JP2008529779A - Photoreactor - Google Patents
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Abstract
本発明は、反応媒質によって横切られる多数のキャピラリチューブ(11)から成る管束(10)を備える光反応器に関する。管(11)は透明である。この反応媒質は、光化学処理又は光生物処理を実行するために、太陽放射又は人工的な放射にさらされる。管束(10)に連結される入口チャンバ(12)は、流体入口(15)から管(11)に反応媒質を分配する流れ分配装置(16)を含む。流れ分配装置(16)は、該入口チャンバ(12)の該体積を削減できるようにする。照射されない該反応器の該体積はこのようにして削減され、該反応器の効率を高める。The present invention relates to a photoreactor comprising a tube bundle (10) consisting of a number of capillary tubes (11) traversed by a reaction medium. The tube (11) is transparent. This reaction medium is exposed to solar radiation or artificial radiation in order to carry out photochemical or photobiological treatments. The inlet chamber (12) connected to the tube bundle (10) includes a flow distributor (16) that distributes the reaction medium from the fluid inlet (15) to the tube (11). A flow distributor (16) allows the volume of the inlet chamber (12) to be reduced. The volume of the reactor that is not irradiated is thus reduced, increasing the efficiency of the reactor.
Description
本発明は、反応媒質が流れるようになされ外部からの光が照射される複数の輻射透過性管を備えており、複数の管は流体入口を有する入口チャンバから延設されている光反応器に関する。 The present invention relates to a photoreactor provided with a plurality of radiation transmissive tubes through which a reaction medium flows and irradiated with light from the outside, the plurality of tubes extending from an inlet chamber having a fluid inlet. .
汚染物質又は微生物によって汚染されている流体の解毒及び/又は病原菌除去(degermination)のために、光化学プロセス又は光生物学プロセスが開発されている。これらのすべてのプロセスでは、一重項酸素等の酸素を豊富に含むラジカル、ヒドロキシルラジカル又は他の酸素を豊富に含むラジカル、又は他の強力に酸化する中間体が光子励起によって生成され、その種が汚染物質及び/又は微生物の分解及び/又は非活性化を達成する。 Photochemical or photobiological processes have been developed for detoxification and / or degeneration of fluids contaminated by contaminants or microorganisms. In all these processes, oxygen-rich radicals such as singlet oxygen, hydroxyl radicals or other oxygen-rich radicals, or other strongly oxidizing intermediates are generated by photon excitation and the species is Achieve degradation and / or deactivation of pollutants and / or microorganisms.
例は、過酸化水素又はカロート(caroat)等の試薬の光活性化、又は、例えば、二酸化チタンを使用する半導体光触媒等の光触媒プロセス、又は光増幅フェントン反応(光フェントン(Fenton)反応)である。 Examples are photoactivation of reagents such as hydrogen peroxide or caroat, or photocatalytic processes such as semiconductor photocatalysts using, for example, titanium dioxide, or light-amplified Fenton reaction (photo-Fenton reaction). .
この工程を達成するために、放電灯、白熱灯、蛍光灯、発光ダイオード又は発光管、エキシマ放射器及びレーザ等の電気的な光源の他に太陽エネルギーが使用される。ただし、非太陽光源は安い投資費用ではあるが低い効率しか実現せず、一方必要とされている電気エネルギー及び冷却プロセスの両方にはコスト高となる。さらに、発光体は比較的高価であり、短い耐用年数しか有しない。運転中に発生する高い発光体温度、高い電圧及び電力は、水銀蒸気等の頻繁に使用される毒性成分と共に、安全装置用の高い支出さらに招く。 To achieve this process, solar energy is used in addition to electrical light sources such as discharge lamps, incandescent lamps, fluorescent lamps, light emitting diodes or arc tubes, excimer radiators and lasers. However, non-solar light sources have low investment costs but only low efficiency, while both the required electrical energy and cooling processes are expensive. Furthermore, illuminants are relatively expensive and have a short service life. The high illuminant temperature, high voltage and power generated during operation, along with frequently used toxic components such as mercury vapor, further incurs high expenditures for safety devices.
前述の光源の優れた持続性の他に、太陽熱プラントの比較的低い運転費を考えると、生態学上の刺激策に加えて財政的な刺激策が太陽エネルギーを使用するための誘引となってよい。 In addition to the excellent sustainability of the light sources mentioned above, given the relatively low operating costs of solar thermal plants, in addition to ecological stimulus measures, financial stimulus measures are an incentive to use solar energy. Good.
多様な受光反応器(receiver reactor)の概念が、前述の応用分野の光源としての太陽の使用に関して提示されている。 A variety of receiver reactor concepts have been presented for the use of the sun as a light source in the aforementioned applications.
