CN116078318A - 一种基于磁搅拌批量均化的光催化装置及光催化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于磁搅拌批量均化的光催化装置及光催化方法，包括反应容器支架、发光模块、驱动盘和冷却装置，冷却装置包括方形容器、设置于方形容器内的透明夹套和用于提供冷却介质循环的冷却介质循环装置；反应容器支架为设置于方形容器内具有环形阵列夹持孔的支撑板，每个夹持孔安装一个反应容器，每个反应容器内放置一个磁转子，驱动盘设置于方形容器外底部，其上设有与夹持孔对应环形阵列的驱动磁铁；先启动冷却介质循环装置和发光模块，然后在反应容器内加入样品物料，之后启动驱动盘带动驱动磁铁旋转，从而驱动每个磁转子独立旋转实现批量搅拌，进行光催化反应。本发明实现了反应物料独立均匀化的批量型光催化反应，大大提高了光催化效率与工作效率。

Description

一种基于磁搅拌批量均化的光催化装置及光催化方法

技术领域

本发明属于光催化利用技术领域，具体涉及一种基于磁搅拌批量均化的光催化装置及光催化方法。是一种利用光催化反应使多个反应物料均匀，快速且高效在基材表面光催化反应技术。

背景技术

光催化技术是近年来快速发展起来的一项利用太阳能驱动使得成功实现能源转换和环境净化的绿色且不会产生二次污染的技术，可解决当下社会亟待解决的能源危机与环境污染等重大问题。

众所周知，光催化技术离不开光催化剂材料本身的制备以及光催化装置的搭建。光催化材料方面，其本身的吸收效率、光生载流子的分离传输效率和界面反应效率等是影响光催化效率的重要属性。为了提高光催化剂的光催化效率，科研工作者设计了众多材料改性手段如表面修饰、元素掺杂、构造异质结、半导体复合形貌调控等。上述的这些手段必须搭建相对应的光催化装置来实现光能的高效利用，甚至材料的部分改性手段如表面修饰也必须依靠光催化装置来实现光沉积表面修饰等技术。此外，为了提高光源的利用效率，该装置最好能在同一条件下实现多样本批量试验。

朱蔚等在2019年申报了一种旋转型光催化反应仪(CN201921441174.6)，声称该装置可达到污染物光催化降解的目的。通常来说，如果围绕光源的反应容器内装的是溶液的话，当然可以均匀的接受光照(因为透明的溶液不会反射或者折射光线)，设备无论匀速旋转与否，反应容器内的溶液均可以均匀接受光照，这就意味着设备的匀速旋转根本没有意义。事实上，要实现水中的污染物光催化降解，通常需要在待处理的水中添加光催化剂。由于广泛使用的光催化剂是固体TiO₂小颗粒(如商用P25)，这就意味着固体TiO₂小颗粒需分散在待处理的水中，其形成的将会是悬浊液而不是溶液。如该设备所述，各个单独反应容器近光源的这一侧可以接收到光照，远离光源的这一侧因固体TiO₂小颗粒对光线的反射或折射而使照射的光线大大减少(无论放置反应容器的圆盘整体旋转与否，因反应容器本身不能自转，靠近光源的反应容器内侧与远离光源的反应容器外侧永远无法实现换位)，这样围绕光源作匀速旋转的反应容器内的悬浊液根本不能均匀接受光照而导致光催化效率大大降低。此外，固体TiO₂小颗粒会慢慢沉降到反应容器底部(无论该设备匀速旋转与否)，从而造成光催化剂与待处理的水分离，甚至根本无法实现水中的污染物光催化降解。

发明内容

本发明的目的在于针对现阶段旋转型光催化反应仪不能实现污染物均匀光催化以及降解效率低的缺点，提出了一种基于磁搅拌批量均化的光催化装置及光催化方法，能无接触式对批量反应容器反应进行搅拌，并且获取高度均一的光照环境。该装置通过可旋转的驱动磁铁带动多个固定的反应容器(如小试管)内磁转子各自独立旋转，实现独立批量搅拌均浆效果；反应容器(小试管)中待处理污水(悬浊液体系)均匀化的同时均匀的接受光照，从而在无接触的情况下实现多反应物料独立均匀化光催化降解。

