CN116196842A - 一种自动进样的流动相光催化反应装置 - Google Patents
一种自动进样的流动相光催化反应装置 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116196842A CN116196842A CN202310153113.4A CN202310153113A CN116196842A CN 116196842 A CN116196842 A CN 116196842A CN 202310153113 A CN202310153113 A CN 202310153113A CN 116196842 A CN116196842 A CN 116196842A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- reaction
- gas
- photocatalytic
- reactant
- mobile phase
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 230000001699 photocatalysis Effects 0.000 title claims abstract description 95
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 title claims abstract description 81
- 238000007146 photocatalysis Methods 0.000 title claims abstract description 11
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims abstract description 110
- 239000012495 reaction gas Substances 0.000 claims abstract description 65
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 claims abstract description 44
- 239000000376 reactant Substances 0.000 claims abstract description 43
- 239000007795 chemical reaction product Substances 0.000 claims abstract description 36
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 claims abstract description 10
- 230000001678 irradiating effect Effects 0.000 claims abstract description 3
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 66
- 238000013032 photocatalytic reaction Methods 0.000 claims description 42
- 238000004891 communication Methods 0.000 claims description 14
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 13
- 238000005070 sampling Methods 0.000 claims description 10
- 239000011941 photocatalyst Substances 0.000 claims description 7
- 229910052723 transition metal Inorganic materials 0.000 claims description 6
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims description 5
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 5
- 239000007800 oxidant agent Substances 0.000 claims description 5
- 238000007789 sealing Methods 0.000 claims description 5
- 229910052724 xenon Inorganic materials 0.000 claims description 5
- FHNFHKCVQCLJFQ-UHFFFAOYSA-N xenon atom Chemical compound [Xe] FHNFHKCVQCLJFQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 claims description 4
- -1 transition metal sulfide Chemical class 0.000 claims description 4
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 claims description 3
- 229910000314 transition metal oxide Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 150000003624 transition metals Chemical class 0.000 claims description 3
- 238000002347 injection Methods 0.000 abstract description 27
- 239000007924 injection Substances 0.000 abstract description 27
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 15