独国特許出願公開第19844037号明細書では、太陽−光合成及び太陽−熱化学合成用の平台(flatbed)受光反応器が記載されている。特に、溶質の高濃度又は高吸光係数においては、或いは、エマルジョン又は懸濁液等の強力に濁った流体の場合には、比較的厚い流体層のこのような反応器の使用は不利である。反応混合物の中への光の侵入度は、ランバート・ベール(Lambert Beer)の法則による光吸収に起因して、ならびに粒子及び/又は液滴での光散乱に起因して非常に小さい。 DE 198444037 describes a flatbed photoreception reactor for solar-photosynthesis and solar-thermochemical synthesis. In particular, at high concentrations of solutes or high extinction coefficients, or in the case of strongly turbid fluids such as emulsions or suspensions, the use of such a reactor with a relatively thick fluid layer is disadvantageous. The degree of penetration of light into the reaction mixture is very small due to light absorption by Lambert Beer's law and due to light scattering on particles and / or droplets.
とりわけこの問題を解決する目的で流下薄膜反応器(falling film reactor)が試されてきた(D. Bahneman, M. Meyer, U. Siemon, D. Mencke、汚染水のための自給PV動力太陽解毒反応器(A Self-Sufficient PV Powered Solar Detoxication Reactor for Polluted Waters)、国際太陽エネルギー会議議事録(Proc. Int. Sol. Energy Conf.)、太陽エンジニアリング(Solar Engineering)−1997年4月27日乃至30日、ASME、ワシントンDC、261乃至267ページ;B. Braun, J. Ortner, K.-H. Funken, M. Schafer, C. Schmitz, G. Horneck, M.Fasdni、汚染された水の色素増感太陽解毒作用及び消毒(Dye-Sensitized Solar Detoxification and Disinfection of Contaminated Water)、第8回太陽熱凝縮技術国際シンポジウム議事録(Proc. 8th Int. Symp. Solar Thermal Concentrating Technologies)第3巻、C. F. Muller Verlag, Heidelberg(1997年)1391乃至1401ページ)。作成するのが高価である大きなカバーを必要とする点が流下薄膜の欠点である。さらに、流下薄膜表面全体で反応混合物を繰り返しくみ上げるために多くのエネルギーが消費される。大気に開かれた流下薄膜の使用が実際に行われたが、この場合低沸点物質は大気中に制御されずに解放される。 In particular, falling film reactors have been tried to solve this problem (D. Bahneman, M. Meyer, U. Siemon, D. Mencke, self-sufficient PV powered solar detoxification reaction for contaminated water. A Self-Sufficient PV Powered Solar Detoxication Reactor for Polluted Waters, Proc. Int. Sol. Energy Conf., Solar Engineering-April 27-30, 1997 ASME, Washington, DC, pages 261-267; B. Braun, J. Ortner, K.-H. Funken, M. Schafer, C. Schmitz, G. Horneck, M. Fasdni, dye sensitization of contaminated water. Dye-Sensitized Solar Detoxification and Disinfection of Contaminated Water, Proc. 8th Int. Symp. Solar Thermal Concentrating Technologies, Vol. 3, CF Muller Verlag, Heid elberg (1997) pages 1391 to 1401). The drawback of the falling film is that it requires a large cover that is expensive to make. In addition, much energy is consumed to repeatedly pump the reaction mixture across the falling film surface. In practice, a falling film that is open to the atmosphere has been used, but in this case low-boiling substances are released uncontrolled into the atmosphere.
光を一点に集めない複数リブ付きのプレートリアクタ、特に押出半透明プラスチック材料から作られている二重リブのプレートリアクタ(欧州特許公開第0738686号明細書)、及びいわゆるCPC反応器(複合放物線式コレクタ)(例えば、J. I. Ajona, A. Vidal、汚染された水の解毒作用のためのCPCコレクタの使用;設計、構築及び予備結果(The Use of CPC Collectors for Detoxification of Contaminated Water; Design, Construction and Preliminary Results)、太陽エネルギー(Solar Energy)第68巻(2000年)、109乃至120ページ)が、汚染された廃水の太陽解毒作用のために開発され、試されてきた。 Plate reactors with multiple ribs that do not collect light at one point, in particular double rib plate reactors made from extruded translucent plastic material (EP 0 786 686), and so-called CPC reactors (compound parabolic type) Collectors (eg, JI Ajona, A. Vidal, The Use of CPC Collectors for Detoxification of Contaminated Water; Design, Construction and Preliminary Results, Solar Energy Vol. 68 (2000), pages 109-120) have been developed and tested for solar detoxification of contaminated wastewater.