为了解决现阶段旋转型光催化反应仪的技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种基于磁搅拌批量均化的光催化装置，包括

反应容器支架，其上设有若干用于放置反应容器且成环形分布的夹持孔，每个反应容器内放置一个用于搅拌的磁转子；

发光模块，为设置于若干夹持孔环形中心处的柱形光源，能够向四周的每个反应容器提供均匀的光催化反应所需光照；

驱动盘，设置于反应容器支架下方，与柱形光源同轴设置，所述驱动盘上设有至少两个成环形分布驱动磁铁；

冷却装置，通过冷却介质为柱形光源和反应容器进行冷却控温；

所述驱动盘通过动力装置驱动绕自身轴线旋转，旋转过程中，其上多个驱动磁铁依次扫过每个反应容器底部，为反应容器内的磁转子提供旋转动力磁场。

进一步地，所述夹持孔在环形上均匀分布，所述驱动磁铁也是环形均匀分布，并且驱动磁铁的数量和位置能与夹持孔一一对应。

进一步地，所述磁转子的南北极水平分布，所述驱动磁铁为南北极上下方向分布的柱形磁铁，并且相邻两个柱形磁铁的磁极相反，当两个相邻驱动磁铁从磁转子底部扫过时，驱动磁转子旋转。

进一步地，所述冷却装置包括将反应容器支架及其上反应容器包裹在内的冷却容器、将柱形光源包裹在内的透明夹套和用于提供冷却介质循环的冷却介质循环装置，所述冷却介质循环装置的出口通过管道连接至透明夹套的介质入口，透明夹套的介质出口连通冷却容器内，冷却容器的介质出口连接冷却介质循环装置的回流口；本发明中，所述透明夹套既能起到对光源冷却作用，又能起到对光源保护作用。

进一步地，所述冷却介质为水，所述冷却介质循环装置包括水箱、散热装置和水泵，所述水泵的入口与水箱出口相连，水泵的出口为冷却介质循环装置的出口，所述介质循环装置的回流口为散热装置的入口，散热装置的出口连接至水箱的入口。

进一步地，所述透明夹套为与柱形光源同轴设置的圆柱形夹套。

所述圆柱形夹套的夹层中空间用于冷却水流动冷却，圆柱形夹套顶部相对两侧分别设有一个与夹层空间连通的连接口，分别为介质入口和介质出口。

进一步地，所述柱形光源包括为光催化反应所需的汞灯、氙灯或LED灯。

进一步地，所述反应容器支架为设置于冷却容器内支撑板，所述支撑板上设置有环形阵列夹持孔，夹持孔的数量为2-40个。

进一步地，所述冷却容器为方形容器，方形容器采用透明材料制成时，其四周设有防止光照外漏及环境光干扰的遮光装置。

进一步地，所述反应容器可以为试管、烧杯等透明圆柱形容器。

本发明还保护一种基于磁搅拌批量均化的光催化反应方法，采用上述任意一项所述的光催化装置，包括以下步骤：

搭建所述光催化装置，选择光催化反应所需发光模块的光源类型；

冷却装置，对柱形光源和反应容器进行冷却控温；

启动发光模块，对光源预热，使其达到工作状态；

在反应容器装入反应原料，并将反应容器安装在夹持孔上，并在每个反应容器内放置一个磁转子；

启动动力装置，动力装置带动驱动盘绕自身轴线旋转，其上的驱动磁体依次扫描每个反应容器底部，从而驱动反应容器内磁转子转动，实现搅拌功能，发光模块为其四周反应容器提供稳定均一的光照；

