CN109847676A - 一种光催化净化反应器 - Google Patents
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Abstract
一种光催化净化反应器，包括：外壳，具有一容质空间，外壳壁面上设有可与容质空间连通的光源入口；光催化组件，收容于容质空间内，包括光催化单元和固定单元，光催化单元通过固定单元拆卸式安装在容质空间内，固定单元上设有光纤入口；以及光源组件，置于所述容质空间外，包括光源发射单元以及光纤导管，光源发射单元的出光口直接对准外壳的光源入口或者通过光纤导管将光源发射单元产生的照射光源输入至光催化单元。本发明的有益效果是：可以有效对光的波长、强度、流体的体积、流速、浓度等反应条件可以实时监控,可以根据实验要求与核磁、质谱、电化学工作站等其他检测设备联用，适合作为光催化净化反应的试验平台和实验室通用的废水净化设备。
Description
技术领域
本发明涉及一种光催化净化反应器，属于流体的净化领域。
背景技术
流体的光催化净化是基于光催化剂在光照下具有的氧化还原活性而分解流体中的有机污染物，实现净化流体的目的。
利用光催化净化技术去除流体中的有机污染物具有以下特点：1)直接用流体中的溶解氧作氧化剂，反应条件温和，一般在常温常压下催化反应就可以进行；2)可以将有机污染物分解为二氧化碳和水等无机小分子，净化效果彻底；3)光催化剂稳定性好，催化氧化能力强，成本低，不存在吸附饱和现象，使用寿命长；4)光催化净化技术二次污染小，能利用太阳光等自然光源，运行成本低。因此光催化氧化法在流体的深度净化方面显示出巨大的应用潜力，然而，目前市面上的光催化净化装置无法精确地控制光照的强度和波长，无法针对不同的污染物体系及时有效的检测光催化净化的效果。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种结构简单，能够调节光照的强度和波长以及光催化反应规模的光催化净化反应器。
本发明所述的一种光催化净化反应器，其特征在于，包括：
外壳，具有一容质空间，且所述外壳壁面上设有可与容质空间连通的光源入口；
光催化组件，收容于所述的容质空间内，包括光催化单元和固定单元，其中光催化单元通过固定单元拆卸式安装在容质空间内，且所述的固定单元上设有用于向光催化单元引入照射光源的光纤入口；
以及光源组件，置于所述容质空间外，包括用于发射照射光源的光源发射单元以及用于将照射光源输送至光催化单元的光纤导管，所述光源发射单元的出光口直接对准外壳的光源入口或者通过光纤导管将光源发射单元产生的照射光源输入至光催化单元。
所述光催化单元包括反应容器和置于反应器内的光催化剂，所述反应容器拆卸式安装在固定单元上，并且所述的光催化剂装于反应容器的反应腔内。
所述固定单元包括底座和夹紧装置，所述的夹紧装置由两块相对布置的夹板构成，所述夹板底部与底座锁定连接，两夹板之间留有用于夹住反应容器的调整式插槽。
所述光源发射单元包括调光器、光源、滤光片、电致变色滤光片以及电压调节器，所述调光器的控制端与所述的光源的控制端电连接，所述光源的出光口从内向外依次装有滤光片、电致变色滤光片和光纤导管的输入端，且所述的电致变色滤光片的连接端口与所述的电压调节器的电压调节端口电连接，用于控制电致变色滤光片透过的照射光源波长范围。
所述的光源发射单元还包括光度测量仪，用于监测最终到达反应器的光线的强度。
所述的光催化剂为金属氧化物或金属氧化物与活性炭的复合物。
所述的金属氧化物为二氧化钛、钛氧簇、氧化锌、氧化铬、氧化钴、氧化镍及氧化铁中的任意一种或两种及以上任意比例的组合。
