CN217189491U - 纳米材料多相光催化微通道反应器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种纳米材料多相光催化微通道反应器，包括基体、透明的上盖和透明的石英珠，基体内设有容纳槽，基体的上表面设有与容纳槽连通的广口式上槽口，基体的一侧设有与容纳槽连通的气液固悬浊液进口，基体的另一侧设有与容纳槽连通的气液固悬浊液出口，上盖可拆卸地密封固定于基体的顶部以封闭上槽口并形成透明光窗，石英珠作为填料填满容纳槽，容纳槽内的石英珠紧密堆积形成三维立体多孔微通道以作为气固液三相通道及光催化反应通道。通过石英珠的大小调控微通道的尺寸大小，清洗方便，容易清堵，解决传统刻蚀通道不易清洗、堵塞即报废的问题。

Description

纳米材料多相光催化微通道反应器

技术领域

本实用新型涉及微流控多相催化技术领域，具体涉及一种纳米材料多相光催化微通道反应器。

背景技术

现阶段，微流控用于多相催化反应领域时，都是将固相催化剂固定在反应器中，催化剂前后用过滤器拦挡，防止固相催化剂流动。这种方式要求催化剂的粒径必须大于过滤器的孔径。然而，随着纳米材料催化剂的出现及大量使用，过滤器已经无法实现拦挡作用。现有的微通道都是在基体上刻蚀出的沟道，由于沟道尺寸小，所以对加工工艺要求很高，导致加工成本高，同时清洗成本高、难维护；沟道成型后，无法进行改道或变更尺寸等修改，若要应用在不同的或者新的多相催化反应中，需重新制作反应器(主要是基体内的沟道需要重新刻蚀)，但是蚀刻加工周期长，影响实验进度或生产进度；使用时，纳米催化剂直接进入微通道中会很快堵塞微通道，一旦堵塞，基本无法疏通或修复，导致整套微流控装置无法正常使用，严重时直接报废。

实用新型内容

为此，本实用新型提供一种纳米材料多相光催化微通道反应器，为微流控领域解决纳米材料气液固多相光催化反应的问题提供新的方案，适用于催化剂为固相纳米颗粒、反应原料为液相或气液同时存在的反应体系，以解决微通道加工成本高、清洗成本高、难修改、易堵塞、难清洗、难维护的技术问题。

为了实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种纳米材料多相光催化微通道反应器，包括基体、透明的上盖和透明的石英珠，所述基体内设有容纳槽，所述基体的上表面设有与所述容纳槽连通的广口式上槽口，所述基体的一侧设有与所述容纳槽连通的气液固悬浊液进口，所述基体的另一侧设有与所述容纳槽连通的气液固悬浊液出口，所述上盖可拆卸地密封固定于所述基体的顶部以封闭所述上槽口并形成透明光窗，所述石英珠填满所述容纳槽，所述容纳槽内的所述石英珠紧密堆积形成三维立体多孔微通道以作为气固液三相通道及光催化反应通道，通过调控石英珠的大小以调控微通道的尺寸大小。

进一步地，所述上盖与所述基体可拆卸连接。

进一步地，所述基体内还设有冷却液流道，所述冷却液流道位于所述容纳槽的下侧且与所述容纳槽不连通，在所述基体的一侧设有与所述冷却液流道连通的冷却液进口，所述基体的另一侧设有与所述冷却液流道连通的冷却液出口。

进一步地，还包括透明的下盖，所述基体的下表面设有与所述容纳槽连通的广口式下槽口，所述下盖密封固定于所述基体的底部以封闭所述下槽口并形成透明光窗。

进一步地，所述下盖与所述基体可拆卸连接。

本实用新型具有如下优点：

采用透明石英珠为填料，石英珠在容纳腔内紧密堆积形成三维立体多孔微通道，通过调控石英珠的大小以调控微通道的尺寸大小，相比刻蚀通道，不仅易制造，而且改道或改尺寸等修改也非常简单，只需要全部更换另一种尺寸的石英珠即可；与现有装置中的平面通道相比，石英珠堆积形成的微通道是三维立体的，四通八达，气液固悬浊液流经反应器时不容易堵塞；清洗时，拆掉上盖，把石英珠倒出，可使用多种方式清洗石英珠(如超声波清洗)，易于清洗、维护；如果沉积物无法清洗，可以直接更换石英珠，操作方便，不至整个装置报废(现有装置无法清堵时即报废)；气液固三相悬浊液以流动形式通过反应器时，流经三维立体的多孔微通道，气液固三相悬浊液多次分散和混合，促进传质的同时进行光催化反应；尺寸均一的透明石英珠规律排布(填满后自然形成规律排布)，整体有很好的透光效果，光能透过石英光窗照射到反应器内部，石英珠不影响催化剂对光的吸收；此外，当采用双面光照反应器时，光催化反应效率更高。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式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示例性的，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，还可以根据提供的附图引申获得其它的实施附图。