- 230000008569 process Effects 0.000 abstract description 11
- 238000006555 catalytic reaction Methods 0.000 abstract description 10
- 238000005502 peroxidation Methods 0.000 abstract description 8
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 5
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 abstract description 3
- 239000007787 solid Substances 0.000 abstract description 3
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 13
- MHAJPDPJQMAIIY-UHFFFAOYSA-N Hydrogen peroxide Chemical compound OO MHAJPDPJQMAIIY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 239000000463 material Substances 0.000 description 6
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 6
- 239000000047 product Substances 0.000 description 6
- OTMSDBZUPAUEDD-UHFFFAOYSA-N Ethane Chemical compound CC OTMSDBZUPAUEDD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 5
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 5
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 4
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 4
- 229940090047 auto-injector Drugs 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 230000003028 elevating effect Effects 0.000 description 3
- 230000002401 inhibitory effect Effects 0.000 description 3
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 3
- 230000035484 reaction time Effects 0.000 description 3
- 230000006978 adaptation Effects 0.000 description 2
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 2
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 2
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 2
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 2
- NMJORVOYSJLJGU-UHFFFAOYSA-N methane clathrate Chemical compound C.C.C.C.O.O.O.O.O.O.O.O.O.O.O.O.O.O.O.O.O.O.O.O.O.O.O NMJORVOYSJLJGU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000001556 precipitation Methods 0.000 description 2
- 238000006722 reduction reaction Methods 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 2
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 2
- 239000004408 titanium dioxide Substances 0.000 description 2
- UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N Carbon monoxide Chemical compound [O+]#[C-] UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910002367 SrTiO Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910010413 TiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 229910002091 carbon monoxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000013064 chemical raw material Substances 0.000 description 1
- 238000006757 chemical reactions by type Methods 0.000 description 1
- 238000004590 computer program Methods 0.000 description 1
