CN110045057A - 催化剂性能评价装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种催化剂性能评价装置，所述催化剂性能评价装置包括配气系统、混气系统、反应系统及分析系统，且所述配气系统、混气系统、反应系统及分析系统沿气路从上游至下游依次设置连接；配气系统包括至少一个气源，所述气源入口处设有用于抽取空气的抽气泵，出口处设有气源阀门；混气系统包括混气缸，混气缸内设有混气风扇；反应系统的入口管路设有循环泵，且该管路经入口三通阀分成空白气路和反应气路，反应气路上设有催化模块，空白气路和反应气路经出口三通阀汇合成反应系统的出口管路，在入口三通阀的入口侧和出口三通阀的出口侧均设有有机物传感器；所述分析系统包括质谱及色谱工作站。本发明还公开了一种催化剂性能评价方法。
Description
技术领域
本发明涉及催化剂领域，特别是一种催化剂性能评价装置及方法。
背景技术
目前室内环境污染问题严重，光催化技术是这些年十分流行的一种可以治理空气中有机污染物的净化技术。光催化技术是指在光照条件下，半导体催化剂可以将室内的空气污染物彻底降解为二氧化碳和水，反应条件温和。近几年来，催化剂在光催化净化空气方面的开发和研究发展很快，但是目前的测试装置多采用高纯气瓶配气，成本高，且管路复杂，测试结果多偏离真实环境。此外，还有的催化剂评价装置大多采用定时抽取一定量气体进行离线分析检测，导致实验误差较大，影响实验精度，达不到准确评价催化剂性能的目的。
因鉴于此，特提出此发明。
发明内容
本发明的目的是提供一种适合真实环境特别是空气净化性能的催化剂评价装置及方法。
为了实现上述目的，本发明提供的一种催化剂性能评价装置，所述催化剂性能评价装置包括配气系统、混气系统、反应系统及分析系统，且所述配气系统、混气系统、反应系统及分析系统沿气路从上游至下游依次设置连接；
所述配气系统包括至少一个气源，所述气源入口处设有用于抽取空气的抽气泵，出口处设有气源阀门；
所述混气系统包括混气缸，混气缸内设有混气风扇；
所述反应系统的入口管路设有循环泵，且该管路经入口三通阀分成空白气路和反应气路，所述反应气路上设有催化模块，所述空白气路和反应气路经出口三通阀汇合成反应系统的出口管路，在入口三通阀的入口侧和出口三通阀的出口侧均设有有机物传感器；
所述分析系统包括质谱及色谱工作站。
优选地，所述混气缸为透明玻璃缸。
优选地，所述混气缸内还设有温度传感器和湿度传感器。
优选地，所述反应系统的入口管路处还设有质量流量计。
优选地，所述催化模块包括反应管、反应框架、光源，所述反应管通过设于反应管两端的微型反应器接头接入管路，所述反应框架套设于反应管外侧，所述光源设于反应框架内侧。
优选地，所述反应管为石英管。
优选地，所述催化模块还包括散热器，所述散热器设于所述反应框架的外侧，与光源安装位置对应的位置上。
另一方面，本发明还提供一种催化剂性能的评价方法，采用上述的催化剂性能评价装置实施，并按以下步骤进行：
(1)向催化模块内填充催化剂；
(2)通过配气系统和混气系统制备用于测试的混合气体；
(3)向催化模块通入混合气体进行吸附；
(4)令催化剂上吸附的混合气体降解；
(5)检测尾气。
优选地，步骤(1)在填充催化剂的前后均需添加石英棉。
本发明提供的催化剂性能评价装置及方法，具有如下有益效果：
采用普通有机溶剂做气源，通过空气鼓泡的方式吹出有机物气体，配气简单，不同有机物只需要改变储气瓶内有机溶剂，操作方便。且可使用多个气源，实现不同组分、不同浓度有机物气体的配置；
采用传感器监测有机物浓度，在光催化反应进行过程中在线实时监测有机物浓度变化，与传统的离线抽样检测方法相比，减少了实验误差，提高评价准确性；
可检测催化剂的吸附性能和光催化性能；当气流通过光反应模块时，光源关闭时，可测试催化剂的吸附性能；光照条件下，可测试催化剂的光催化性能；
能够研究光源、光强、湿度、流速等因素对催化剂催化效率的影响，能够研究光催化反应动力学，能够实现对光催化剂性能的实时、高精度、客观评价。
附图说明
图1为本发明提供的催化剂性能评价装置结构示意图。
图2为本发明提供的催化剂性能评价装置中催化模块结构示意图。
图3是本发明具体使用例中的氧化钛P25对甲醛的吸附性能测试结果。
图4是本发明具体使用例中的氧化钛P25对甲醛的光催化性能测试结果。
图中：