本说明书所绘示的结构、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，并非用以限定本实用新型可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本实用新型所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本实用新型所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。

图1为实施例1提供的一种纳米材料多相光催化微通道反应器的侧视结构示意图；

图2为实施例1提供的纳米材料多相光催化微通道反应器的俯视结构示意图；

图3为实施例1提供的反应器中石英珠形成的微通道横截面的示意图；

图4为实施例1提供的反应器中石英珠形成的微通道另一横截面的示意图；

图5为实施例2提供的另一种纳米材料多相光催化微通道反应器的侧视结构示意图。

图中：1-基体，2-上盖，3-石英珠，4-气液固悬浊液进口，5-气液固悬浊液出口，6-冷却液流道，7-冷却液进口，8-冷却液出口，9-下盖。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本实用新型的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本实用新型可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本实用新型可实施的范畴。

实施例1

如图1和2所示，实施例1提供了一种纳米材料多相光催化微通道反应器，包括基体1、透明的上盖2和透明的石英珠3。

基体1可采用不锈钢材质的长方体，也可采用其它材质或其它立体几何形状。在长方体的上表面向下加工一个凹槽作为盛放填料的容纳槽，也可以采用铸造方式加工基体1和容纳槽的整体结构。容纳槽在基体1上表面的上槽口为广口形式，既方便加工或铸造成型，又能增大光照面积或光照通道。基体1左侧设有气液固悬浊液进口4，与容纳槽连通，是气液固悬浊液的进液通道；用于与泵或泵送管路相连接。基体1右侧设有气液固悬浊液出口5，与容纳槽连通，是气液固悬浊液(混合有生成物)的排液通道；用于与离心器或分离器等相连接。在基体1内还设有一个冷却液流道6，冷却液流道6位于容纳槽的下侧且与容纳槽不连通；在基体1的左侧设有与冷却液流道6连通的冷却液进口7，基体1的右侧设有与冷却液流道6连通的冷却液出口8；两个冷却液口可与冷却循环机或自来水管连接，从而进行流动形式的充分冷却。

上盖2为石英材质，例如采用石英板，也可以是其它的适用实验条件的透明材质。上盖2可拆卸地且密封固定于基体1的顶部，将上槽口密封，避免漏液或漏气；同时形成石英光窗，以便光透过并照射在容纳槽内的石英珠3上，利于光照射到催化剂表面。可通过螺钉或螺栓将上盖2固定在基体1上，上盖2和基体1间可设置密封圈等密封结构或装置。

石英珠3作为填料填满容纳槽，容纳槽内的石英珠3紧密堆积形成三维立体多孔微通道。

采用了石英珠3作为填料，在反应器内形成均匀孔径的三维立体多通道，通过控制石英珠3尺寸来形成不同孔径大小的多通道。气液反应原料和固相催化剂悬浊液一起泵入反应器，经过多通道的搅拌作用形成悬浊液，气液固悬浊液以均匀形式流过反应器。石英光窗利于悬浊液接受光照参与反应。冷却液流道6通入冷却液后，起到对整个反应器冷却恒温的效果。该结构对气液反应原料和固相催化剂形成的悬浊液起到了三维空间的湍流作用，在传质的同时进行光催化反应并且高透光的石英珠3不影响固相催化剂对光的吸收。

如图3和4所示，箭头表示气液固悬浊液流动方向。不同的石英珠3尺寸形成的孔径大小不同，因此通过均一尺寸的石英珠3紧密堆积的形式，可形成特定孔径的通道，通过使用不同尺寸的石英珠3(均一尺寸或不均一尺寸)，能够形成不同尺寸要求的通道，通道尺寸可根据纳米催化剂尺寸进行设计。