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- 238000010494 dissociation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000005593 dissociations Effects 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 description 1
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 description 1
- QSHDDOUJBYECFT-UHFFFAOYSA-N mercury Chemical compound [Hg] QSHDDOUJBYECFT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052753 mercury Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 239000003345 natural gas Substances 0.000 description 1
- 239000003208 petroleum Substances 0.000 description 1
- 238000007539 photo-oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 229920001343 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 description 1
- 239000004810 polytetrafluoroethylene Substances 0.000 description 1
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 230000000750 progressive effect Effects 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J4/00—Feed or outlet devices; Feed or outlet control devices
- B01J4/001—Feed or outlet devices as such, e.g. feeding tubes
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
- B01J19/08—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor
- B01J19/12—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor employing electromagnetic waves
- B01J19/122—Incoherent waves
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C07—ORGANIC CHEMISTRY
- C07C—ACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
- C07C2/00—Preparation of hydrocarbons from hydrocarbons containing a smaller number of carbon atoms
- C07C2/76—Preparation of hydrocarbons from hydrocarbons containing a smaller number of carbon atoms by condensation of hydrocarbons with partial elimination of hydrogen
- C07C2/82—Preparation of hydrocarbons from hydrocarbons containing a smaller number of carbon atoms by condensation of hydrocarbons with partial elimination of hydrogen oxidative coupling
- C07C2/84—Preparation of hydrocarbons from hydrocarbons containing a smaller number of carbon atoms by condensation of hydrocarbons with partial elimination of hydrogen oxidative coupling catalytic
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Toxicology (AREA)
- Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)
- Catalysts (AREA)
Abstract
本发明公开了一种自动进样的流动相光催化反应装置，包括催化系统和气体导流系统，催化系统包括：光催化反应器，具有反应气体入口、反应产物出口和反应剂入口；催化剂槽，设置于反应腔体内；光源装置，用于向反应腔体内照射光线；自动进样器，用于向反应腔体内输送反应剂；气体导流系统用于通过反应气体入口向反应腔体内输送反应气体。本发明向光催化反应器连续地供给反应剂和反应气体，反应剂经光照蒸发附着在催化剂表面，与持续流动的反应气体形成气‑液‑固三相界面，从而发生催化作用。整个催化反应过程流畅，显著提高了催化反应的效率，通过配备自动进样器控制了光催化反应器中的反应剂的含量，抑制了过氧化的发生，易生成高价值的化学品。
Description
技术领域
本发明涉及光催化甲烷转化技术领域，尤其涉及一种自动进样的流动相光催化反应装置。
背景技术
催化甲烷转化为具有高价值的燃料是催化领域的重要研究方向。甲烷是天然气、页岩气和天然气水合物的主要成分，它不仅是一种丰富，低成本和清洁的燃料，而且是一种很有前途的化工原料。直接和选择性地将甲烷转化为附加值较高的碳氢化合物或液态含氧化合物是化学工业减少对石油依赖的理想目标之一。然而，由于CH4中C-H键的高解离能(439kJ mol-1)，使得甲烷转化非常困难。在工业上，通常需要极高的温度(>600℃)，才能使得甲烷转化。