1.配气系统 11.气源 12.抽气泵 13.气源阀门 2.混气系统 21.混气缸 22.混气风扇3.反应系统 31.质量流量计 32.循环泵 33.空白气路 34.反应气路 35.催化模块351.反应管 352.微型反应器接头 353.反应框架 354.光源 355.散热片 356.冷却风扇4.分析系统
具体实施方式
实施例一
请参考图1-2，本发明实施例提供了一种催化剂性能评价装置。
所述催化剂性能评价装置包括配气系统1、混气系统2、反应系统3及分析系统4，且所述配气系统1、混气系统2、反应系统3及分析系统4沿气路从上游至下游依次设置连接。
所述配气系统1包括至少一个气源11，每个气源11对应反应气体中的一种组分，当反应气体中包含多种有机物时，则采用多个气源11，因此，本发明对所述气源11的数量不做具体限定，本领域技术人员可根据实际需要进行选择。
所述气源11为一容纳有机试剂的密闭容器，作为气源入口的管路设有一抽气泵12，且该管路通至密闭容器底端，该设计通过抽气泵12向气源11内泵入新鲜空气以吹出含有有机物的气体。所述气源11的出口处设有气源阀门13，通过调节抽气泵12和气源阀门13可以调节吹出含有有机物的气体的浓度。
若采用多个气源11，则各气源产生的含有有机物的气体则通过一多通汇合并通入混气系统2。
所述混气系统2包括混气缸21，所述混气缸21内设有一混气风扇22，在含有有机物的气体进入混气缸21内时，所述混气风扇22启动将混气缸21内的的含有有机物的气体混合均匀。
在本实施例中，所述混气缸21为一透明玻璃缸，以便观察缸内的实时状态。
进一步的，在混气缸21内还设有温度传感器和湿度传感器(图中未示出)，用于监控缸内气体状态，提高评价精度。
所述反应系统3的入口管路伸入混气缸21内设置，且在该入口管路上设有循环泵32和质量流量计31，该管路经入口三通阀分成空白气路33和反应气路34，所述反应气路34上设有催化模块35，所述空白气路33和反应气路34经出口三通阀汇合成反应系统的出口管路，在入口三通阀的入口侧和出口三通阀的出口侧均设有有机物传感器36。
在本实施例中，所述催化模块35包括反应管351、反应框架353、光源354。
所述反应管351通过设于反应管351两端的微型反应器接头352接入管路，以便在保证密封性能的基础上使反应管351拆卸方便以便向其中添加催化剂。所述反应框架353套设于反应管351的外侧，用于固定照射反应管351的光源354。
在本实施例中，所述反应管351采用石英管，反应框架353采用抛光铝板组装而成，光源354固定于反应框架353的内侧。采用抛光铝板有利于光线在反应框架内来回反射，以充分利用光源。
所述光源354的光照强度可通过调节光源所用的电源的电压和电流进行调节。
进一步的，在反应框架353外侧对应光源354的位置上还设有散热器，以避免光源过热，在本实施例中，所述散热器为带有冷却风扇3565的散热片355。
所述反应系统3的出口管路与分析系统4连接。
在本发明中，所述分析系统4包括质谱及色谱工作站。用于分析经由反应系统的气体中的各组分含量。
实施例二
本发明实施例提供了一种基于实施例一种所述的催化剂性能评价装置的催化剂性能评价方法。
所述方法按照以下步骤依次进行：
1.向催化模块内填充催化剂
向催化模块的反应管中填充一定量的催化剂，且在填充催化剂前和填充催化剂后均需向反应管内填充石英棉，以防止催化剂被吹出反应管。
2.通过配气系统和混气系统制备用于测试的混合气体
根据被测试的催化剂选择制备作为反应物的含有有机物的气体。将对应的有机物添加到气源的容器内，开启对应气源的抽气泵，将对应的有机物通过新鲜空气吹出，并通过调节抽气泵和气源的气源阀门调节气体中的有机物至合适浓度。若混合气体中需要含有多种有机物时，则通过多个气源同时制备。由气源制备的含有有机物的气体被通入至混气缸内进一步的被混合均匀。
3.向催化模块通入混合气体进行吸附
通过入口三通阀和出口三通阀切向空白气路，开启循环泵，至入口三通阀的入口侧和出口三通阀的出口侧的有机物传感器读数稳定且一致后说明混气已均匀。通过入口三通阀和出口三通阀切向反应气路，至入口三通阀的入口侧和出口三通阀的出口侧的有机物传感器读数再一次稳定且一致。则说明含有有机物的气体在催化剂表面达到了吸附-脱附平衡。
4.催化降解