これらの反応器システムは類似した効率を提供する(R. Dillert, R. Goslich, J. Dzengel, H.-W,. Schuhmacher, D. Bahnemann、太陽水解毒作用の実地調査(Field Studies of Solar Water Detoxification)、プラタフォルマ・ソーラ・ド・アルメリア(Plataforma Solar de Almeria)での研究者のプログラムの訓練及び移動性に関する第1回ユーザワークショップ議事録(Proc. 1st User Workshop Training and Mobility of Researchers' Program)、1997年11月18日乃至19日、スペイン、アルメリア、セル・ポネンシアス、マドリッド(Almeria, Spain, Ser, Ponencias, Madrid)(1998年)31乃至40ページ)。しかしながら、複数のリブ付きプレートリアクタがかなりの範囲汚れる傾向があること、及びその効率がCPC反応器に比較して急激に減少することが判明した。CPC反応器は、それらが複雑な構成の反射体を必要とするという点で不利である。したがって、この反応器技術に対する投資費用は比較的高い。さらに、反射体は光劣化又は機械劣化を受けることがある。 These reactor systems provide similar efficiencies (R. Dillert, R. Goslich, J. Dzengel, H.-W ,. Schuhmacher, D. Bahnemann, Field Studies of Solar Water Detoxification (Field Studies of Solar Water Detoxification, Proc. 1st User Workshop Training and Mobility of Researchers' Program on Researcher Program Training and Mobility at Plataforma Solar de Almeria ), 18-18 November 1997, Almeria, Spain, Ser, Ponencias, Madrid (1998) 31-40, Spain, Almeria, Ser Ponencias. However, it has been found that multiple ribbed plate reactors tend to be fouled to a significant extent and that their efficiency decreases sharply compared to CPC reactors. CPC reactors are disadvantageous in that they require a complex configuration of reflectors. Therefore, the investment cost for this reactor technology is relatively high. In addition, the reflector may undergo light degradation or mechanical degradation.
線焦点コンセントレータ及び点焦点コンセントレータも、太陽解毒作用に使用されてきた(独国特許公開第4344163号明細書)。しかしながら、これらのコンセントレータは直接輻射光だけを活用し、特に大量の紫外線を含有する太陽の拡散放射は活用しない。光の集中は、濃縮していない太陽光よりさらに急激な集中変化につながるが、反応器関連の太陽光子収量は同等に少なく、処理費用は、同等に高い投資費用のために相応して高くなる。 Line focus concentrators and point focus concentrators have also been used for solar detoxification (German Patent Publication No. 4344163). However, these concentrators use only direct radiant light, not the diffuse radiation of the sun, which contains a particularly large amount of ultraviolet light. Light concentration leads to a more rapid concentration change than unconcentrated sunlight, but reactor-related photon yields are equally low, and processing costs are correspondingly high due to equally high investment costs .
本出願人の独国特許公開第10009060号明細書に説明されているような透明な管を備える光反応器では、CPCコレクタの分解速度と同様の分解速度が、反射体との結合を行わずに得られた。ここでも、開口対管の内面のサイズの比率が不利である。対応する増加は反応器に関連する光子収量の追加の強化につながる可能性がある。 In a photoreactor with a transparent tube as described in the Applicant's German Patent Publication No. 10009060, a decomposition rate similar to that of the CPC collector is not coupled to the reflector. Was obtained. Again, the ratio of the size of the opening to the inner surface of the tube is disadvantageous. A corresponding increase may lead to an additional enhancement of the photon yield associated with the reactor.
従来の技術の一般的な欠点は非常に小さい反応器に関連する太陽光子収量である。特に、例えば二酸化チタンに基づいた微細分散した光触媒の懸濁液が使用されると発生する散乱損失は、従来の技術の太陽反応器構成では、発せられた光子の非効率的な活用につながる。 A common disadvantage of the prior art is the photon yield associated with very small reactors. In particular, the scattering losses that occur when a finely dispersed suspension of photocatalyst, eg based on titanium dioxide, is used, leading to inefficient utilization of the emitted photons in prior art solar reactor configurations.
公知の太陽管型反応器は、それらが濁った物質及び/又は懸濁された光触媒の沈殿を防止するように、乱流による高速で操作されるという点でさらに不利である。 Known solar tube reactors are further disadvantageous in that they are operated at high speeds due to turbulence so as to prevent precipitation of turbid material and / or suspended photocatalysts.
高速での流体全体の攪拌は、ポンプを駆動するための相対的に高いエネルギー消費につながる。流体の小さな部分だけを乱流の中に設置すればよい場合は、太陽光反応器プラントの経済的な効率及びエコバランスにとって有利であろう。 Agitation of the entire fluid at high speed leads to a relatively high energy consumption for driving the pump. If only a small part of the fluid need be installed in the turbulent flow, it would be advantageous for the economic efficiency and eco-balance of the solar reactor plant.
