CN110280195A - 一种光催化反应系统及其在人工固氮过程中的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光催化反应系统及其在人工固氮过程中的应用，所述的包括聚光系统、追踪系统、反应系统、控制系统和固定系统；所述的固定系统由基座和固定支架组成；所述的聚光系统包括菲涅尔型聚光器；所述追踪系统包括四象限太阳光传感器、东西追踪电机、仰角升降电机、分别控制所述东西追踪电机和仰角升降电机驱动的电机驱动控制器、东西追踪支架、仰角升降支架及开关电源；所述反应系统包括反应器及反应器升降支架；接通开关电源，所述的四象限太阳光接收器会根据天空中不同区域的光线强弱，判断太阳的具体位置，驱动东西追踪电机和仰角升降电机带动聚光系统和反应系统跟随太阳运动，使得聚焦后的光斑精确照射在反应器内的催化剂上。

Description

一种光催化反应系统及其在人工固氮过程中的应用
技术领域
本发明涉及光催化反应装置领域，具体为一种能够较好地适用于人工固氮反应的光催化系统。
背景技术
太阳能作为取之不尽用之不竭的可再生能源，每小时到达地球的能量足以满足人类一年的能源消耗。从某种意义上来说，应进一步加快太阳能资源的开发与利用。但地球与太阳相距甚远，辐射到地球表面的太阳能能量密度较低(1000W/m2)，且不稳定不连续，使得太阳能资源的直接利用效率较低，造成了巨大的资源浪费。当前，人们正努力将太阳能的利用方式由直接向间接方式转变。在各种太阳能间接利用方式中，人工固氮是具有代表性的过程之一。人工固氮是通过化学方法将空气中的氮气转化为氨的过程，是自然界中最主要的生命现象之一。
大气中的氮气含量占空气组成的72％，但绝大多数的植物并不能直接利用空气中的氮气，通常要经过生物固氮将空气中的氮气转化为植物可直接利用的氮，然而在自然界中这种生物(如豆科植物等)很少，生物固氮仍富含挑战性，有待于进一步展开研究。当前，人类社会所需的氨主要来自于人工合成氨过程，且世界合成氨能力已达到年产亿吨的水平。但现有工业合成氨过程需要高温、高压以及氢气的存在，不仅消耗能源而且造成了一定程度的污染环境。因此，迫切需要寻找一种绿色清洁、低能耗的固氮工艺来代替高能耗的工业固氮过程，缓解现有工业固氮产氨耗能高、环境污染严重的问题。由此，电催化固氮和光催化固氮引起了全球学者的广泛关注，其中以光催化固氮最引人瞩目。光催化固氮是利用半导体光催化剂对光的响应，将氮气转化为氨气和氧气的过程，其反应方程如下所示：
事实上，人工固氮的历史可追溯于上世纪70年代。1977年Guth等人发现在掺杂Fe的粉末上可以发生光催化固氮的还原反应，自此人工固氮应运而生，受到了众多学者的关注，并在实验室规模上做了大量的研究工作。但经过40多年的探究和发展，人工固氮技术仍然没有突破工业化应用的瓶颈。众所周知，当前用做光催化的材料(如TiO2等)大多是宽禁带半导体，仅对385nm下的紫外区有响应。而照射到地面的太阳光谱中这部分光不足5％，且TiO2的量子效率不高于20％，因此太阳能的利用效率仅在1％左右，太阳能利用率较低。
此外，在常温自然光条件下进行人工固氮反应，意味着太阳能场(Solar farm)有多大，反应器和催化剂规模也就有多大。反应器、催化剂的成本以及反应物分布和产物收集等均会给该过程的应用带来巨大的挑战。再者，太阳能的低能量密度也会限制反应产物的量，加剧后续工艺处理的难度。
发明内容
本发明针对当前人工固氮反应系统一般只适用于模拟光源和常温常压反应的问题，提供了一种以真实太阳光为光源的聚光光催化反应系统，采取高倍聚光的方法，提高单位催化剂表面的入射光强，同时利用太阳光中的长波光线将反应装置加热到高温，从而充分利用不同波长的太阳光能量，提高光催化能量转化效率。
为达成目标，本发明提供的技术方案如下：
一种光催化反应系统，包括聚光系统、追踪系统、反应系统、控制系统和固定所述聚光系统、追踪系统、反应系统、控制系统的固定系统；所述的固定系统由基座和固定支架组成；
所述的聚光系统包括菲涅尔型聚光器，所述的菲涅尔型聚光器固定于所述的支撑架上；