本实施例的反应器的使用方法或流程：1、在反应器内部装填目标尺寸的石英珠3；2、固定上石英光窗；3、通冷却循环水对整套反应器控温；4、将气液反应原料和固相催化剂混合物用泵注入到反应器，气液固三相悬浊液在反应器中经过石英珠3的搅拌扰动作用形成多重湍流，同时受光照进行光催化反应；5、反应后的气固液三相悬浊液泵出反应器后离心分离催化剂，气液相进行检测。

石英珠3采用规律性排布方式呈现出层层紧密堆积形成的均匀孔径尺寸的多通道，高透过性石英珠3不影响光催化剂对光的吸收，气液固悬浊液采用注射泵进样方式将其注入反应器中，冷却液可以采用冷却循环机或通自来水进行流动形式的充分冷却。

与传统微流控反应器相比有如下优点：

1、采用传统微流控反应器用于气液固三相催化时，固相催化剂通常固定在特定管路中，当气液反应原料经过催化剂时容易堵塞；而本实施例的反应器，采用石英珠3形成三维光催化微通道，通过石英珠3对气液原料和催化剂的搅拌扰动作用形成气液固三相悬浊液，通过调控石英珠3尺寸调控微通道的孔径尺寸，进而调控反应器的混合和光催化反应效果。

2、三维立体空间的微流控通道可形成四通八达的交叉通道，对气液固三相悬浊液进行多次分散和混合，而平面型微流控模式难以将气液固混合均匀形成悬浊液。

3、采用透明的且尺寸均一石英珠3为填料，在基体内规则地堆积排列，能增强透光性，实现在传质的同时进行光催化反应。

4、采用的石英珠3作为填料，便于拆卸更换，便于对反应过程中产生的化学沉积物进行清理。

本实施例的反应器不仅可以解决传统微流控的局限性，还可以在气液固三相传质的同时实现光催化反应，进而大幅度提高光催化的反应活性。

实施例2

如图5所示，实施例2提供了另一种纳米材料多相光催化微通道反应器，其结构与实施例1的基本相同，不同的是：容纳槽为贯通槽，容纳槽的下槽口为广口式，位于基体1的下表面；还包括透明的下盖9，下盖9可使用石英材质的盖板，下盖9密封固定于基体1的底部以封闭下槽口并形成石英光窗，一般采用密封圈、密封垫的形式密封，下盖9也可采用其它满足实验要求的透明材质；下盖9与基体1可拆卸连接，例如通过螺钉或螺栓等固定。此外，反应器底部留有冷却液流道，保留反应器恒温功能。

实施例2的反应器不仅具备实施例1的反应器的全部优点，还采用了双面石英光窗的设计，双面光照时，整体反应器采用石英材质，该光照模式利于光催化剂对光的充分吸收。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本实用新型作了详尽的描述，但在本实用新型基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本实用新型精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本实用新型要求保护的范围。

Claims (5)

1.一种纳米材料多相光催化微通道反应器，其特征在于，包括基体、透明的上盖和透明的石英珠，所述基体内设有容纳槽，所述基体的上表面设有与所述容纳槽连通的广口式上槽口，所述基体的一侧设有与所述容纳槽连通的气液固悬浊液进口，所述基体的另一侧设有与所述容纳槽连通的气液固悬浊液出口，所述上盖可拆卸地密封固定于所述基体的顶部以封闭所述上槽口并形成透明光窗，所述石英珠填满所述容纳槽，所述容纳槽内的所述石英珠紧密堆积形成三维立体多孔微通道。

2.根据权利要求1所述的纳米材料多相光催化微通道反应器，其特征在于，所述上盖与所述基体可拆卸连接。

3.根据权利要求1或2所述的纳米材料多相光催化微通道反应器，其特征在于，所述基体内还设有冷却液流道，所述冷却液流道位于所述容纳槽的下侧且与所述容纳槽不连通，在所述基体的一侧设有与所述冷却液流道连通的冷却液进口，所述基体的另一侧设有与所述冷却液流道连通的冷却液出口。

4.根据权利要求1或2所述的纳米材料多相光催化微通道反应器，其特征在于，还包括透明的下盖，所述基体的下表面设有与所述容纳槽连通的广口式下槽口，所述下盖密封固定于所述基体的底部以封闭所述下槽口并形成透明光窗。

5.根据权利要求4所述的纳米材料多相光催化微通道反应器，其特征在于，所述下盖与所述基体可拆卸连接。

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