光催化可利用可再生的太阳能在环境条件下将甲烷转化为高价值化学品，是一种理想的、绿色的催化转化方法。到目前为止，诸如TiO2、ZnO、BiVO4等高效的光催化剂已经被开发出并用于光催化甲烷转化反应。
目前采用的间歇式反应器是能够实现光催化甲烷转化，但由于光催化反应器体积固定，只能容纳一定体积的甲烷，传质受阻，导致效率底下，并且极易过氧化，生成价值较低的一氧化碳和二氧化碳。
因此，如何提高光催化氧化反应效率，降低过氧化，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种自动进样的流动相光催化反应装置，以提高光催化氧化反应效率，降低过氧化。
为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一种自动进样的流动相光催化反应装置，包括催化系统和气体导流系统，所述催化系统包括：
光催化反应器，所述光催化反应器具有反应腔体以及与所述反应腔体连通的反应气体入口、反应产物出口和反应剂入口；
催化剂槽，设置于所述光催化反应器的反应腔体内，用于盛放催化剂；
光源装置，用于向所述光催化反应器的反应腔体内照射光线；
自动进样器，所述自动进样器的输出口与所述反应剂入口密封连通，用于向所述光催化反应器的反应腔体内输送反应剂；
所述气体导流系统用于通过所述反应气体入口向光催化反应器的反应腔体内输送反应气体。
可选地，在上述自动进样的流动相光催化反应装置中，所述气体导流系统包括：
供气瓶，用于储存反应气体；
气体流量计，所述供气瓶的出气口与所述气体流量计的入口连通，所述气体流量计的出口与所述反应气体入口连通。
可选地，在上述自动进样的流动相光催化反应装置中，所述气体流量计为在线气体流量计或离线气体流量计；
所述气体流量计包括质量控制器和流速显示仪，所述质量控制器用于控制反应气体的流速，所述流速显示仪用于显示反应气体的流速。
可选地，在上述自动进样的流动相光催化反应装置中，所述光催化反应器还包括：
与所述反应气体入口密封连通的反应气体入口管路，所述反应气体入口管路的第一端伸入所述光催化反应器的反应腔体内，且所述反应气体入口管路的第一端的端口高度低于所述催化剂槽的高度，所述反应气体入口管路的第二端与所述气体流量计的出口通过气体导管连通；
与所述反应产物出口密封连通的反应产物出口管路，所述反应产物出口管路与所述反应腔体连通的一端的端口高度高于所述催化剂槽的高度。
可选地，在上述自动进样的流动相光催化反应装置中，所述反应气体入口管路上串联设置有入口开关阀；
所述反应产物出口管路上串联设置有出口开关阀。
可选地，在上述自动进样的流动相光催化反应装置中，还包括用于检测反应产物的气相色谱仪，所述气相色谱仪的检测入口与所述反应产物出口管路连通。
可选地，在上述自动进样的流动相光催化反应装置中，所述光源装置设置于所述光催化反应器的上方，且为全光谱光源装置；
所述光催化反应器包括顶部开口的反应槽体以及可拆卸的设置于所述反应槽体的顶部开口处的石英玻璃盖板。
可选地，在上述自动进样的流动相光催化反应装置中，所述催化剂槽通过支架设置于所述反应腔体内，所述光催化反应器设置于升降台上。
可选地，在上述自动进样的流动相光催化反应装置中，所述自动进样器为液体针管，所述反应剂入口密封堵塞有橡胶塞，所述自动进样器的针头插入所述橡胶塞。
可选地，在上述自动进样的流动相光催化反应装置中，所述光催化反应器为常压光催化器，体积为100mL-500mL；和/或，
所述光源装置为氙灯；和/或，
所述催化剂槽为直径1cm-10cm的圆形石英皿；和/或，
所述反应气体为甲烷，所述反应剂为氧化剂，所述催化剂为过渡金属氧化物、过渡金属硫化物或过渡金属含氧酸盐。
本发明提供的自动进样的流动相光催化反应装置，在实际运行中，反应气体由气体导流系统送入光催化反应器的反应腔体内。实际操作过程中，首先在黑暗条件下让反应气体流动一定时间，以排除流动相光催化反应装置中的空气。同时，设置好自动进样器的进样速度。然后同时开启光源装置和自动进样器，由自动进样器送入光催化反应器中的反应剂经过光照蒸发附着在催化剂槽中的催化剂表面，与流经的反应气体形成气-液-固三相界面，从而在催化剂上作用得到反应产物。
本发明提供的自动进样的流动相光催化反应装置在整个运行过程中，与现有间歇式反应器相比，自动进样器和气体导流系统分别向光催化反应器连续地供给反应所需的反应剂和反应气体，且光源装置始终保持开启。整个催化反应及运行过程流畅连贯，大幅提高了催化反应的效率，克服了现有技术中间歇式反应器对相应的催化反应效率的不利影响。对于甲烷氧化反应来说，本发明通过配备自动进样器控制了光催化反应器中的反应剂的含量，从而抑制了过氧化的发生，易生成高价值的化学品。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例一提供的自动进样的流动相光催化反应装置的结构示意图；
图2为本发明实施例二提供的自动进样的流动相光催化反应装置的结构示意图；
图3为本发明实施例三提供的自动进样的流动相光催化反应装置的结构示意图。
图中的各项附图标记的含义如下：
101为供气瓶，102为气体流量计；
201为光源装置，202为光催化反应器，2021为反应气体入口管路，2022为反应产物出口管路，2023为反应剂入口，2024为入口开关阀，2025为出口开关阀，2026为石英玻璃盖板，203为催化剂槽，204为支架，205为升降台，206为自动进样器；
301为气相色谱仪。
具体实施方式
本发明的核心在于提供一种自动进样的流动相光催化反应装置，以提高光催化氧化反应效率，降低过氧化。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明实施例公开了一种自动进样的流动相光催化反应装置，包括催化系统和气体导流系统。其中，催化系统包括光催化反应器202、催化剂槽203、光源装置201和自动进样器206。
其中，光催化反应器202具有反应腔体以及与反应腔体连通的反应气体入口、反应产物出口和反应剂入口2023。催化剂槽203设置于光催化反应器202的反应腔体内，用于盛放催化剂，为了保证反应效率，将催化剂槽203尽量放置在光催化反应器202的中间位置。
光源装置201用于向光催化反应器202的反应腔体内照射光线，光源装置201可采用氙灯，实际应用中，工作人员可以根据实际情况，选择光源装置201的功率和种类，例如除采用氙灯外，还可以采用LED灯、汞灯等。另外，发射光的范围也可根据实际工况进行调整，一般的范围为200nm-2000nm，可添加滤光片调节所需的范围。