所述追踪系统包括四象限太阳光传感器、东西追踪电机、仰角升降电机、分别控制所述东西追踪电机和仰角升降电机驱动的电机驱动控制器、东西追踪支架、仰角升降支架及开关电源；所述四象限太阳光传感器通过支撑架安装在所述的菲涅尔型聚光器一侧；所述的东西追踪电机和仰角升降电机并联并与所述的电机驱动控制器、四象限太阳光传感器、开关电源构成闭合电路；所述的东西追踪电机、电机驱动控制器及开关电源设置在基底上；所述的东西追踪支架与所述的东西追踪电机的转轴相连，所述的东西追踪电机带动所述的东西追踪支架在平行于水平面的方向上转动；所述的仰角升降电机固定在所述的东西追踪支架上，所述的仰角升降电机的转轴与所述的仰角支架相连，所述的仰角支架的两端与所述的支撑架固定连接，使得所述的仰角升降电机可通过仰角支架带动所述的支撑架在垂直于水平面的方向上转动；
所述反应系统包括反应器及反应器升降支架；所述的反应器包括反应器本体、与反应器本体的内腔连通设置在所述反应器本体内用于固定催化剂的固定装置、用于测定所述反应器内压力的压力表和用于测定所述催化剂表面温度的热电偶；所述反应器本体为夹层结构；所述的反应器本体靠近底端部分设有进气口和出气口，所述的反应器本体的侧壁上设有与所述夹层连通的冷媒入口和冷媒出口；所述的反应器本体的顶端由石英玻璃窗构成，用于密封所述反应器，并使光源透过到达所述催化剂表面；所述反应器升降支架固定于菲涅尔型聚光镜的焦线上；所述反应器安装在所述反应器升降支架上，所述的反应器升降支架固定安装在所述的支撑架上，并使得所述的反应器的上端面与所述菲涅尔型聚光镜保持平行；
所述的光催化反应系统整体呈气密闭。
进一步，所述的催化剂固定装置由盛装固定催化剂的托盘及固定所述托盘的催化剂固定支架构成。
进一步，所述反应器工作时，反应器本体内放有搅拌子，所述反应器放在磁力搅拌器上，防止发生局部湍流。
进一步，所述仰角升降支架的两端与所述支撑架通过轴承连接。
本发明所述的反应器升降支架(9)可以调节所述反应器(8)与所述菲涅尔型聚光镜(1)的距离从而调节入射光面积。
本发明通过自动追踪定位系统可调节所述菲涅尔型聚光镜及所述反应器与太阳同步运动而保持相对静止，使光线与所述菲涅尔型聚光镜始终保持垂直。
本发明的工作原理是：接通聚光光催化固氮反应装置的开关电源，所述的四象限太阳光接收器会根据天空中不同区域的光线强弱，判断太阳的具体位置，驱动东西追踪电机和仰角升降电机带动聚光系统和反应系统跟随太阳运动，使得聚焦后的光斑精确照射在反应器内的催化剂上，当反应器本体内温度过高，超过催化剂的承受能力时，可以通过冷媒对反应器本体进行降温，所述的冷媒可以为空气或者水。
本发明所述的光催化反应系统应用于人工固氮。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明提供了一种新型、高效、实用的自动追踪聚光光催化固氮装置，该装置利用廉价无污染的太阳能为光源，通过高倍聚光，可以大大减小反应器的体积和设备占地面积，节约成本；此外，自动追踪系统将太阳光利用率至少提升37.7％，且高倍聚光系统大幅度提高了光强和温度，极大的提高了反应速率；再者，该反应装置原理可靠、制造结构简单、光催化效率高，按一定的比列放大后可应用于更大的工业化光催化固氮场合。
附图说明
图1为基于本专利所涉及反应系统方案下的反应系统结构示意图；
图2为本专利所涉及反应系统的一种逻辑示意图。
具体实施方式
说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术和实质意义的任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，亦当视为本发明可实施范畴。
图中，1、菲涅尔型聚光器；2、四象限太阳光传感器；3、东西追踪电机；4、仰角升降电机；5、电机驱动控制器；6、东西追踪支架；7、仰角升降支架；8、反应器；9、反应器升降支架；10、基座；11、支撑架；12、开关电源；13、反应器本体；14石英玻璃窗；15、固定支架；16、托盘；17、催化剂；18、进气口；19、出气口；20、压力表；21、热电偶；22、搅拌子；23、磁力搅拌器。
本发明的具体实施例如下：
实施例1：用于人工固氮的高倍聚光反应装置，包括聚光系统、追踪系统、反应系统、控制系统和固定所述聚光系统、追踪系统、反应系统、控制系统的固定系统；所述的固定系统由基座(10)和固定支架(11)组成；
所述的聚光系统包括菲涅尔型聚光器(1)，所述的菲涅尔型聚光器(1)固定于所述的支撑架(11)上；