开启光源，令催化剂催化降解含有有机物气体中的有机物，至出口三通阀的出口侧的有机物传感器读数稳定，说明催化降解过程完成。
5.检测尾气
开启分析系统，检测尾气成分。
其中，有机物降解率η利用下式计算：
式中，Cin—反应模块进口有机物的浓度，mg/m3；
Cout—反应模块出口有机物浓度，mg/m3。
下面结合具体使用例对本实施例中的方法做进一步说明。
称取50mg P25氧化钛粉末放入直径为8mm的石英管中，两头用石英棉固定，接入反应气路中。反应系统中的三通阀切向混气气路，打开甲醛气体发生瓶的抽气泵和阀门，配置浓度为0.5mg/m3的甲醛气体，待进口传感器示数为0.5时关闭抽气泵。当进出口传感器读数一致时，说明混气均匀，且流速稳定，关闭抽气泵和阀门。将反应系统中的三通阀切向反应气路，有机物通过催化剂后，在催化剂表面被吸附，出口传感器读数下降，当出口传感器读数稳定后，说明吸附-脱附平衡。打开光源，甲醛在光照条件下，被P25降解。在测试过程中，传感器连续工作，实时在线监测气路中有机物浓度变化。
其中，氧化钛P25对甲醛的吸附性能测试结果如图3所示，氧化钛P25对甲醛的光催化性能结果如图4所示。
本发明提供的催化剂性能评价装置及方法，可以采用普通有机溶剂做气源，通过空气鼓泡的方式吹出有机物气体，配气简单，不同有机物只需要改变储气瓶内有机溶剂，操作方便。且可使用多个气源，实现不同组分、不同浓度有机物气体的配置；
采用传感器监测有机物浓度，在光催化反应进行过程中在线实时监测有机物浓度变化，与传统的离线抽样检测方法相比，减少了实验误差，提高评价准确性；
可检测催化剂的吸附性能和光催化性能；当气流通过光反应模块时，光源关闭时，可测试催化剂的吸附性能；光照条件下，可测试催化剂的光催化性能；
能够研究光源、光强、湿度、流速等因素对催化剂催化效率的影响，能够研究光催化反应动力学，能够实现对光催化剂性能的实时、高精度、客观评价。
本文中应用了具体个例对发明构思进行了详细阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离该发明构思的前提下，所做的任何显而易见的修改、等同替换或其他改进，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种催化剂性能评价装置，其特征在于，所述催化剂性能评价装置包括配气系统、混气系统、反应系统及分析系统，且所述配气系统、混气系统、反应系统及分析系统沿气路从上游至下游依次设置连接；
所述配气系统包括至少一个气源，所述气源入口处设有用于抽取空气的抽气泵，出口处设有气源阀门；
所述混气系统包括混气缸，混气缸内设有混气风扇；
所述反应系统的入口管路设有循环泵，且该管路经入口三通阀分成空白气路和反应气路，所述反应气路上设有催化模块，所述空白气路和反应气路经出口三通阀汇合成反应系统的出口管路，在入口三通阀的入口侧和出口三通阀的出口侧均设有有机物传感器；
所述分析系统包括质谱及色谱工作站。
2.根据权利要求1所述的催化剂性能评价装置，其特征在于所述混气缸为透明玻璃缸。
3.根据权利要求1所述的催化剂性能评价装置，其特征在于，所述混气缸内还设有温度传感器和湿度传感器。
4.根据权利要求1所述的催化剂性能评价装置，其特征在于，所述反应系统的入口管路处还设有质量流量计。
5.根据权利要求1所述的催化剂性能评价装置，其特征在于，所述催化模块包括反应管、反应框架、光源，所述反应管通过设于反应管两端的微型反应器接头接入管路，所述反应框架套设于反应管外侧，所述光源设于反应框架内侧。
6.根据权利要求5所述的催化剂性能评价装置，其特征在于，所述反应管为石英管。
7.根据权利要求5所述的催化剂性能评价装置，其特征在于，所述催化模块还包括散热器，所述散热器设于所述反应框架的外侧，与光源安装位置对应的位置上。
8.一种催化剂性能的评价方法，其特征在于，采用如权利要求1-7任一所述的催化剂性能评价装置实施，并按以下步骤进行：
(1)向催化模块内填充催化剂；
(2)通过配气系统和混气系统制备用于测试的混合气体；
(3)向催化模块通入混合气体进行吸附；
(4)催化降解；
(5)检测尾气。
9.根据权利要求8所述的催化剂性能的评价方法，其特征在于，步骤(1)在填充催化剂的前后均需添加石英棉。
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