請求項1の特徴付け前の部分(前提部)の基礎をなす光反応器は、米国特許第4456512号明細書に説明されている。この光反応器は流体入口を具備した入口チャンバを備え、その入口チャンバからキャピラリチューブの束が延びる。これらのキャピラリチューブは、プラズマが生成される部屋を通って延びる。この部屋の外壁は冷却される。このキャピラリチューブを通って流れる反応流体(反応媒質)で光化学反応が起こる。 The photoreactor forming the basis of the precharacterizing part (premise) of claim 1 is described in US Pat. No. 4,456,512. The photoreactor comprises an inlet chamber with a fluid inlet from which a bundle of capillary tubes extends. These capillary tubes extend through the chamber where the plasma is generated. The outer wall of this room is cooled. A photochemical reaction occurs in the reaction fluid (reaction medium) flowing through the capillary tube.
類似する光反応器は米国特許第3554887号明細書に説明されている。ここでは、管は入口チャンバ及び出口チャンバと連結されている。この管システムの内部には、光反応に必要とされる光を作り出す光源が配置されている。
本発明の目的は、合成作用、清掃作用、殺菌作用及び加工作用などの光化学反応又は光生物学的反応のための高効率の光反応器を提供することである。 The object of the present invention is to provide a highly efficient photoreactor for photochemical or photobiological reactions such as synthesis, cleaning, sterilization and processing.
この目的は、請求項1に記載される特徴によって達成される。したがって、入口チャンバは、流体入口から管に反応媒質(反応流体)を分配する流量分配器を具備している。 This object is achieved by the features described in claim 1. Thus, the inlet chamber comprises a flow distributor that distributes the reaction medium (reaction fluid) from the fluid inlet to the tubes.
この流量分配器は入口チャンバの小さな体積を可能にする。それによって、照射されていない反応媒質の体積の部分は削減される。照射されておらず、純粋な光反応という点で反応しない小さな流体部分のため、光によって誘発されるプロセスは流体全体における比較的急激な材料変化に、かつ/又は急激な濃度変化につながる。入口チャンバ及び隣接する管のさらに小さな体積に起因して、全体的な光反応器の体積は小さい。流体体積がさらに小さくなり、処理強度が強化されるため、反応媒質を管に均一に分配する、光反応器の高い効率が生じる。さらに、流量分配器は管の中の流速を減速する。管内壁が触媒又は他の物質で被覆されている場合、前記コーティングが洗い流される程度は、流速の減速によって小さくなる。 This flow distributor allows a small volume of the inlet chamber. Thereby, the volume part of the reaction medium which is not irradiated is reduced. Because of the small fluid fraction that is not illuminated and does not react in terms of a pure photoreaction, the light-induced process leads to a relatively rapid material change and / or a rapid concentration change in the entire fluid. Due to the smaller volume of the inlet chamber and adjacent tubes, the overall photoreactor volume is small. Since the fluid volume is further reduced and the processing strength is enhanced, a high efficiency of the photoreactor is produced that distributes the reaction medium evenly to the tubes. In addition, the flow distributor decelerates the flow rate in the tube. If the inner wall of the tube is coated with a catalyst or other material, the extent to which the coating is washed away is reduced by the flow rate reduction.
流量分配器は、さらに、光触媒、空気、酸素、過酸化水素、又は他の酸化体等の補助物質を管に均一に分配するための静的ミキサーとして構成されてよい。 The flow distributor may further be configured as a static mixer for evenly distributing auxiliary substances such as photocatalysts, air, oxygen, hydrogen peroxide, or other oxidants to the tubes.
流量分配器は、回りを流体が流れるプレートであってよく、前記プレートは流体供給部とキャピラリの入口端部の間に配置される。好ましくは、流量分配器は複数の孔を具備した隔壁として構成される。好ましくは、この孔は管の入口端部に対してオフセット設けて配置される。 The flow distributor may be a plate around which fluid flows, the plate being disposed between the fluid supply and the inlet end of the capillary. Preferably, the flow distributor is configured as a partition wall having a plurality of holes. Preferably, this hole is arranged offset from the inlet end of the tube.
本発明の好ましい実施形態によれば、管はキャピラリチューブであり、内径の少なくとも10%の壁厚を有する。キャピラリチューブは10mm未満の内径を有する。キャピラリチューブを使用すると、反応器又は反応器回路の体積がさらに削減されることになる。 According to a preferred embodiment of the invention, the tube is a capillary tube and has a wall thickness of at least 10% of the inner diameter. The capillary tube has an inner diameter of less than 10 mm. The use of a capillary tube further reduces the volume of the reactor or reactor circuit.
流体が流れるキャピラリチューブ及び/又はキャピラリチューブの束の使用に起因して、発射された光の部分が同じコレクタ平面内で流れる流体に直接的に衝突しない。これは、透明管を具備する従来の太陽光反応器と比較して、ガラス表面対管内部体積及び/又は流体体積の比率が強力に増加したためである。したがって、従来の技術と比較して、コレクタ表面ごとにより多くの且つより強力なガラスの壁を備えるキャピラリチューブがより深いコレクタ層で光導体として作用する程度は、より大きくなる。 Due to the use of capillary tubes and / or bundles of capillary tubes through which fluid flows, portions of the emitted light do not directly collide with fluid flowing in the same collector plane. This is because the ratio of the glass surface to the internal volume of the tube and / or the fluid volume is strongly increased compared to a conventional solar reactor with a transparent tube. Thus, compared to the prior art, the extent to which a capillary tube with more and stronger glass walls per collector surface acts as a light guide in a deeper collector layer is greater.
