光催化反應(yīng)器的研究進(jìn)展

　　論述了氣固相光催化反應(yīng)器的特點(diǎn)、類型及研究現(xiàn)狀。根據(jù)反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)，氣固相光催化反應(yīng)器分為固定床和流化床，主要介紹了國(guó)外近年來(lái)流化床光催化反應(yīng)器應(yīng)用于廢氣處理中的研究進(jìn)展情況，闡明了新型流化床光催化反應(yīng)器的研究與設(shè)計(jì)是光催化氧化法工業(yè)化過(guò)程中需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一，分析了其存在的問(wèn)題，并對(duì)今后的發(fā)展方向進(jìn)行了展望。
 

　　隨著能源價(jià)格的持續(xù)上漲和環(huán)境污染的日趨嚴(yán)重，半導(dǎo)體光催化污染治理技術(shù)近年來(lái)日益受到人們的重視 [1]。該技術(shù)具有工藝簡(jiǎn)單、能耗低、無(wú)二次污染和降解的特點(diǎn)。因?yàn)榘雽?dǎo)體受yi定能量光照射而產(chǎn)生的光生空穴和電子具有很強(qiáng)的氧化性和還原性,可以無(wú)選擇的將半導(dǎo)體顆粒表面的吸附物氧化還原為CO2和H2O。國(guó)內(nèi)外有關(guān)光催化降解水中有機(jī)污染物的研究已有十余年歷史，近幾年來(lái)，隨著對(duì)低濃度(μg/m3)揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)所帶來(lái)的空氣污染問(wèn)題的重視，人們認(rèn)識(shí)到氣固相光催化處理VOCs的潛在優(yōu)勢(shì)，開(kāi)始了這方面的研究。氣固相光催化反應(yīng)器是光催化過(guò)程的核心設(shè)備，它的設(shè)計(jì)和應(yīng)用勢(shì)必成為氣固相光催化研究的主要方向之一。由于流化床具有傳質(zhì)效率高、操作范圍寬、易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化等特點(diǎn)，近年來(lái)出現(xiàn)了氣固相流化床光催化反應(yīng)器的研究熱潮。本文總結(jié)了國(guó)外近年來(lái)廢氣治理中氣固流化床光催化反應(yīng)器的研制及應(yīng)用情況，并對(duì)其發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。
 

　　1 氣固相光催化反應(yīng)器的特點(diǎn)
 

　　光催化反應(yīng)器與傳統(tǒng)反應(yīng)器的不同之處在于需要有光源的存在，因此它的設(shè)計(jì)更加復(fù)雜，除了考慮傳統(tǒng)的反應(yīng)器所涉及的如質(zhì)量傳遞和混合、反應(yīng)物和催化劑的接觸、流動(dòng)方式、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、催化劑的安裝、溫度的控制等問(wèn)題外，還要考慮光能在反應(yīng)器內(nèi)的傳播與均勻分布，因?yàn)橹挥形樟诉m當(dāng)?shù)墓庾佣患せ畹拇呋瘎┎啪哂写呋钚?。另外，光?qiáng)的選擇也為重要，它對(duì)光催化反應(yīng)的影響隨反應(yīng)物的不同而有所不同。但通常在較低光強(qiáng)下反應(yīng)速率與光通量呈一級(jí)反應(yīng)，在較高光強(qiáng)下反應(yīng)速率為半級(jí)，即光效率隨光強(qiáng)增加而下降。光催化反應(yīng)器的反應(yīng)能力受照射光分布和光強(qiáng)的影響這些特性給光反應(yīng)器的理論分析、實(shí)驗(yàn)研究和工業(yè)化應(yīng)用均帶來(lái)了困難，多相體系中固體催化劑的存在更增加了問(wèn)題的復(fù)雜性。
 

　　根據(jù)相態(tài)的不同，光催化反應(yīng)器可分為氣固相光催化反應(yīng)器與液固相光催化反應(yīng)器。與液固相相比，氣固相光催化反應(yīng)器通常需要在高氣體體積流量下操作[2]，要求有很好的氣密性，同時(shí)要便于物料的裝卸；需要固定化的催化劑，若使用粉末催化劑，只能造成氣阻增大，催化劑流失嚴(yán)重或分散不均等不利情況而影響。
 

　　整個(gè)光催化效果(但一般認(rèn)為光催化劑固定后比表面積減小，其催化效率有所降低)。兩者的相同點(diǎn)是，都需要實(shí)現(xiàn)反應(yīng)物、催化劑與入射光的充分接觸，這可以通過(guò)改善反應(yīng)器中光的分布和提高催化劑的比表面積的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。氣固流化床光催化反應(yīng)器的研究進(jìn)展
 

　　2 氣固相光催化反應(yīng)器的研究現(xiàn)狀
 

　　半導(dǎo)體多相光催化反應(yīng)的Z早研究可追溯到1972年日本科學(xué)家Fujihims和Honda次發(fā)現(xiàn)在近紫外光(380nm波長(zhǎng)的光)的作用下，金紅石型TiO2單晶電能使水在常溫常壓下連續(xù)分解為氫氣和氧氣。其在環(huán)保中的應(yīng)用則始于1976年加拿大科學(xué)家John H. Catey等次將TiO2光催化應(yīng)用于劇毒多氯聯(lián)苯降解的研究。氣固相光催化氧化技術(shù)至今未能工業(yè)化的一個(gè)Z主要原因是高效光反應(yīng)器的缺乏。目前，開(kāi)發(fā)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、反應(yīng)效率高的新型光反應(yīng)器已成為氣固相光催化技術(shù)的一個(gè)重要研究方向。
 