所述反应容器顶部设有用于监测净化效果的电极插槽以及探针插槽，且电极插槽以及探针插槽均与反应腔连通，所述电极插槽以及探针插槽内分别插入相应的电极以及探针，并可外接电化学工作站、质谱仪、紫外-可见光谱仪等监测仪器。在探针或电极上检测到流体被净化效果的信号，可以据此信号调节入射光的强度和波长。
所述的外壳的内壁配装PM2.5传感器和空气净化器，用于检测容置空间内的空气洁净程度以及提高空气质量。
上述光催化反应器的光源组件中，普通的滤光片可以控制入射光源的波长范围，电致变色滤光片可以进一步控制入射光的波长和光强度；通过光源组件选择适于反应的波长的光后通过光纤接至固定单元的左右两端的夹板的光纤入口。当反应容器尺寸较大时，可以不经由光纤导管，直接通过外壳上设有的光源入口向容质空间内输入光源。这样，就提供了一种结构简单，含有滤波功能及可以适用于多尺寸反应容器的光催化反应器。
本发明的有益效果是：可以有效的对光的波长、强度、流体的体积、流速、浓度等反应条件可以实时监控,可以根据实验要求与核磁、质谱、电化学工作站等其他检测设备联用，适合作为光催化净化反应的试验平台和实验室通用的废水净化设备。
附图说明
图1为一实施方式的光催化反应器的示意图；
图2为光源组件的解剖图；
图3为位于图1光催化反应器内的可伸缩式反应插槽的示意图；
图4为位于图1光催化反应器内的电极插槽和探针插槽。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明
参照附图：
实施例1本发明所述的一种光催化净化反应器，包括：
外壳110，具有一容质空间112，且所述外壳壁面上设有可与容质空间连通的光源入口114；
光催化组件140，收容于所述的容质空间112内，包括光催化单元141和固定单元149，其中光催化单元141通过固定单元142拆卸式安装在容质空间112内，且所述的固定单元149上设有用于向光催化单元141引入照射光源的光纤入口146；
以及光源组件120，置于所述容质空间112外，包括用于发射照射光源的光源发射单元121以及用于将照射光源输送至光催化单元的光纤导管132，所述光源发射单元121的出光口通过光纤导管132将光源发射单元121产生的照射光源输入至光催化单元141。
所述光催化单元141包括反应容器148和置于反应容器148内的光催化剂，所述反应容器148拆卸式安装在固定单元149上，并且所述的光催化剂装于反应容器148的反应腔内。
所述固定单元149包括底座142和夹紧装置，所述的夹紧装置由两块相对布置的夹板144构成，所述夹板144底部与底座142锁定连接，两夹板142之间留有用于夹住反应容器两侧的调整式插槽，通过调整夹板142与底座142之间的相对位置调整调整式插槽的宽度以夹住不同尺寸的反应容器。
所述光源发射单元121包括调光器122、光源124、滤光片126、电致变色滤光片128以及电压调节器130，所述调光器122的控制端与所述的光源124的控制端电连接，所述光源124的出光口从内向外依次装有滤光片126、电致变色滤光片128和光纤导管132的输入端，且所述的电致变色滤光片128的连接端口与所述的电压调节器130的电压调节端口电连接，用于控制电致变色滤光片透过的照射光源波长范围。
所述的光源发射单元121还包括光度测量仪134，用于验证电致变色滤光片透过的照射光源。
所述的光催化剂为金属氧化物。
所述的金属氧化物为二氧化钛、氧化锌以及三氧化二铁中的任意一种或两种及以上任意比例的组合。
所述反应容器148顶部设有用于电解的电极插槽150以及探针插槽152，且电极插槽150以及探针插槽152均与反应腔连通，所述电极插槽以及探针插槽内分别插入相应的电极以及探针，且电极以及探针的连接端均引出外壳后与相应电源电连接。
所述的外壳的内壁配装PM2.5传感器和空气净化器，用于检测容置空间内的空气洁净程度以及提高空气质量。
实施例2本实施例与实施例1的区别之处在于：所述光源发射单元的出光口直接对准外壳的光源入口将光源发射单元产生的照射光源输入至光催化单元。