反应结束后，停止发光模块、动力装置和冷却装置，取出反应容器内反应产物，完成光催化反应方法。

本发明有益效果是：

针对已有的旋转型光催化反应仪不能实现污染物均匀光催化以及降解效率低甚至根本无法实现光降解的缺点，发明了一种基于磁搅拌批量均化的光催化装置。该装置通过旋转的驱动磁铁无接触情况下带动反应容器中的磁转子旋转，使反应容器中待处理的反应物料，比如悬浊液污水(固体TiO₂小颗粒光催化剂分散在污水中)体系搅动，从而光催化剂均匀分散在水中(不沉降)的同时还能均匀的接受光照进行光催化降解。此外，每个反应容器中待处理的反应物料可各不相同，以便研究在相同光照效果下，不同反应物料独立均匀化光催化降解效果，为提高光催化效率提供研究数据。

附图说明

图1本发明实施例中光催化装置主视图；

图2本发明实施例中光催化装置俯视图；

图3本发明实施例中光催化装置剖视图；

图4本发明实施例中光催化装置三维示意图；

图5本发明实施例中光催化装置中旋转中的驱动磁铁驱动磁转子6旋转原理示意图。

1-反应容器支架，101-支撑板，102-夹持孔，2-发光模块，201-柱形光源，3-驱动盘，301-驱动磁铁，302-法兰座，4-冷却装置，41-方形容器，411-下沉式凹槽，42-透明夹套，421-介质入口，422-介质出口，43-冷却介质循环装置，431-水箱，432-散热装置，433-水泵，434-供水管，435-回流管，5-试管，6-磁转子，7-电机。

具体实施方式

下面参照附图和实施例对本发明作进一步说明。

下面以试管5作为反应容器为例，对本发明进行举例说明。

实施例1：如图1至图4所示，本实施例提供一种基于磁搅拌批量均化的光催化装置，包括反应容器支架1、发光模块2、驱动盘3和冷却装置4，

如图1至图3所示，所述冷却装置4包括方形容器41、设置于方形容器41内的透明夹套42和用于提供冷却介质循环的冷却介质循环装置43，所述冷却介质循环装置43的出口通过供水管434连接至透明夹套42的介质入口421，透明夹套42的介质出口422连通方形容器41内，方形容器41的介质出口422通过回流管435连接冷却介质循环装置43的回流口；所述透明夹套42固定支撑在方形容器41内；

如图2至图4所示，所述反应容器支架1为固定在方形容器41内的两个支撑板101，所述支撑板101上设置有环形阵列分布的夹持孔102，每个夹持孔102内均可以夹持固定一个试管5；支撑板101中间开设有用于安装透明夹套42的圆孔，圆孔轴心即为夹持孔102的环形阵列中心；

所述透明夹套42为圆柱形夹套，固定在支撑板101的圆孔内或者底部支撑固定在方形容器41内；

所述发光模块2为柱形光源201，同轴安装在柱形夹套内，柱形光源201的长度大于试管5，以满足对试管5的全覆盖光照需求，向四周的每个试管5提供均匀的光催化反应所需光照；

所述冷却介质循环装置43用于提供循环冷却介质为柱形光源201和试管5进行冷却控温；

所述驱动盘3设置于方形容器41外部的反应容器支架1下方，与柱形光源201同轴设置，所述驱动盘3上设有至少两个成环形分布的驱动磁铁301；

所述驱动盘3通过动力装置(比如电机7)驱动绕自身轴线旋转，旋转过程中，其上多个驱动磁铁301依次扫过每个试管5底部，为试管5内的磁转子6提供旋转动力磁场；使得本发明只需要一个电机7，即可批量驱动每个试管5内磁转子6转动。实现无接触的批量搅拌功能，达到简化了批量试管5中搅拌装置结构，在充分搅拌的基础上，通过环形阵列的方式使得试管5接收的光照高度均一。