所述追踪系统包括四象限太阳光传感器(2)、东西追踪电机(3)、仰角升降电机(4)、分别控制所述东西追踪电机(3)和仰角升降电机(4)驱动的电机驱动控制器(5)、东西追踪支架(6)、仰角升降支架(7)及开关电源(12)；所述四象限太阳光传感器(2)通过支撑架(11)安装在所述的菲涅尔型聚光器(1)一侧；所述的东西追踪电机(3)和仰角升降电机(4)并联并与所述的电机驱动控制器(5)、四象限太阳光传感器(2)、开关电源(12)构成闭合电路；所述的东西追踪电机(3)、电机驱动控制器(5)及开关电源(12)设置在基底(10)上；所述的东西追踪支架(6)为U型支架，所述U型支架底部的中心与所述的东西追踪电机(3)的转轴相连，所述的东西追踪电机(3)带动所述的东西追踪支架(6)在平行于水平面的方向上转动；所述的仰角升降电机(4)固定在所述的东西追踪支架(6)U型的端部上，所述的仰角升降电机(4)的转轴与所述的仰角支架(7)的中心相连，所述仰角升降支架(7)的两端与所述支撑架(11)通过轴承连接，使得所述的仰角升降电机(4)可通过仰角支架(7)带动所述的支撑架(11)在垂直于水平面的方向上转动；
所述反应系统包括反应器(8)及反应器升降支架(9)；所述的反应器(8)包括反应器本体(13)、设置在所述反应器本体(13)内盛装固定催化剂(17)的托盘(16)、固定所述托盘(16)的催化剂固定支架(15)、与反应器本体(13)的内腔连通用于测定所述反应器(8)内压力的1.5MPa压力表(20)和用于测定所述催化剂(17)表面温度的热电偶(21)；所述反应器本体(13)为夹层结构；所述的反应器本体(13)靠近底端部分设有进气口(18)和出气口(19)，所述的反应器本体(13)的侧壁上设有与所述夹层连通的冷媒入口(24)和冷媒出口(25)；所述的反应器本体(13)的顶端由厚度为15mm石英玻璃窗(14)构成，用于密封所述反应器(8)，并使光源透过到达所述催化剂(17)表面；所述反应器升降支架(9)固定于菲涅尔型聚光镜(1)的焦线上；所述反应器(8)安装在所述反应器升降支架(9)上，所述的反应器升降支架(9)固定安装在所述的支撑架(11)上，并使得所述的反应器(8)的上端面与所述菲涅尔型聚光镜(1)保持平行。
所述的催化剂为直径1cm的TiO2薄片。所述的聚光镜为直径1m的菲涅耳透镜。其余支架材料依据反应器和菲涅尔透镜规模相应制造和构建。
取干净的反应器向其中依次加入2mL的H2O，搅拌子(22)和催化剂TiO2薄片，将热电偶末端放至催化剂表面以测量催化剂表面的温度，用石英玻璃窗密封反应器，将所述反应器(8)放在磁力搅拌器(22)上。以N2为载气通过质量流量控制器检测反应器的密封性，确保反应器密封效果良好。反应开始之前，以1.0mL/min的流速向反应器中通30min高纯N2(99.99％)以排出装置内的杂质气体，随后将高纯N2充入系统直到系统压力为0.1MPa。将反应器安装到升降支架上，调节反应器与菲涅尔透镜的距离，使聚光比从100-1000变化。打开电源开关开始反应，每10min记录系统温度和压力变化，并每隔1h取样通过气相色谱(GC7900)进行在线分析，记录峰面积通过外标法进行计算。结果表明，反应器内温度可以达到726℃，压力1.1MPa，氨气生成速率177.6μg/(gcatalyst·h)。
实施例2：取干净的反应器向其中依次加入2mL的H2O，搅拌子(22)和催化剂TiO2薄片，将热电偶末端放至催化剂表面以测量催化剂表面的温度，用石英玻璃窗密封反应器，将所述反应器(8)放在磁力搅拌器(22)上。以N2为载气通过质量流量控制器检测反应器的密封性，确保反应器密封效果良好。反应开始之前，以1.0mL/min的流速向反应器中通30min高纯N2(99.99％)以排出装置内的杂质气体，随后将高纯N2充入系统直到系统压力为0.1MPa。将反应器安装到升降支架上，调节反应器与菲涅尔透镜的距离，使聚光比从100-1000变化。向夹层中通入一定量的循环水，每10min记录系统温度和压力变化。结果表明，反应器内温度明显下降，最高温度降低到552℃，减轻了对TiO2催化剂晶体结构的破坏。
实施例3：用于人工固氮的自然光(非聚光)反应装置，与聚光反应装置中的反应器一致。取干净的反应器向其中依次加入2mL的H2O，搅拌器，催化剂支架、托盘和催化剂，将热电偶末端放至催化剂表面以测量催化剂表面的温度，用石英玻璃窗密封反应器。以N2为载气通过质量流量控制器检测反应器的密封性，确保反应器密封效果良好。反应开始之前，以1.0mL/min的流速向反应器中通30min高纯N2(99.99％)以排出装置内的杂质气体，随后将高纯N2充入系统直到系统压力为0.1MPa。打开电源开关开始反应，每10min记录系统温度和压力变化，并每隔1h取样通过气相色谱(GC 7900)进行在线分析，记录峰面积通过外标法进行计算，得到氨气生成速率1.58μg/(gcatalyst·h)。与聚光反应系统的结果进行对比，表明聚光系统下的反应速率较之非聚光条件下反应速率增加100倍以上。