　　氣固相光催化反應(yīng)器根據(jù)結(jié)構(gòu)可分為固定床和流化床兩種類型。固定床結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于操作，隨處理程度不同可一次性或回流循環(huán)處理。有關(guān)固定床光催化反應(yīng)器的研究較多，出現(xiàn)了多種反應(yīng)器類型，如間歇式反應(yīng)器[3,4]、光導(dǎo)纖維反應(yīng)器(OFR)[5,6]、環(huán)形反應(yīng)器[7-9]、管狀反應(yīng)器[10-13]和整體構(gòu)造反應(yīng)器(即蜂窩狀反應(yīng)器)[14]等。
 

　　流化床的結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，操作中需要滿足壓降小、高氣速的要求，過(guò)程不易控制，因此研究難度較大，報(bào)道得較少。然而，流化床可改善傳質(zhì)條件，提供光對(duì)顆粒的連續(xù)照射，提高催化劑表面積與反應(yīng)器容積之比，可通過(guò)調(diào)節(jié)載體膨脹率提高光的透射率。與固定床的比較研究表明[15,16]，流化床比固定床能更好地實(shí)現(xiàn)反應(yīng)物、催化劑與入射光的充分接觸，提高光催化效率。并且，由于流化床大的改善了污染物與催化劑的傳質(zhì)條件，比固定床更適合于處理較高濃度的有機(jī)廢氣。流化床的這些優(yōu)點(diǎn)已逐漸引起了人們的注意，為使氣固相光催化反應(yīng)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的工業(yè)化應(yīng)用，流化床光反應(yīng)器的研制和開(kāi)發(fā)勢(shì)在必行，國(guó)內(nèi)外已有不少研究人員投入了該項(xiàng)工作，并取得了不菲的成績(jī)。
 

　　3 氣固流化床光催化反應(yīng)器
 

　　氣固流化床光催化反應(yīng)器與其它工業(yè)流化床所不同的是：(1)在反應(yīng)器中安裝有人工紫外光源；(2)流化床中流態(tài)化顆粒表面負(fù)載有二氧化鈦光催化劑(由于粉末二氧化鈦容易粘附聚結(jié)，流態(tài)化性質(zhì)不好，所以常將二氧化鈦負(fù)載在易流態(tài)化的顆粒表面)。根據(jù)流化床的光源內(nèi)置和外置的不同，為使光、氣、固充分接觸，流化床可采用不同的幾何形狀，但目前，氣固流化床光催化反應(yīng)器主要限于實(shí)驗(yàn)室研究，因此多為“二維”流化床的形式。以下是近年來(lái)國(guó)外采用的幾種用于氣固相光催化反應(yīng)研究的流化床類型。
 

　　3.1 平板流化床光反應(yīng)器
 

　　平板流化床光反應(yīng)器采用外置光源，由兩個(gè)透光性能好的平板玻璃或塑料等垂直安裝制成，兩板間有一小間隔(一般為幾個(gè)毫米)。半導(dǎo)體催化劑負(fù)載于顆粒狀載體表面，裝填于床中，由床層底部的多孔布?xì)獍逯危瑫r(shí)混合有反應(yīng)物的氣流經(jīng)布?xì)獍暹M(jìn)入反應(yīng)器使催化劑顆粒流態(tài)化，紫外光源垂直照射于反應(yīng)面。這種反應(yīng)器較易觀察催化劑顆粒的運(yùn)動(dòng)、氣流路徑和氣泡性質(zhì)，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作容易，在研究中使用較多。
 

　　D. Iatridis[17]等在平板流化床中進(jìn)行了光能吸收的研究，分析了透光系數(shù)和反射系數(shù)與反應(yīng)器參數(shù)之間的關(guān)系。該反應(yīng)器用高純度氮?dú)庾鬏d氣，使催化劑顆粒流態(tài)化。采用氙光燈作光源，經(jīng)過(guò)光柵，篩選出波長(zhǎng)為560nm±4nm的光，再通過(guò)透鏡，使光線平行，經(jīng)累計(jì)球，照射于反應(yīng)器，照射面積為3mm×6mm。研究表明，平均透光系數(shù)隨床層膨脹高度和顆粒直徑的平方根的增加而增加，隨床層厚度的增加而減?。幌喾?，平均反射系數(shù)隨床層高度和顆粒直徑的增加而減小。
 

　　Dibble L.A.等[18]采用小試平板流化床進(jìn)行了濕氣流中三氯乙烯(TCE)的光催化氧化研究。TCE的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)化率達(dá)到0.8µmol(TCE).g-1(ca.).min-1,量子效率高達(dá)13%。研究表明，該流化床提供了紫外光、TiO2/SiO2催化劑和氣相反應(yīng)物之間高效、連續(xù)的接觸，并能快速對(duì)進(jìn)氣氣速、反應(yīng)物組分和光子流的改變做出反應(yīng)。
 

　　Satoru Matsuda等[19]采用超細(xì)TiO2顆粒二維流化床光催化處理NOX。反應(yīng)器器壁為2mm的耐熱玻璃，反應(yīng)區(qū)截面為2mm×70mm。擴(kuò)大段高230mm，頂端截面為50mm×70mm，以防止顆粒被氣流攜帶出去。采用1mm的玻璃珠作氣體分布器，UV燈外部照射，為防止紫外光散失，整個(gè)裝置置于一黑箱中。研究所用TiO2顆粒粒徑分別為7,20和200nm，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，催化劑粒徑越小，比表面積越大，粘著力也越大，因此聚團(tuán)流化時(shí)不易破碎。用其處理NOX的研究發(fā)現(xiàn)，NOX的去除與催化劑比表面積成比例，即催化劑粒徑越小，NOX的去除率越高，說(shuō)明了該過(guò)程受反應(yīng)的限制。