如图4和图5所示，所述磁转子6为南北极水平分布的柱状转子，所述驱动磁铁301为南北极上下方向分布的柱形磁铁，并且相邻两个柱形磁铁的磁极相反，当两个相邻驱动磁铁301从磁转子6底部扫过时，驱动磁转子6旋转。当然需要说明的是，柱形磁铁和试管5底部之间距离不能过远，需要保证试管5内底部的磁转子6在柱形磁铁的磁感线覆盖反应内；两个相邻驱动磁铁301之间距离也不能过远或者过近，一般来说满足两个相邻驱动磁铁301的最外部有效磁感线大致相切即可，两个相邻驱动磁铁301的最外部有效磁感线之间最大距离一般不大于磁转子6的长度，以便两个相邻驱动磁铁301从磁转子6底部扫过时，能有效驱动磁转子6旋转。

具体的，本发明所有实施例中旋转的驱动磁铁301无接触带动磁转子6旋转机理如图5所示，图中箭头表示驱动盘3的旋转方向，图5中A示出了某一个试管5内磁转子6处于某一个驱动磁铁301正上方的姿态，该试管5中磁转子6的姿态为左N，右S；该驱动磁铁301上方为N，下方为S；随着驱动盘3旋转，磁转子6跟着旋转，当该驱动磁铁301扫过该试管5，也就是该试管5处于该驱动磁铁301和下一个驱动磁铁301的中间位置时，如图5中B所示，试管5内的磁转子6达到几乎与两个相邻驱动磁铁301连线垂直状态，也就说该试管5内的磁转子6旋转了大约90度；当下一个驱动磁铁301旋转至该试管5正下方时，如图5中C所示，下一个驱动磁铁301与上一个的磁极刚好相反，因此，磁转子6与初始状态也刚好相反，此时磁转子6刚好旋转180度，随着环形分布的驱动磁铁301在该试管5底部持续旋转，该试管5内的磁转子6持续转动，完成搅拌功能，对于其他试管5原理也一样，从而实现了通过一个旋转动力驱动多个磁转子6各自独立的转动，大大简化搅拌装置的机械结构。由以上驱动原理可以看出，驱动盘3旋转速度决定了驱动磁铁301的旋转速度，驱动磁铁301的旋转速度决定了磁转子6搅拌速度，因此通过改变驱动盘3旋转速度，可以调整搅拌强度，同时也可以得出本发明能够创造搅拌速度绝对相同的批量搅拌装置，从而为比较型实验提供了高精度设备基础；同时也可以看出，驱动盘3上的驱动磁铁301数量为偶数，才能满足任意两个相邻驱动磁铁301的磁极相反，以达到最佳搅拌效果。

需要说明的是，本发明实施例中，所述冷却装置4不限于上述结构，可以是任意冷却装置4，只要能够满足对发光模块2和试管5冷却即可。

需要说明的是，本发明实施例中，所述方形容器41不限于方形，可以是任意形状的容器，只需要满足能够盛装冷却介质，保证试管5反应部分浸入冷却介质中即可；所述容器的材质不限，可以采用非透明材质，也可以采用透明材质，便于观察试管5内反应状况；当容器采用非透明材质时，可以在某个面开一个透明窗，以便对试管5进行观察；当采用透明材质时，需要在容器外侧设置将其包裹在内的遮光板或者遮光布，防止环境光的干扰以及发光模块2所发出的光照外溢对操作者造成的损害。

需要说明的是，本发明实施例中，反应容器支架1具体形状不限，可以是板式、环形等等，只需要满足其上设置有环形阵列分布的夹持孔102即可；比如本发明采用上下方向设置的两个支撑板101作为反应容器支架1，支撑板101通过卡接或者连接件固定的方式安装在方形容器41内，两个支撑板101对应位置开设环形阵列的夹持孔102，通过上下两个支撑板101的夹持孔102提高对试管5固定牢固程度。

需要说明的是，本发明实施例中，夹持孔102的数量不限，根据试管5尺寸以及需要批量试管5的数量选择，一般来说，在一个环形阵列中，可以设置2-40个夹持孔102，具体的，可以进一步优化为6-20个。

需要说明的是，本发明实施例中，驱动磁铁301的数量至少两个，驱动磁铁301的数量越多搅拌效果越好，当驱动磁铁301的数量与夹持孔102(试管5)的数量相同时，搅拌效果达到最佳状态。