より深いキャピラリ層では、光は、従来の技術の反応器では、光と単に弱く相互作用できる、あるいはまったく相互作用できない流体に衝突する。さらに、これらの深い層から後方散乱した光は、前記キャピラリが後部から照射されるという点で、前記層の上部に設置されるキャピラリによって吸収される。全般的に見て、これらの効果によって、開口に発射された光は、従来の受光反応器によるよりも効率的にキャピラリレシーバによって活用できるようになる。 In deeper capillary layers, light impinges on fluids that can only interact weakly or not at all in prior art reactors. Furthermore, the light backscattered from these deep layers is absorbed by the capillary placed on top of the layer in that the capillary is illuminated from the rear. Overall, these effects allow light emitted to the aperture to be utilized by the capillary receiver more efficiently than by conventional photoreactors.
したがって、発射された光の後方散乱損失は、従来の寸法に作られた透明管又はCPCコレクタのアセンブリにおいてよりも小さくなり、特に、リブ付きプレートコレクタ又は流下薄膜反応器においてのような流体表面の照射の場合よりも小さくなる。 Thus, the backscattering loss of the emitted light is smaller than in transparent tube or CPC collector assemblies sized to conventional dimensions, especially for fluid surfaces such as in ribbed plate collectors or falling film reactors. It becomes smaller than the case of irradiation.
したがって、開口の同じ照射で、他の光反応器の対応する体積コンパートメントにおいてより、さらに多くの光子流量が達成される薄い流体層を得ることが可能である。したがって、光子効果によって流体内のより急激な濃度変化が達成される。 Thus, with the same illumination of the aperture, it is possible to obtain a thin fluid layer in which more photon flow is achieved than in the corresponding volume compartment of other photoreactors. Thus, a more rapid concentration change in the fluid is achieved by the photon effect.
特に、固形の光触媒を使用するとき、特に微細分散した光触媒を使用するとき、あるいはランバート・ベール吸着挙動の他に後方散乱によって流体内の光の減衰がかなりの程度引き起こされる他の濁った流体を照射するとき、前述のキャピラリレシーバの光路は効率の上昇をもたらす。 In particular, when using solid photocatalysts, especially when using finely dispersed photocatalysts, or other turbid fluids that cause significant attenuation of light in the fluid due to backscattering in addition to Lambert Bale adsorption behavior. When irradiating, the optical path of the aforementioned capillary receiver results in an increase in efficiency.
また、濁った流体を照射することによって得られる利点の他に、純粋なランバート・ベール光吸着挙動を示す、澄んだ流体を照射するときにも利点が予想される。かなり強力な効果のため、従来の技術の透明なガラス管反応器と比較して、より強く曲げられているより多数のキャピラリチューブの光ビームの拡大を生じさせると、流体体積は同程度の放射でより小さな光子流量にしかさらされない。より大きな光子流量での多数の光子により開始した反応は、例えば質量移動のためにより非効率的になるため、澄んだ液体でも光子収量の増加を得ることができる。 In addition to the benefits gained by irradiating turbid fluids, benefits are also expected when irradiating clear fluids that exhibit pure Lambert Bale photoadsorption behavior. Due to the rather powerful effect, the fluid volume is comparable to that of the emission when the light beam expansion of a larger number of capillary tubes that are more strongly bent is caused compared to the transparent glass tube reactor of the prior art. And only exposed to smaller photon flow rates. Reactions initiated by a large number of photons at higher photon flow rates become less efficient, for example due to mass transfer, so that an increased photon yield can be obtained even with clear liquids.
キャピラリチューブを使用すると、より広い反応器内面が可能になる。 The use of a capillary tube allows for a wider reactor internal surface.
光触媒作用的に活性化した層をキャピラリの内部に塗布すると、従来の技術の反応器においてより、開口当たりより広い触媒面を利用できる。さらに、反応器はより低い流速で操作でき、被覆された従来の技術の反応器と比較して、コーティングのさらに低程度の磨耗、又はよりゆっくりとした磨耗速度、又は磨耗なしが観察されるようになる。流量分配器とキャピラリ束を結合すると、流速の必要な平衡が達成される。 When a photocatalytically activated layer is applied to the interior of the capillary, a wider catalytic surface can be utilized per opening than in prior art reactors. Furthermore, the reactor can be operated at a lower flow rate, and a lower degree of wear of the coating, or a slower wear rate, or no wear may be observed compared to the coated prior art reactor. become. When the flow distributor and capillary bundle are combined, the necessary balance of flow rates is achieved.