上述实施方式仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。本发明还有许多方面可以在不违背总体思想的前提下进行改进，对于熟悉此技术的人皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (6)

1.一种光催化反应系统，其特征在于：所述的光催化反应系统包括聚光系统、追踪系统、反应系统、控制系统和固定所述聚光系统、追踪系统、反应系统、控制系统的固定系统组成；
所述的固定系统由基座(10)和支撑架(11)组成；
所述的聚光系统包括菲涅尔型聚光器(1)，所述的菲涅尔型聚光器(1)固定于所述的支撑架(11)上；
所述追踪系统包括四象限太阳光传感器(2)、东西追踪电机(3)、仰角升降电机(4)、分别控制所述东西追踪电机(3)和仰角升降电机(4)驱动的电机驱动控制器(5)、东西追踪支架(6)、仰角升降支架(7)及开关电源(12)；所述四象限太阳光传感器(2)通过支撑架(11)安装在所述的菲涅尔型聚光器(1)一侧；所述的东西追踪电机(3)和仰角升降电机(4)并联并与所述的电机驱动控制器(5)、四象限太阳光传感器(2)、开关电源(12)构成闭合电路；所述的东西追踪电机(3)、电机驱动控制器(5)及开关电源(12)设置在基底(10)上；所述的东西追踪支架(6)与所述的东西追踪电机(3)的转轴相连，所述的东西追踪电机(3)带动所述的东西追踪支架(6)在平行于水平面的方向上转动；所述的仰角升降电机(4)固定在所述的东西追踪支架(6)上，所述的仰角升降电机(4)的转轴与所述的仰角支架(7)相连，所述的仰角支架(7)的两端与所述的支撑架(11)固定连接，使得所述的仰角升降电机(4)可通过仰角支架(7)带动所述的支撑架(11)在垂直于水平面的方向上转动；
所述反应系统包括反应器(8)及反应器升降支架(9)；所述的反应器(8)包括反应器本体(13)、设置在所述反应器本体(13)内催化剂固定装置、与反应器本体(13)的内腔连通用于测定所述反应器(8)内压力的压力表(20)和用于测定所述催化剂(17)表面温度的热电偶(21)；所述反应器本体(13)为夹层结构；所述的反应器本体(13)靠近底端部分设有进气口(18)和出气口(19)，所述的反应器本体(13)的侧壁上设有与所述夹层连通的冷媒入口(24)和冷媒出口(25)；所述的反应器本体(13)的顶端由石英玻璃窗(14)构成，用于密封所述反应器(8)，并使光源透过到达所述催化剂(17)表面；所述反应器升降支架(9)固定于菲涅尔型聚光镜(1)的焦线上；所述反应器(8)安装在所述反应器升降支架(9)上，所述的反应器升降支架(9)固定安装在所述的支撑架(11)上，并使得所述的反应器(8)的上端面与所述菲涅尔型聚光镜(1)保持平行；
所述的光催化反应系统整体呈气密闭。
2.如权利要求1所述的光催化反应系统，其特征在于：所述的催化剂固定装置由盛装催化剂(17)的托盘(16)及固定所述托盘(16)的催化剂固定支架(15)构成。
3.如权利要求1所述的光催化反应系统，其特征在于：所述反应器(8)工作时，反应器本体(13)内放有搅拌子(22)，所述反应器(8)放在磁力搅拌器(23)上。
4.如权利要求1所述的光催化反应系统，其特征在于：所述仰角升降支架(7)的两端与所述固定支架(11)通过轴承连接。
5.如权利要求1所述的光催化反应系统，其特征在于：所述的反应器(8)为不锈钢间歇反应釜。
6.一种如权利要求1所述的光催化反应系统应用于人工固氮。
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SISI HAN: "Improving photoreduction of CO2 with water to CH4 in a novel concentrated solar reactor", 《JOURNAL OF ENERGY CHEMISTRY》 *

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