需要说明的是，本发明实施例中，为了保证效果，所述驱动磁铁301组成的环形阵列和夹持孔102的环形阵列是同轴，并且半径相同，也就是说，旋转过程中，驱动磁铁301会从试管5正下方扫过。

需要说明的是，本发明实施例中，本发明驱动盘3具体形状不限，尺寸大小根据驱动磁铁301的数量选择，可以为实心或者空心盘；所述动力装置可以为电机7，驱动盘3通过法兰座302安装在电机7的输出轴上。

作为一种优选实施例，如图3所示，为了保证试管5接收到均匀光照，将试管阵列设置在柱形光源201的中部，也就是柱形光源201长度大于试管，此时为了保证驱动磁铁301和试管5的底部之间距离，将方形容器41底部中间设置为下沉式凹槽411，以容纳柱形光源底部；对应的将驱动盘3设置为中部具有避让孔的环形，法兰座302设置为凹槽型，以便在与下沉式凹槽411的外形匹配的前提下与电机7的输出轴相连。

需要说明的是，本发明实施例中，所述冷却介质类型不变，可以优选为水，所述冷却介质循环装置43包括水箱431、散热装置432(图中未画出详细结构，仅为表达位置关系示意图)和水泵433，所述水泵433的入口与水箱431出口相连(如果是潜水泵，则直接浸没在水箱431内)，水泵433的出口为冷却介质循环装置43的出口，通过供水管434与透明夹套42的介质入口421相连，所述介质循环装置的回流口为散热装置432的入口，散热装置432的出口连接至水箱431的入口；所述散热装置432可以为散热翘片等散热装置，具体采用现有技术即可。

需要说明的是，本发明实施例中，所述柱形光源201的类型不限，光源类型可以根据光催化反应类型进行选择，具体可以为汞灯、氙灯或LED灯。

需要说明的是，本发明实施例中，为了提高自动化程度，可以设置控制器，用于控制发光模块2、动力装置和冷却装置4，比如控制发光模块2的发光功率、动力装置的转速和冷却装置4的温度设定。

需要说明的是，本发明实施例中，所述反应容器可以为试管5、烧杯等透明圆柱形容器，不限于试管5。

实施例2：本实施例提供一种基于上述光催化装置的光催化方法，包括以下步骤：

首先打开冷却介质循环装置43，待冷却水完成首次循环之后再打开发光模块2的光源开关，使光源预热30-60min达到工作状态。然后按照需求将反应物料和磁转子6加入试管5中，将含有反应物料和磁转子6的试管5缓慢放入反应容器支架1的夹持孔102中。然后开启动力装置带动驱动盘3转动，驱动盘3带动驱动磁铁301转动，从试管5底部依次扫过，从而驱动每个试管5内磁转子6转动，实现多个试管5的批量搅拌功能，通过控制器设定驱动盘3转速，能够调节磁转子6转速，从而调整搅拌强度。直到光催化反应过程完成，待实验结束后依次关掉发光模块2、动力装置和冷却介质循环装置43。上述工艺过程所对应的开关及参数控制均可以通过控制器进行控制，当然也可以设置工控机通过硬件开关或者触摸屏上的软件开关进行控制，具体实现方式对于本发明解决技术问题没有影响。

实施例3：

打开冷却介质循环装置43，发光模块2选择汞灯，预热30min。将反应物料和磁转子6加入试管5中，并将试管5置于反应容器支架1中，打开动力装置的控制开关并调节转速为100r/min，反应30min。

实施例4：

打开冷却介质循环装置43，发光模块2选择汞灯，预热45min。将反应物料和磁转子6加入试管5中，并将试管5置于反应容器支架1中，打开动力装置的控制开关并调节转速为200r/min，反应45min。