自动进样器206的输出口与反应剂入口2023密封连通，用于向光催化反应器202的反应腔体内输送反应剂。气体导流系统用于通过反应气体入口向光催化反应器202的反应腔体内输送反应气体。反应气体和相应的反应剂在光催化反应器202内发生相应的反应，并得到反应产物，由反应产物出口排出。
最需要说明的是，自动进样器206的作用是多种多样的，工作人员可以根据实际情况灵活使用。例如，进行甲烷光氧化时，自动进样器206中的反应器可以为氧化剂过氧化氢，使用自动进样器206控制过氧化氢的进样速度，可以有效抑制过氧化氢在光照下的快速分解，从而抑制甲烷的过氧化。
此外需要说明的是，具体到实际应用中，本实施例中公开的自动进样的流动相光催化反应装置，可以广泛应用于各类光催化反应，例如二氧化碳还原，甲烷氧化，水裂解，过氧化氢生产以及有机分子转化。本领域技术人员可以根据相应的光催化反应，选择相应的反应气体、反应剂和催化剂。
进行甲烷氧化时，反应气体为甲烷，反应剂为氧化剂，催化剂为过渡金属氧化物(如TiO2,ZnO)、过渡金属硫化物(如ZnS)或过渡金属含氧酸盐(如SrTiO3,BiVO4)。
反应剂的进样速度和反应气体的流速通过控制变量实验都会得到一个最优值，也即光催化反应的最优条件。在最优条件下进行光催化实验，反应气体转化速率和产物选择性最高。
对于光催化甲烷氧化反应，即使在传统的间歇式反应器下，甲烷转化率也非常低(尤其是甲烷氧化耦合生成高价值C2产物时)，也就是能够参与反应的气体比例很小，大多数的反应气体都不能够反应。本发明在最优反应条件下，依然是大量的气体没有参与反应，但实验证明，在本发明和最优反应条件下，产物的析出速率，选择性都得到了明显的提高，析出速率比传统的间歇式反应器提高了一个数量级。(目前的研究水平下，在光催化甲烷氧化实验中，产物的析出速率和选择性是评价性能的最直接指标。)
本发明提供的自动进样的流动相光催化反应装置，在实际运行中，反应气体由气体导流系统送入光催化反应器202的反应腔体内。实际操作过程中，首先在黑暗条件下让反应气体流动一定时间，以排除自动进样的流动相光催化反应装置中的空气。同时，设置好自动进样器206的进样速度。然后同时开启光源装置201和自动进样器206，由自动进样器206送入光催化反应器202中的反应剂经过光照蒸发附着在催化剂槽203中的催化剂表面，与流经的反应气体在催化剂上形成气-液-固三相界面，从而在催化剂上作用得到反应产物。
本发明提供的自动进样的流动相光催化反应装置在整个运行过程中，与现有间歇式反应器相比，自动进样器206和气体导流系统分别向光催化反应器202连续地供给反应所需的反应剂和反应气体，且光源装置201始终保持开启。整个催化反应及运行过程流畅连贯，大幅提高了催化反应的效率，克服了现有技术中间歇式反应器对相应的催化反应效率的不利影响。对于甲烷氧化反应来说，本发明通过配备自动进样器206控制了光催化反应器202中的反应剂的含量，从而抑制了过氧化的发生，易生成高价值的化学品。
如图2所示，在本发明一具体实施例中，气体导流系统包括供气瓶101和气体流量计102。其中，供气瓶101用于储存反应气体，根据相应的光催化反应不同，选择相应的反应气体。供气瓶101可为特定体积的，带有减压控制阀的标准气体气瓶。
供气瓶101的出气口与气体流量计102的入口连通，气体流量计102的出口与反应气体入口连通。由供气瓶101放出的反应气体经减压控制阀减压后，进入气体流量计102，并通过气体流量计102控制反应气体的流动速率，使得反应气体按照设定的反应速率进入光催化反应器202的反应腔体内。
反应气体的流动速率一般控制在10sccm-100sccm之间，实际运行过程中，工作人员可以根据反应的类型进行调整。例如使用此装置进行二氧化碳还原反应时，反应气体(二氧化碳)的流速应调节的相对甲烷氧化反应时，反应气体(甲烷)的流速较低。
具体的，气体流量计102可以为在线气体流量计，也可为离线气体流量计，本领域技术人员可以根据实际需求，选择气体流量计102的类型。在本实施例中，气体流量计102包括质量控制器和流速显示仪，质量控制器用于控制反应气体的流速，流速显示仪用于显示反应气体的流速。本领域技术人员可以根据需求，可通过电脑程序或质量控制器随时改变反应气体的流速。流速显示仪能够显示实时的气体流速，便于观察和控制。
在本发明一具体实施例中，光催化反应器202还包括反应气体入口管路2021和反应产物出口管路2022。其中，反应气体入口管路2021与反应气体入口密封连通，也可将反应气体入口管路2021与反应产物出口管路2022的侧壁做成一体式结构。
反应气体入口管路2021的第一端伸入光催化反应器202的反应腔体内，且反应气体入口管路2021的第一端的端口高度低于催化剂槽203的高度，以增加反应气体在光催化反应器202内的反应时间，可将反应气体入口管路2021的第一端的端口尽量靠近催化剂槽203设置。反应气体入口管路2021的第二端与气体流量计102的出口通过气体导管连通。
反应产物出口管路2022与反应产物出口密封连通，也可将反应产物出口管路2022与反应产物出口管路2022的侧壁做成一体式结构。需要说明的是，为了保证反应气体的反应时间，反应气体入口管路2021和反应产物出口管路2022可相对的布置在光催化反应器202上，尽量保持反应气体入口管路2021和反应产物出口管路2022具有较大的距离。
反应产物出口管路2022与反应腔体连通的一端的端口高度高于催化剂槽203的高度，以使得在高度方向上，反应气体入口管路2021和反应产物出口管路2022位于光催化反应器202的反应腔体内部的端口相互错开，以保持反应气体在反应腔体内的反应时间。
为了实现对反应过程的有效控制，在本实施例中，反应气体入口管路2021上串联设置有入口开关阀2024。相应的，反应产物出口管路2022上串联设置有出口开关阀2025。入口开关阀2024和出口开关阀2025可均为旋转开关阀，可方便控制反应气体和反应产物的进出。
如图3所示，在本发明一具体实施例中，本发明还可包括用于检测反应产物的气相色谱仪301，气相色谱仪301的检测入口与反应产物出口管路2022连通，具体的可通过气体导管连通。在光催化反应器202中产生的反应产物经气体导管进入气相色谱仪301进行检测，经过换算可以得到反应产物的析出速率和选择性。