实施例3如图1和图2所示，一实施方式的光催化反应器100包括外壳110，光催化组件140以及光源组件120。
外壳110具有一容置空间112，具体在图示的实施例中，外壳110为长方体型。可以理解，在其它实施例中，外壳110不限于为上述形状，外壳110还可以为正方体形、圆柱形或者不规则的立体结构，外壳110的形状可根据具体的需要进行选择；同样，外壳110的材质在本实施例中为亚克力板。可以理解，在其他实施例中，外壳110不限于为上述材质，外壳110的材质可以选择为木板、纸板或者铝合金材质等，其材质的选择可根据具体的需要进行选择。
其中，外壳110上开设有与容置空间112相连通的光源入口114。具体在图示的实施例中，光源入口114位于外壳110右侧端面上。
另外，在容置空间112内壁上侧附有PM2.5传感器154及小型的空气净化器156，可用于检测容置空间内的空气洁净程度以及提高空气质量，避免了在光催化反应进行时空气中的杂质对入射光造成散射及对光催化反应造成的影响。
光源组件120置于容置空间112外。具体的，光源组件包括用于发射照射光源的光源发射单元以及用于将照射光源输送至光催化单元的光纤导管132，其中光源发射单元包括调光器122，光源124，滤光片126，电致变色滤光片128以及用于控制电致变色滤光片的电压调节器130。
参阅图2，调光器122，光源124，滤光片126，电致变色滤光片128，光纤导管132通过图示位置按圆柱中心轴线水平方向前后连接，固定后组装成为集光源发射和滤光功能的一体化的光源组件。当然，各光源组件中，有些并不限于圆柱结构，在其他的实施例中，光源组件亦可以是长方体等结构，可根据具体的需要进行选择。
具体的，在本实施例中，光源124采用的是金卤灯。可以理解，在其他实施例中，光源124不限于为使用金卤灯，光源124还可以是氙灯等，可根据具体的需要进行选择。
具体在在图示的实施例中，滤光片126可以实现初步滤波功能，是对由光源124发出的光进行筛选，只允许通过某段波长范围的光，而电致变色滤光片128则是可以进一步筛选波长，将光的波长范围大大缩小，另外用于控制电致变色滤光片的电压调节器130可以调节电致变色滤光片128的波长筛选范围。
具体在在图示的实施例中，对由滤光片126及电致变色滤光片128筛选出的光进行验证，可采用光度测量仪134。
具体在在图示的实施例中，外壳和光源组件是分开的。可以理解，在其他的实施例中，外壳和光源组件可以是一体的，也可以是分开的，可根据具体的需要进行选择。
光催化组件140收容于容置空间112内。参阅图3，底座142上的两块夹板144上有开设光纤入口146，反应容器148固定于两相对布置的夹板144中间，并通过调整两夹板之间的调整式插槽宽度以适应不同大小的反应容器。
参阅图4，光催化组件设有电极插槽150和探针插槽152。
电极插槽150可用于电解反应。可以理解，此光催化反应装置是可以光催化和电催化并行的。
具体在图示的实施例中，采用用于微量反应的反应管作为反应容器，光催化剂直接投入反应管中参与反应。
具体的，光催化剂为金属氧化物或金属氧化物与活性炭的复合物，其中金属氧化物为二氧化钛、钛氧簇、氧化锌、氧化铬、氧化钴、氧化镍及氧化铁等。
具体在本实施例中，置于反应器中的光催化剂为钛氧簇C34H62O13S2Ti3/活性炭复合材料,该材料的具体制备方法是:
称取噻吩-3-甲酸128g，量取5.0L异丙醇和1.0L钛酸异丙酯加入密闭容器中混合均匀后置于80℃的恒温箱内72h。取出容器并缓慢降至室温，静置3周后于容器底部获得无色的钛氧簇C34H62O13S2Ti3晶体。然后称取5.0g活性炭将其分散在装有20ml二氯甲烷的烧杯中，加入上述1g钛氧簇C34H62O13S2Ti3晶体并溶解，超声搅拌30min，烘干之后将得到的固体在管式炉中于800℃煅烧1h，得到稳定的钛氧簇C34H62O13S2Ti3/活性炭复合材料。该材料不仅可以吸附流体中的有机污染物,而且能快速、高效的催化氧化分解所吸附的有机污染物,实现净化流体的目的。，此催化剂在微量反应中可以以投入容积在20ml以下的反应管的形式参与反应，亦可以通过制作复合材料压片，投容积在200mL以上的反应容器中，使之较易循环回收利用，在每次使用完毕后通过清洗以去除表面影响催化反应的杂质，提高此光催化剂的循环性能。
制作成压片的光催化剂的表面上也可以附着助催化剂，助催化剂能够提高光催化剂的转化效率。具体的，助催化剂选自铂、钯、钌、银、铜、钨、铑、钼、金及铁中的一种；或者，助催化剂选自铂、钯、钌、银、铜、钨、铑、钼、金及铁中的一种的氧化物；或者，助催化剂选自铂、钯、钌、银、铜、钨、铑、钼、金及铁中的一种的硫化物。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也包括本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。
Claims (9)
1.一种光催化净化反应器，其特征在于，包括：
外壳，具有一容质空间，且所述外壳壁面上设有可与容质空间连通的光源入口；
光催化组件，收容于所述的容质空间内，包括光催化单元和固定单元，其中光催化单元通过固定单元拆卸式安装在容质空间内，且所述的固定单元上设有用于向光催化单元引入照射光源的光纤入口；
以及光源组件，置于所述容质空间外，包括用于发射照射光源的光源发射单元以及用于将照射光源输送至光催化单元的光纤导管，所述光源发射单元的出光口直接对准外壳的光源入口或者通过光纤导管将光源发射单元产生的照射光源输入至光催化单元。
2.如权利要求1所述的一种光催化净化反应器，其特征在于：所述光催化单元包括反应容器和置于反应器内的光催化剂，所述反应容器拆卸式安装在固定单元上，并且所述的光催化剂装于反应容器的反应腔内。
3.如权利要求2所述的一种光催化净化反应器，其特征在于：所述固定单元包括底座和夹紧装置，所述的夹紧装置由两块相对布置的夹板构成，所述夹板底部与底座锁定连接，两夹板之间留有用于夹住反应容器的调整式插槽。
4.如权利要求1所述的一种光催化净化反应器，其特征在于：所述光源发射单元包括调光器、光源、滤光片、电致变色滤光片以及电压调节器，所述调光器的控制端与所述的光源的控制端电连接，所述光源的出光口从内向外依次装有滤光片、电致变色滤光片和光纤导管的输入端，且所述的电致变色滤光片的连接端口与所述的电压调节器的电压调节端口电连接，用于控制电致变色滤光片透过的照射光源波长范围。
5.如权利要求4所述的一种光催化净化反应器，其特征在于：所述的光源发射单元还包括光度测量仪，用于监测最终到达反应器的光线的强度。
6.如权利要求1所述的一种光催化净化反应器，其特征在于：所述的光催化剂为金属氧化物或金属氧化物与活性炭的复合物。
7.如权利要求6所述的一种光催化净化反应器，其特征在于：所述的金属氧化物为二氧化钛、钛氧簇、氧化锌、氧化铬、氧化钴、氧化镍及氧化铁中的任意一种或两种及以上任意比例的组合。
8.如权利要求5所述的一种光催化净化反应器，其特征在于：所述反应容器顶部设有用于监测净化效果的电极插槽以及探针插槽，且电极插槽以及探针插槽均与反应腔连通，所述电极插槽以及探针插槽内分别插入相应的电极以及探针，并外接监测仪器。
9.如权利要求1所述的一种光催化净化反应器，其特征在于：所述的外壳的内壁配装PM2.5传感器和空气净化器，用于检测容置空间内的空气洁净程度以及提高空气质量。
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