キャピラリを使用すると、従来の技術のガラス管反応器と異なり、特に大きな壁厚が必要とされずに反応器を加圧できる。 Using capillaries, unlike conventional glass tube reactors, the reactor can be pressurized without requiring a particularly large wall thickness.
(空気又は酸素を使用する)加圧による酸素の部分的な圧力の増加は、(ヘンリーの法則に従って)処理される水の中の溶存酸素の濃度の上昇を可能にする。したがって、水の中に溶けている汚染物質は、通常の圧力においてより、大幅に急激に光触媒的に分解される。 Increasing the partial pressure of oxygen by pressurization (using air or oxygen) allows an increase in the concentration of dissolved oxygen in the water being treated (according to Henry's law). Thus, contaminants dissolved in the water are photocatalytically decomposed much more rapidly than at normal pressure.
したがって、従来の技術のガラス管レシーバとは異なり、キャピラリレシーバは、酸素及び/又は空気による加圧で大幅に効率的に操作できる。この目的のため、1乃至20バール、好ましくは1乃至15バールの酸素圧が使用される。 Thus, unlike prior art glass tube receivers, capillary receivers can be operated much more efficiently with pressurization with oxygen and / or air. For this purpose, an oxygen pressure of 1 to 20 bar, preferably 1 to 15 bar, is used.
反応器管の中の流速を均衡する流量分配器との結合に起因して、加圧されたキャピラリレシーバは、反応器を廃水がただ一度通過する間に、特に大きな材料変化が得られるようにする。 Due to the coupling with a flow distributor that balances the flow rate in the reactor tube, the pressurized capillary receiver is able to obtain particularly large material changes during the single pass of waste water through the reactor. To do.
本発明の範囲内では、用語「キャピラリチューブ」は、10mm未満の内径及び好ましくは内径の10%の壁厚を有する管に関する。このようなキャピラリチューブは、液体体積を基準にしてさらに大きな反応器の内面が得られるようにする。さらに厚いガラス壁も光導体としての機能を果たすことができる。 Within the scope of the present invention, the term “capillary tube” relates to a tube having an inner diameter of less than 10 mm and preferably a wall thickness of 10% of the inner diameter. Such a capillary tube allows a larger reactor inner surface to be obtained based on the liquid volume. A thicker glass wall can also serve as a light guide.
好ましくは、複数のキャピラリチューブ(管)は、入口チャンバと出口チャンバとの間に延びる細長い管束を形成すべく組み合わされる。それにより、光を効率的に供給される多数の薄い流体層が作られる。濁った流体の場合に発生する散乱した放射は、隣接するキャピラリチューブによって取り込まれる。多数の薄い流体層はさらに効率的に光を供給される。キャピラリチューブは通常少なくとも8乃至20バールの超過気圧での動作を可能にする。内面でのビーム拡大のため、澄んだ流体の場合にもより高い光子収量が期待できるように、より小さい光子流量が送られる。 Preferably, the plurality of capillary tubes (tubes) are combined to form an elongated tube bundle extending between the inlet chamber and the outlet chamber. This creates a number of thin fluid layers that are efficiently supplied with light. Scattered radiation generated in the case of a turbid fluid is captured by the adjacent capillary tube. Multiple thin fluid layers are more efficiently supplied with light. Capillary tubes usually allow operation at an overpressure of at least 8 to 20 bar. Due to the beam expansion on the inner surface, a smaller photon flow rate is delivered so that a higher photon yield can be expected even with a clear fluid.
キャピラリチューブの内径は好ましくは1乃至10mm、さらに好ましくは1乃至5mmである。キャピラリチューブの壁厚は好ましくは0.1乃至5mmであり、さらに好ましくは0.1乃至3mmである。キャピラリチューブの外径対内径の比率は20:1と1:1との間の範囲となる。 The inner diameter of the capillary tube is preferably 1 to 10 mm, more preferably 1 to 5 mm. The wall thickness of the capillary tube is preferably 0.1 to 5 mm, more preferably 0.1 to 3 mm. The ratio of the outer diameter to the inner diameter of the capillary tube ranges between 20: 1 and 1: 1.
キャピラリチューブの長さは好ましくは10乃至250cm、特に40乃至180cm、最も好ましくは100乃至150cmである。 The length of the capillary tube is preferably 10 to 250 cm, in particular 40 to 180 cm, most preferably 100 to 150 cm.
1つの動作モードでは、キャピラリチューブは、乱流が通過する流体供給システムに並列で接続され、さらに低い流速での層流のようにシステムを通過する流量を誘導する。それによって、圧力低下、ひいてはポンプを操作するために必要とされるエネルギーは低いレベルで保たれる。供給システム内での流体の乱流混合が保証される。大きな断面を有する公知の反応器チューブの上方でキャピラリチューブを使用すると、より小さな流体体積が高いエネルギー入力での乱流移動にさらされ、したがって混合されることが特に有利である。 In one mode of operation, the capillary tube is connected in parallel to a fluid supply system through which turbulent flow passes, and induces flow through the system like laminar flow at a lower flow rate. Thereby, the pressure drop and thus the energy required to operate the pump is kept at a low level. Turbulent mixing of the fluid in the supply system is ensured. Using capillary tubes above known reactor tubes with large cross sections, it is particularly advantageous that smaller fluid volumes are exposed to turbulent movement with high energy inputs and are therefore mixed.
反応器の一実施形態によると、キャピラリレシーバの底部は鏡として構成される。これは、完全な光吸収を達成するためのキャピラリ層の必要とされる数を削減し、さらにキャピラリチューブの後側の照射を改善する。汚れ、特に細菌汚染のリスクはこのようにして削減される。 According to one embodiment of the reactor, the bottom of the capillary receiver is configured as a mirror. This reduces the required number of capillary layers to achieve complete light absorption and further improves the backside illumination of the capillary tube. The risk of contamination, in particular bacterial contamination, is thus reduced.
別の実施形態によると、放電灯、白熱灯、蛍光灯又は蛍光管、発光ダイオード、エキシマ放射器又はレーザあるいは光導体のような発光体は、ハイブリッド操作、つまりオプションでの太陽エネルギーと、又は人工発光体との動作を実現する目的で、発光体又は太陽光からの放射で拡散器との組み合わせを用いて又は用いずに結合するために、一番下のキャピラリチューブ層の下方、又はキャピラリチューブ層の中に配置される。 According to another embodiment, the light emitter, such as a discharge lamp, an incandescent lamp, a fluorescent lamp or a fluorescent tube, a light emitting diode, an excimer radiator or a laser or a light guide, is hybrid operated, ie with optional solar energy or artificial For the purpose of realizing the operation with the illuminant, for coupling with or without the use of a diffuser in combination with the illuminant or sunlight, below the bottom capillary tube layer, or capillary tube Arranged in a layer.
別の実施形態は、電極によってキャピラリの間に電場を掛けることに関する。ここでは、一定の又は比較的ゆっくりとした交番磁界を使用して、半導体材料での光化学電荷分離を支援することができる。好ましくは、電場は、キャピラリの内部又は外部に位置するカウンタ電極と組み合わせて、キャピラリの中に電極を導入することによって、あるいは透明な電極材料によりキャピラリ(管)を製造することによって、あるいは透明電極材料をキャピラリ(管)の外側(外面)及び/又は好ましくは内側(内面)にコーティングとして塗布することによって生成できる。 Another embodiment relates to applying an electric field between the capillaries by means of electrodes. Here, a constant or relatively slow alternating magnetic field can be used to assist photochemical charge separation in semiconductor materials. Preferably, the electric field is combined with a counter electrode located inside or outside the capillary to introduce the electrode into the capillary, or to produce a capillary (tube) with a transparent electrode material, or to a transparent electrode It can be produced by applying the material as a coating on the outside (outer surface) and / or preferably inside (inner surface) of the capillary (tube).
電場との別の組み合わせは、陰極と陽極を入口チャンバ及び/又は出口チャンバの中に導入することによって取得できる。過酸化水素等の原位置での酸化体は、酸素の陰極還元による電極で、あるいは塩化物の陽極酸化によるクロライトで生成されてよい。特に、流量分配器は、広い表面の電極として構成されてよく、狭い表面のカウンタ電極は、例えば擬似分割電気化学電池の形を取って流量分配器とキャピラリの間に配置できる。これによって任意の必要とされている酸化体の正確な原位置での薬注及び分配が可能になる。 Another combination with an electric field can be obtained by introducing a cathode and an anode into the inlet and / or outlet chamber. In situ oxidants, such as hydrogen peroxide, may be generated at the electrode by cathodic reduction of oxygen or by chlorite by anodic oxidation of chloride. In particular, the flow distributor may be configured as a wide surface electrode, and the narrow surface counter electrode may be placed between the flow distributor and the capillary, for example in the form of a quasi-split electrochemical cell. This allows the precise in-situ dispensing and distribution of any required oxidant.
別の実施形態によると、電極を操作するために必要とされる電圧が、反応器の底部部分のキャピラリの下方に配置される太陽光電池モジュールから取得される。 According to another embodiment, the voltage required to operate the electrodes is obtained from a photovoltaic module located below the capillary in the bottom part of the reactor.
一実施形態は、キャピラリの両端が差し込まれる弾性の多孔板を備えることができる。これらのキャピラリは、室と管の間に密封面を取得するために、プレートを活用して入口チャンバ及び/又は出口チャンバに対して押し付けられる。 One embodiment may comprise an elastic perforated plate into which both ends of the capillary are inserted. These capillaries are pressed against the inlet chamber and / or the outlet chamber utilizing a plate to obtain a sealing surface between the chamber and the tube.
キャピラリは、適切なプラスチックブロックの中にそれらを一体化して鋳造する/それらを融合させることによってさらに密封することができ、これを、密封しながら又はせずに入口チャンバ又は出口チャンバの中に押し込む。 The capillaries can be further sealed by casting them together / fusing them into a suitable plastic block and pushing it into the inlet chamber or outlet chamber with or without sealing. .
本発明の実施形態を、ここで図面に関してさらに詳しく説明する。 Embodiments of the present invention will now be described in more detail with respect to the drawings.
図1及び図2に示されている光反応器は、輻射透過性材料、特に石英ガラスのような透明な材料から作られる多数の細長い並設されたキャピラリチューブ(管)11によって形成されている管束10を備える。図中の表記は原寸どおりではない。それらは単に一般的な構成を説明するためだけに役立つ。
The photoreactor shown in FIGS. 1 and 2 is formed by a number of elongated side-by-side capillary tubes (tubes) 11 made from a radiation transmissive material, in particular a transparent material such as quartz glass. A
キャピラリチューブ11の一方の端部は、入口チャンバ12に連結されている。前記入口チャンバは、例えばプラスチック材料から作られる筐体13の一部を形成する。このキャピラリチューブ束(管束)の端部は、前壁14が筐体13を外部に向かって密封するように、筐体13の前壁14の中に埋め込まれ(potted)、入口チャンバ12はキャピラリチューブと流体連通している。入口チャンバ12は流体入口15を備える。入口チャンバ12には、流量分配器16が配置される。前記流量分配器は複数の孔を有するプレート又は隔壁(bulkhead)である。流量分配器16は、管端部が隣接するプレチャンバ17の中に一様な圧力分布を存在させて、すべての管を通して一様な流れが得られるようにする。したがって、流体が好ましくは、束の中心に配置される管束のそれらの管を通って流れることが防止される。流量分配器16は、さらに入口チャンバ12内での乱流をほぼ層流に変換させる。流量分配器16は、入口チャンバ12のより小さな構成を可能にする。これにより、照射されない体積が削減される。より低速の流速により、キャピラリチューブ(管)11の内部(内面)に施されたコーティングが確実に洗い流されないようにできる。
One end of the
管束10の反対側の端部には、出口チャンバ20が位置している。前記出口チャンバも、その前側に管の端部がシーリングを介して差し込まれる筐体21を備える。流体は流体流出口22を通って出口チャンバ20を出る。
An
図2で分かるように、管束10は、順に重ねられた複数のキャピラリチューブ(管)11の複数の層から構成されている。本事例では、キャピラリチューブ11は円形断面を有し、連続する層で交互に連続して配列される。管は、例えば正方形又は六角形の断面等の任意の他の断面形状を有してよい。好ましくは、管は互いに密接に配列され、互いに接してよい。
As can be seen in FIG. 2, the
光反応器が動作中に、管束は太陽放射(輻射)又は、外部から例えば管束10の上側25で管に作用する人工的に生成される放射(輻射)にさらされ、流体は管束10のキャピラリチューブを通って誘導される。このような放射はキャピラリチューブの壁によって屈折され、反応媒質(反応流体)によって分散される。このようにして、放射は管束の内部に分散される。管束の底側に、鏡面をなす鏡等の反射体(不図示)を配置してよい。
While the photoreactor is in operation, the tube bundle is exposed to solar radiation (radiation) or from the outside, eg artificially generated radiation (radiation) acting on the tube at the
入口チャンバ12と出口チャンバ20を備える管束10は、エンティティとして処理、設置できるモジュールを形成する。これにより、多数のモジュールを並べて設置できるようにし、このようにして拡張可能な光反応器プラントを作成する。
The
図3に示されている実施形態では、管束10は、対応する保持固定具の中に引っ張り込むための長手方向フック部分31を備える連続溝30に配置される。溝30はその全長でキャピラリチューブを支える。溝の底部には、側壁と共に、輻射反射コーティングが具備されてよい。側面から、又は下方から前記溝を照明するために透明材料により溝30を作成することがさらに可能である。
In the embodiment shown in FIG. 3, the
Claims (17)
入口チャンバ(12)は、流体入口(15)から管(11)に反応流体を分配する流量分配器(16)を備えることを特徴とする光反応器。 A plurality of radiation transmissive tubes (11) through which a reaction medium flows and irradiated with light from the outside are provided, and the plurality of tubes (11) are provided from an inlet chamber (12) having a fluid inlet (15). In the extended photoreactor,
The photoreactor characterized in that the inlet chamber (12) comprises a flow distributor (16) for distributing the reaction fluid from the fluid inlet (15) to the pipe (11).
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