在本实施例中，自动进样的流动相光催化反应装置中的气体导管可均为硬管，材料可均为聚四氟乙烯。实际应用中，气体导管的材质工作人员可以根据反应类型灵活调整。只要保证不漏气，反应气体和反应产物均不会与其发生反应，耐高温即可。
与气体导管相连的各组件之间均可通过相应的连接件拆装连接。例如供气瓶101与气体流量计102之间的气体导管，分别与供气瓶101和气体流量计102可拆卸连接；气体流量计102与光催化反应器202之间的气体导管，分别与气体流量计102和光催化反应器202可拆卸连接；光催化反应器202与气相色谱仪301之间的气体导管，分别与光催化反应器202和气相色谱仪301可拆卸连接。
在本发明一具体实施例中，光源装置201设置于光催化反应器202的上方，且为全光谱光源装置，光催化反应器202包括顶部开口的反应槽体以及可拆卸的设置于反应槽体的顶部开口处的石英玻璃盖板2026。光源装置201位于石英玻璃盖板2026的正上方，以保证光线可以方便的照射进光催化反应器202内。
光催化反应器202可选择体积为100mL-500mL的常压光催化器，实际应用过程中，体积可以灵活调整以达到最优的反应效率。而且，光催化反应器202的反应槽体的材质与石英玻璃盖板2026的材质相同，均为石英材质，工作人员也可以依据具体工况需求结合实际应用条件灵活选择和调整透光结构的材质，原则上，只要是能够保证光线穿透效果，满足相应的光催化反应的需求即可。
在本发明一具体实施例中，催化剂槽203可通过支架204设置于反应腔体内，以提高催化剂槽203在反应腔体内的高度。催化剂槽203可以为一个直径1cm-10cm的圆形石英皿，用于铺平催化剂(光催化剂粉末铺平或光催化剂涂片)；支架204可以为一个高度0.2cm-2cm的石英圆环。光催化剂涂片的制备方法为：先将光催化剂先超声分散在水中，然后将分散液倒入催化剂槽中，加热蒸发掉水份。
在需要将催化剂槽203和支架204放入光催化反应器202时，可打开石英玻璃盖板2026，并将催化剂槽203和支架204通过光催化反应器202的顶部开口放入光催化反应器202内，然后将石英玻璃盖板2026盖住光催化反应器202的顶部开口并且夹紧密封。也即光催化反应器202的顶部开口具有向外周延伸的边沿部，石英玻璃盖板2026覆盖在边沿部上，并可通过夹紧边沿部和石英玻璃盖板2026实现对光催化反应器202的顶部开口的密封。
光催化反应器202可设置于升降台205上，通过升降台205，可以调节光催化反应器202的高度，由于光源装置201设置于光催化反应器202的上方，因此通过升降台205可以调节光源装置201与光催化反应器202的距离。
在本发明一具体实施例中，自动进样器206为液体针管，反应剂入口2023密封堵塞有橡胶塞，自动进样器206的针头插入橡胶塞，通过橡胶塞可方便实现自动进样器206与光催化反应器202连接的密封。
为了便于理解本方案，下面以二氧化钛基光催化甲烷氧化为例，对本申请公开的自动进样的流动相光催化反应装置的实际工作过程加以表述和说明。其具体的工作流程如下：
甲烷气体由供气瓶101上的减压阀和气体流量计102控制，通过气体导管将甲烷气体以50sccm的流速通入光催化反应器202；
二氧化钛基光催化剂先用2mL水超声分散，之后倒入在催化剂槽203中，经过加热干燥后放置在支架204上；
自动进样器206中装入1mL氧化剂(组成是900μL水+100μL30％过氧化氢)，设置自动进样器206的推动速度为250μL/h；
在黑暗条件下，甲烷气体保持50sccm的流速流动20min，以排除流动相光催化反应装置中的空气；
同时开启光源装置201和自动进样器206。使用300W的氙灯光源(光源装置201)发出的200nm～800nm全光谱光透过石英材质的光催化反应器202到催化剂表面，经过光照分解的过氧化氢与流经催化剂表面的甲烷气体和催化剂同时作用，生成高价值的乙烷产物；
反应过程中，反应产物经气体导管进入气相色谱仪301进行检测，经换算可以得到乙烷的产生速率和选择性。
实际应用中，本发明实施例中的反应气体的流速和自动进样器206的推动速度始终保持恒定。经过试验，在4h内，乙烷的产生速率高达6816.8μmol g-1h-1，远远高于间歇式反应器下的乙烷产率(803μmol g-1h-1)。同时，在此流动相光催化反应装置下的选择性为97.5％，也明显高于间歇式反应器下的选择性(92％)，且高于目前所公开的大多数流动相反应器。另外，在此流动相光催化反应装置下，可以连续通畅的反应21h，乙烷的产生速率没有明显的下降。
由此，使用本发明实施例公开的自动进样的流动相光催化反应装置进行光催化甲烷氧化，无论是产生速率，还是选择性、稳定性，都有明显的提高，且能够连贯持续的反应，有效提高了光催化甲烷氧化的反应效率，且明显抑制了甲烷的过氧化。
需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
如本申请和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其它的步骤或元素。由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
以下，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，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，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (10)
1.一种自动进样的流动相光催化反应装置，其特征在于，包括催化系统和气体导流系统，所述催化系统包括：
光催化反应器(202)，所述光催化反应器(202)具有反应腔体以及与所述反应腔体连通的反应气体入口、反应产物出口和反应剂入口(2023)；
催化剂槽(203)，设置于所述光催化反应器(202)的反应腔体内，用于盛放催化剂；
光源装置(201)，用于向所述光催化反应器(202)的反应腔体内照射光线；
自动进样器(206)，所述自动进样器(206)的输出口与所述反应剂入口(2023)密封连通，用于向所述光催化反应器(202)的反应腔体内输送反应剂；
所述气体导流系统用于通过所述反应气体入口向光催化反应器(202)的反应腔体内输送反应气体。
2.根据权利要求1所述的自动进样的流动相光催化反应装置，其特征在于，所述气体导流系统包括：
供气瓶(101)，用于储存反应气体；
