化反应器核心元件，主要由极性体系a以及均匀分布在极性体系a中的极性体系b构成，极性体系a为高分子水凝胶薄膜，高分子水凝胶薄膜的吸水率为92％，高分子水凝胶的材质为香菇多糖钠，极性体系b的含量为2.46wt％，极性体系b是由平均粒径18nm的纳米银以及吸附在纳米银表面的油酸铵构成的具有吸附性能和极性的整体，其中，纳米银与油酸铵的质量比为8.23:100。
实施例10
一种光催化反应器核心元件，主要由极性体系a以及均匀分布在极性体系a中的极性体系b构成，极性体系a为高分子水凝胶薄膜，高分子水凝胶薄膜的吸水率为89％，高分子水凝胶的材质为木糖，极性体系b的含量为2.38wt％，极性体系b是由平均粒径25nm的纳米二氧化钛以及吸附在纳米二氧化钛表面的油酸铵构成的具有吸附性能和极性的整体，其中，纳米二氧化钛与油酸铵的质量比为5.25:100。
实施例11
一种光催化反应器核心元件，主要由极性体系a以及均匀分布在极性体系a中的极性体系b构成，极性体系a为高分子水凝胶薄膜，高分子水凝胶薄膜的吸水率为91％，高分子水凝胶的材质为木糖钠，极性体系b的含量为2.41wt％，极性体系b是由平均粒径25nm的纳米二氧化钛以及吸附在纳米二氧化钛表面的油酸铵构成的具有吸附性能和极性的整体，其中，纳米二氧化钛与油酸铵的质量比为7.2:100。
实施例12
一种光催化反应器核心元件，主要由极性体系a以及均匀分布在极性体系a中的极性体系b构成，极性体系a为高分子水凝胶薄膜，高分子水凝胶薄膜的吸水率为90.5％，高分子水凝胶的材质为羧甲基淀粉，极性体系b的含量为2.44wt％，极性体系b是由平均粒径20nm的纳米二氧化钛以及吸附在纳米二氧化钛表面的油酸铵构成的具有吸附性能和极性的整体，其中，纳米二氧化钛与油酸铵的质量比为8:100。

Claims (10)

1.光催化反应器核心元件，其特征是：主要由极性体系a以及分布在极性体系a中的极性体系b构成；
极性体系a是由高分子链之间相互缠结形成的具有网络结构、吸附性能和极性的整体，极性体系b是由表面含光催化反应位点的纳米粒子以及吸附在纳米粒子表面的表面活性剂构成的具有吸附性能和极性的整体；
极性体系a的吸附性能高于极性体系b，极性体系a和和极性体系b同为正极性或负极性，极性体系a的极性弱于极性体系b。
2.根据权利要求1所述的光催化反应器核心元件，其特征在于，所述分布为均匀分布。
3.根据权利要求2所述的光催化反应器核心元件，其特征在于，所述极性体系a为高分子水凝胶或者其微球或薄膜，所述高分子水凝胶的吸水率为88～92％。
4.根据权利要求3所述的光催化反应器核心元件，其特征在于，所述高分子水凝胶的材质为海藻酸钠、海藻酸钾、羧甲基纤维素钠、羧甲基纤维素、羧甲基纤维素钾、单羧基壳聚糖、单羧基壳聚糖钠、香菇多糖、香菇多糖钠、木糖、木糖钠或羧甲基淀粉。
5.根据权利要求4所述的光催化反应器核心元件，其特征在于，高分子水凝胶微球的平均粒径为100～300μm。
6.根据权利要求5所述的光催化反应器核心元件，其特征在于，光催化反应器核心元件中极性体系b的含量为2.37～2.47wt％。
7.根据权利要求6所述的光催化反应器核心元件，其特征在于，所述极性体系b中纳米粒子与表面活性剂的质量比为1.40～12.46:100。
8.根据权利要求7所述的光催化反应器核心元件，其特征在于，所述纳米粒子为无机纳米粒子。
9.根据权利要求8所述的光催化反应器核心元件，其特征在于，所述无机纳米粒子为纳米银、纳米二氧化钛、纳米氧化锌或掺杂纳米二氧化钛，纳米银的平均粒径为6～22nm，纳米二氧化钛、纳米氧化锌或掺杂纳米二氧化钛的平均粒径为10～30nm。
10.根据权利要求9所述的光催化反应器核心元件，其特征在于，所述表面活性剂为油酸铵。
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