实施例5：

打开冷却介质循环装置43，发光模块2选择汞灯，预热60min。将反应物料和磁转子6加入试管5中，并将试管5置于反应容器支架1中，打开动力装置的控制开关并调节转速为300r/min，反应60min。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于磁搅拌批量均化的光催化装置，其特在于，包括

反应容器支架，其上设有若干用于放置反应容器且成环形分布的夹持孔，每个反应容器内放置一个用于搅拌的磁转子；

发光模块，为设置于若干夹持孔环形中心处的柱形光源，能够向四周的每个反应容器提供均匀的光催化反应所需光照；

驱动盘，设置于反应容器支架下方，与柱形光源同轴设置，所述驱动盘上设有至少两个成环形分布驱动磁铁；

冷却装置，通过冷却介质为柱形光源和反应容器进行冷却控温；

所述驱动盘通过动力装置驱动绕自身轴线旋转，旋转过程中，其上多个驱动磁铁依次扫过每个反应容器底部，为反应容器内的磁转子提供旋转动力磁场。

2.根据权利要求1所述的基于磁搅拌批量均化的光催化装置，其特在于：所述夹持孔在环形上均匀分布，所述驱动磁铁也是环形均匀分布，并且驱动磁铁的数量和位置能与夹持孔一一对应。

3.根据权利要求1所述的基于磁搅拌批量均化的光催化装置，其特在于：所述磁转子的南北极水平分布，所述驱动磁铁为南北极上下方向分布的柱形磁铁，并且相邻两个柱形磁铁的磁极相反，当两个相邻驱动磁铁从磁转子底部扫过时，驱动磁转子旋转。

4.根据权利要求1所述的基于磁搅拌批量均化的光催化装置，其特在于：所述冷却装置包括将反应容器支架及其上反应容器包裹在内的冷却容器、将柱形光源包裹在内的透明夹套和用于提供冷却介质循环的冷却介质循环装置，所述冷却介质循环装置的出口通过管道连接至透明夹套的介质入口，透明夹套的介质出口连通冷却容器内，冷却容器的介质出口连接冷却介质循环装置的回流口。

5.根据权利要求4所述的基于磁搅拌批量均化的光催化装置，其特在于：所述冷却介质为水，所述冷却介质循环装置包括水箱、散热装置和水泵，所述水泵的入口与水箱出口相连，水泵的出口为冷却介质循环装置的出口，所述介质循环装置的回流口为散热装置的入口，散热装置的出口连接至水箱的入口。

6.根据权利要求4所述的基于磁搅拌批量均化的光催化装置，其特在于：所述透明夹套为与柱形光源同轴设置的圆柱形夹套。

7.根据权利要求1所述的基于磁搅拌批量均化的光催化装置，其特在于：所述柱形光源包括为光催化反应所需的汞灯、氙灯或LED灯。

8.根据权利要求4所述的基于磁搅拌批量均化的光催化装置，其特在于：所述反应容器支架为设置于冷却容器内支撑板，所述支撑板上设置有环形阵列夹持孔，夹持孔的数量为2-40个。

9.根据权利要求4所述的基于磁搅拌批量均化的光催化装置，其特在于：所述冷却容器为方形容器，方形容器采用透明材料制成时，其四周设有防止光照外漏及环境光干扰的遮光装置。

10.一种基于磁搅拌批量均化的光催化反应方法，采用权利要求1-9任意一项所述的光催化装置，其特在于，包括以下步骤：

搭建所述光催化装置，选择光催化反应所需发光模块的光源类型；

冷却装置，对柱形光源和反应容器进行冷却控温；

启动发光模块，对光源预热，使其达到工作状态；

在反应容器装入反应原料，并将反应容器安装在夹持孔上，并在每个反应容器内放置一个磁转子；

启动动力装置，动力装置带动驱动盘绕自身轴线旋转，其上的驱动磁体依次扫描每个反应容器底部，从而驱动反应容器内磁转子转动，实现搅拌功能，发光模块为其四周反应容器提供稳定均一的光照；

反应结束后，停止发光模块、动力装置和冷却装置，取出反应容器内反应产物，完成光催化反应。

Images