气体流量计(102)，所述供气瓶(101)的出气口与所述气体流量计(102)的入口连通，所述气体流量计(102)的出口与所述反应气体入口连通。
3.根据权利要求2所述的自动进样的流动相光催化反应装置，其特征在于，所述气体流量计(102)为在线气体流量计或离线气体流量计；
所述气体流量计(102)包括质量控制器和流速显示仪，所述质量控制器用于控制反应气体的流速，所述流速显示仪用于显示反应气体的流速。
4.根据权利要求2所述的自动进样的流动相光催化反应装置，其特征在于，所述光催化反应器(202)还包括：
与所述反应气体入口密封连通的反应气体入口管路(2021)，所述反应气体入口管路(2021)的第一端伸入所述光催化反应器(202)的反应腔体内，且所述反应气体入口管路(2021)的第一端的端口高度低于所述催化剂槽(203)的高度，所述反应气体入口管路(2021)的第二端与所述气体流量计(102)的出口通过气体导管连通；
与所述反应产物出口密封连通的反应产物出口管路(2022)，所述反应产物出口管路(2022)与所述反应腔体连通的一端的端口高度高于所述催化剂槽(203)的高度。
5.根据权利要求4所述的自动进样的流动相光催化反应装置，其特征在于，所述反应气体入口管路(2021)上串联设置有入口开关阀(2024)；
所述反应产物出口管路(2022)上串联设置有出口开关阀(2025)。
6.根据权利要求4所述的自动进样的流动相光催化反应装置，其特征在于，还包括用于检测反应产物的气相色谱仪(301)，所述气相色谱仪(301)的检测入口与所述反应产物出口管路(2022)连通。
7.根据权利要求1所述的自动进样的流动相光催化反应装置，其特征在于，所述光源装置(201)设置于所述光催化反应器(202)的上方，且为全光谱光源装置；
所述光催化反应器(202)包括顶部开口的反应槽体以及可拆卸的设置于所述反应槽体的顶部开口处的石英玻璃盖板(2026)。
8.根据权利要求7所述的自动进样的流动相光催化反应装置，其特征在于，所述催化剂槽(203)通过支架(204)设置于所述反应腔体内，所述光催化反应器(202)设置于升降台(205)上。
9.根据权利要求1-8任一项所述的自动进样的流动相光催化反应装置，其特征在于，所述自动进样器(206)为液体针管，所述反应剂入口(2023)密封堵塞有橡胶塞，所述自动进样器(206)的针头插入所述橡胶塞。
10.根据权利要求1-8任一项所述的自动进样的流动相光催化反应装置，其特征在于，所述光催化反应器(202)为常压光催化器，体积为100mL-500mL；和/或，
所述光源装置(201)为氙灯；和/或，
所述催化剂槽(203)为直径1cm-10cm的圆形石英皿；和/或，
所述反应气体为甲烷，所述反应剂为氧化剂，所述催化剂为过渡金属氧化物、过渡金属硫化物或过渡金属含氧酸盐。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310153113.4A CN116196842B (zh) | 2023-02-17 | 2023-02-17 | 一种自动进样的流动相光催化反应装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310153113.4A CN116196842B (zh) | 2023-02-17 | 2023-02-17 | 一种自动进样的流动相光催化反应装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116196842A true CN116196842A (zh) | 2023-06-02 |
| CN116196842B CN116196842B (zh) | 2024-07-26 |
Family
ID=86509056
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310153113.4A Active CN116196842B (zh) | 2023-02-17 | 2023-02-17 | 一种自动进样的流动相光催化反应装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116196842B (zh) |
Citations (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH11244873A (ja) * | 1998-03-05 | 1999-09-14 | Meidensha Corp | 光触媒反応装置 |
| KR20060100828A (ko) * | 2005-03-18 | 2006-09-21 | 대주전자재료 주식회사 | 휘발성 유기화합물의 처리장치 |
| JP2007105652A (ja) * | 2005-10-14 | 2007-04-26 | Denso Corp | 触媒体およびその製造方法 |
| CN106422765A (zh) * | 2016-12-01 | 2017-02-22 | 青岛农业大学 | 一种光催化去除空气中挥发性有机物的装置及方法 |
| CN109289728A (zh) * | 2018-10-08 | 2019-02-01 | 上海应用技术大学 | 光催化连续反应检测装置及方法 |
| CN110095544A (zh) * | 2019-05-20 | 2019-08-06 | 西安交通大学 | 一种光催化二氧化碳制甲醇的实验系统及方法 |
| CN110585998A (zh) * | 2019-09-27 | 2019-12-20 | 上海应用技术大学 | 一种光热催化二氧化碳反应检测装置与方法 |
| CN112791670A (zh) * | 2020-12-23 | 2021-05-14 | 南京大学 | 界面热催化体系 |
| CN114591130A (zh) * | 2020-12-07 | 2022-06-07 | 中国科学院大连化学物理研究所 | 一种光催化甲烷水相偶联的方法 |
| CN114733458A (zh) * | 2022-05-07 | 2022-07-12 | 南京航空航天大学 | 一种光热复合催化多功能反应系统及其运行方法和应用 |
| CN218166989U (zh) * | 2022-08-03 | 2022-12-30 | 中国科学技术大学 | 一种流动相光催化膜反应器 |
-
2023
- 2023-02-17 CN CN202310153113.4A patent/CN116196842B/zh active Active
Patent Citations (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH11244873A (ja) * | 1998-03-05 | 1999-09-14 | Meidensha Corp | 光触媒反応装置 |
| KR20060100828A (ko) * | 2005-03-18 | 2006-09-21 | 대주전자재료 주식회사 | 휘발성 유기화합물의 처리장치 |
| JP2007105652A (ja) * | 2005-10-14 | 2007-04-26 | Denso Corp | 触媒体およびその製造方法 |
| CN106422765A (zh) * | 2016-12-01 | 2017-02-22 | 青岛农业大学 | 一种光催化去除空气中挥发性有机物的装置及方法 |
| CN109289728A (zh) * | 2018-10-08 | 2019-02-01 | 上海应用技术大学 | 光催化连续反应检测装置及方法 |
| CN110095544A (zh) * | 2019-05-20 | 2019-08-06 | 西安交通大学 | 一种光催化二氧化碳制甲醇的实验系统及方法 |
| CN110585998A (zh) * | 2019-09-27 | 2019-12-20 | 上海应用技术大学 | 一种光热催化二氧化碳反应检测装置与方法 |
| CN114591130A (zh) * | 2020-12-07 | 2022-06-07 | 中国科学院大连化学物理研究所 | 一种光催化甲烷水相偶联的方法 |
| CN112791670A (zh) * | 2020-12-23 | 2021-05-14 | 南京大学 | 界面热催化体系 |
| CN114733458A (zh) * | 2022-05-07 | 2022-07-12 | 南京航空航天大学 | 一种光热复合催化多功能反应系统及其运行方法和应用 |
| CN218166989U (zh) * | 2022-08-03 | 2022-12-30 | 中国科学技术大学 | 一种流动相光催化膜反应器 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN116196842B (zh) | 2024-07-26 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN110116988B (zh) | 一种光解水产氢的制备方法 | |
| Chiarello et al. | TiO2-based materials for photocatalytic hydrogen production | |
| US7744728B2 (en) | Apparatus for and method of producing hydrogen using microwaves | |
| Cortes et al. | Formal quantum efficiencies for the photocatalytic reduction of CO2 in a gas phase batch reactor | |
| CA2676186C (en) | Method and system for producing a hydrogen enriched fuel using microwave assisted methane plasma decomposition on catalyst | |
| CN107552033B (zh) | 一种含氧空位钛酸锶光催化剂的制备方法 | |
| CN1820387A (zh) | 移动式燃料处理装置和密闭箱及其安装方法 | |
| CN110394127B (zh) | 一种等离子体原位耦合紫外光的流化床甲烷干重整反应装置及方法 | |
| CN206965720U (zh) | 一种光催化二氧化碳还原反应器 | |
| CN116196842B (zh) | 一种自动进样的流动相光催化反应装置 | |
| CN103285799A (zh) | 一种提高甲烷光催化降解速率的光催化反应器及其应用 | |
| CN114367255A (zh) | 光催化co2还原反应器 | |
| WO2018136323A1 (en) | Electrochemical apparatus and its use for screening of nanostructure catalysts | |
| CN106905113B (zh) | 一种氢转移制备烯烃的方法 | |
| CN212142562U (zh) | 光催化水分解、二氧化碳还原和固氮的反应装置 | |
| KR20010012538A (ko) | 물의 직접열분해에 의한 수소가스의 생성방법 및 그의 장치 | |
| CN104312648A (zh) | 一种高热值燃气及其制备方法与实施设备 | |
| CN110479279A (zh) | 用于合成γ-戊内酯的催化剂的制备方法及应用 | |
| Homaunmir et al. | Characterization of sol-gel derived CuO@ SiO2 nano catalysts towards gas phase reactions | |
| CN204162674U (zh) | 一种制备高热值燃气的实施设备 | |
| CN111185181B (zh) | 一种乙酸催化氧化非晶态催化剂、制备方法及催化氧化工艺 | |
| CN113277922B (zh) | 利用醇制备烃类化合物的方法 | |
| CN205815660U (zh) | 全氟丙酰氟生成装置 | |
| CN114807983B (zh) | 一种用于实现不饱和烯炔烃选择性催化加氢的电化学系统 | |
| RU2011101392A (ru) | Способ работы реактора с рутениевым катализатором |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |