光催化氧化反應器設計綜述

摘要：文章通過廢水中有機物的降解問題引出光催化氧化降解有機物技術，再從技術問題引入更深層次的問題即如何提高降解效率，進而引出本文主題—光催化氧化反應器設計。文章詳細敘述了反應器的結構形式及幾種不同類型反應器的優點和缺陷，以及研究現狀。 關鍵詞：光催化氧化；反應器 ；光催化反應器，JTONE

隨著經濟的發展，大量工業廢水、生活污水有機污染物的超標排放，造成了水體環境嚴重富營養化問題，目前很多地方的治理只注重對有毒重金屬的處理，而忽略了有機污染物潛在的危害性，廢水中大量的有機污染物。富含洗滌劑（LAS）、COD、BOD、含氮、磷等的有機物的污水本身具有一定的毒性，對動植物和人體有慢性毒害作用，還會引起水中傳氧速率降低，使水體自凈受阻，從而使水體變色發臭。所以對廢水中的有機物進行處理是非常必要的。光催化氧化分解有機污染物是當今*的zui前沿zui有效的處理技術，光催化氧化反應器成功的解決了光催化氧化技術的工業化運用難題，所采用光催化氧化技術，廢水有機污染物分解后的產物為水、二氧化碳及無害的無機鹽，從根本上解決了有機污染問題。        

目前, 用金屬氧化物半導體作催化劑進行光催化氧化降解有機污染物的研究, 已引起了國內外眾多學者的關注[1] 。為了提高光催化氧化反應效率，光催化氧化反應器是*的。應用光催化氧化反應器可進行化學氧化、光氧化、光化學氧化、光催化氧化和光化學催化氧化等多種類型氧化反應, 并可進行多種組合試驗, 為環境科研、環境工程提供試驗設備, 亦可為高等院校師生提供教學試驗設備。光催化氧化反應器的設計遠比傳統的化學反應器復雜,除了涉及質量傳遞與混合、反應物與催化劑的接觸、流動方式、反應動力學、催化劑的安裝、溫度控制等問題外,還必須考慮光輻射這一重要因素。目前已有多種形式的光催化氧化反應器應用于光降解的研究及實際廢水的處理,并取得了一些成果,但同時也暴露出許多問題,為此有許多人從不同的角度對如何提高光催化氧化反應器的效能及實用性開展了大量的工作[2]。 

1    光催化氧化反應器的結構形式  催化劑以兩種形式存在于反應器中:一是光催化劑顆粒分散于整個反應器系統中,二是光催化劑顆粒固定在載體上(如反應器壁或尼龍絲網等) ,據此可將相應的反應器形式稱為懸浮式和固定式。 

懸浮式是TiO2粉末直接與廢水混合組成懸浮體系。優點是結構簡單，能充分利用催化劑活性[3]。缺點是存在固液分離問題，無法連續使用；易流失；懸浮粒子阻擋光輻射深度， TiO2 =0.5mg/m3左右，反應速度達到極限[4]。 固定式是TiO2粉末噴涂在多孔玻璃、玻璃纖維或玻璃板上。優點是TiO2不易流失，可連續使用；缺點是催化劑固定后降低了活性[5]。固定式又分非填充式和填充式兩種。非填充式固定床型：以燒結或沉積法直接將光催化劑沉積在反應器內壁，部分光催化表面積與液相接觸。填充式固定床型：燒結在載體上，然后填充到反應器里，與非填充式固定床型相比，增大了光催化劑與液相接觸面積，克服了懸浮型固液分離問題。 

Geisen 等[6 ]針對典型化合物二氯yi酸(DCA) 的降解分別進行了懸浮式TiO2和固定式TiO2 液膜反應器( Flow-Film Reactor ，FFR) 研究，結果表明：與固定式催化劑反應系統相比，懸浮式系統能夠獲得更高的DCA降解率,達到了固定式系統的3倍，這是因為催化劑的固定限制了傳質和降低了光催化活性。因此，如果能夠通過固/ 液分離技術實現TiO2顆粒與處理水的分離及回收利用,那么懸浮式反應器將比固定式反應器有著明顯的優勢。為此，Xi等[7 ]采用帶有斜板和不帶有斜板的沉淀池及微濾膜繼續進行了懸浮催化劑的分離研究:當進水的催化劑濃度> 5 g/ L、pH 在零電荷點附近時，通過沉淀作用可以對Degussa  P 25 TiO2 實現分離；在沉淀池內添加斜板可以減少沉淀面積，確保出水濃度< 5 mg TiO2/ L ：為進一步降低出水TiO2 濃度,可采用微波技術同時實現TiO2 和病菌的*截留。此外，膜對高分子物質的截留將增加其在光反應器內的濃度，從而獲得較高的反應速率。 

目前，常用的是流化床式。所謂流化床式即負載了TiO2顆粒的載體，在反應器中以懸浮狀態存在。優點為一方面可使催化劑顆粒多方位受到光照，并且在懸浮擾動下可防止催化劑鈍化，提高催化劑利用效率；另一方面也解決了懸漿體系固液分離難的問題。Wooseok等[8 ]采用流化床反應器(FBR) 對甲基橙在弱照射條件下(15 W 低壓水銀燈) 的光催化氧化進行了研究。試驗過程中采用了兩種不同類型的流化床，一種是FBR 的典型類型，另一種是內部帶有導流管的FBR (DTFBR)。試驗結果表明：FRSs 的幾何結構對光催化氧化反應的影響是可以忽略的；反應器內氣體的供給，不但可以用于催化劑顆粒的流化，而且還可以消除光生電子，提高反應效率；pH 值是確定反應速率的一個重要參數，在酸性條件下更有利于甲基橙的降解，反應物的初始濃度越高將會減少光的穿透,從而降低光催化氧化的反應速率；催化劑的負荷存在著一個*量，從而使催化劑的存在不對光的照射產生屏蔽效應。

2    提高DO濃度的反應器  通過向反應器內加入氧化劑以結合顆粒表面過剩的電子，可抑制表面光生電子和空穴的復合，提高光量子利用率。氧化劑中zui易獲得、和zui有效的電子受體就是分子氧，如何提高廢水中的溶解氧量將是光催化反應器設計的關鍵技術之一。 

為了促進有效界面上氧的轉移，Chan等[9 ]設計了一種新型薄膜階梯式光催化反應器(PTFCR)，體現了*混合式和推流式反應器的優點。反應器的設計是采用階梯式的平板排列方式代替單層的平板結構，當反應液從一個平板落到另一個平板時形成了跌水，從而促進了液膜的曝氣,同時紊流作用也加強了液膜內有機污染物向催化劑表面的傳質。在提高液體溶液DO水平的研究中發現，階梯式反應器的運行情況好。楊陽等[10 ] 設計了一種新型的淺槽型填充床光催化反應器，采用不銹鋼曝氣網實現了無動力曝氣，并且在淺槽內交錯地安置擋板，顯著地改善了反應器中的水流狀態，加強了廢水與光催化劑間的傳質，從而提高了光催化反應的效率。此種新型曝氣網聯結多層結構的光催化反應器具有加工簡單、操作容易、工程造價和運轉費用低等特點，易于實現工業化應用。

3     太陽能反應器及聚光系統  利用太陽光作為光源的反應器可設計成平板型，并可設反射面以提高光能的利用率。如薄膜固定床反應器( TFFBR)、雙層板反應器(DSSR) 及拋物線形槽反應器(PTR) 等[11]。按照光源照射方式的不同可將光反應器分為聚光式和非聚光式兩種。聚光式反應器要求具有高光學精密度的反射鏡，費用昂貴，而且設計復雜，并且它僅利用了UV 照射的直射光部分。而非聚光式反應器既利用了UV 照射的直射光又利用了散射光,而且不需要昂貴的反射鏡,結構簡單,因此有著更大的發展潛力。       

復合拋物線形聚光器(CPC)是使反應管的表面不但具有均勻的鏡面反射，而且還具有擴散輻射，因此能夠zui大限度地利用照射在上面的太陽光。Parra 等[12]針對不可生物降解的氯代烴類溶劑(NBCS) 及p - NTS 進行了不同程度聚集太陽光和非聚集太陽光系統的比較。由于較小的照射表面積致使聚集太陽光照射的拋物線形槽反應器(HM) 的活性較低，而CPC 聚光系統的降解速率約是拋物線形聚光器的3 倍。兩個反應器對p - NTS 的去除率為100 % ，但HM 和CPC 反應器所能達到的礦化程度分別為55 %和73 % ,這說明光解過程中中間體的形成及反應動力學等問題取決于反應器的類型。非聚集太陽光照射的CPC 反應器以其低廉的價格、高的反應活性及不需要附加的冷卻步驟以確保*的反應溫度成為當前太陽能利用技術中的方法。 

4     旋轉式光催化反應器和光學纖維束光催化反應器   旋轉式光催化反應器分為轉盤式和圓筒式旋轉光反應器。共同點是反應器主體可以旋轉，同時在旋轉器上形成液膜，解決了固液分離問題。但固定在器壁上的催化劑利用率的且容易鈍化。  

光學纖維束光催化反應器內有1.2 m長的光學纖維束，包含72根1 mm粗的石英光學材料，每根光學纖維表面負載了一層TiO2膜，反應在水表面進行。優點是反應器內光、水、催化劑三相接觸面積大，反應效率高。可通過增加光學纖維數量提高反應器的三相接觸面積，避免了其它反應器所具有的諸如占地面積大、有效反應體積小等缺點。但光學纖維及其輔助設備造價太高，限制該反應器的推廣應用。

5      反應器的設計  以層流降膜(L FFF) 懸濁液光催化氧化反應器為例[11]，設計步驟如下： 

① 燈的選擇：燈源必須能夠提供具有半導體帶隙能的光子,TiO2 的帶隙能是3. 2 eV ，可以用發射380 nm 波長或者較短波長的燈作為輻射源。“黑光"燈管的內壁覆蓋有鈰激活的Ca3 ( PO4) 2 ，該燈能發射300～410 nm 連續的寬波帶的光,并在355 nm 處有一個峰值,因此L FFF 光催化氧化反應器選用了黑光燈。

② 反應器的幾何形狀及結構：反應器采用與燈同樣的圓筒形狀。液膜沿著帶燈和反應器中心軸的外壁流下，或沿著燈安裝中心軸柱的內表面流過。后者的結構可以不加反射器，使光子的利用*。

③ 反應器尺寸的確定：反應器尺寸對光子吸收率的影響可通過假設一個輻射源模式進行分 析，對于長徑比較大的燈可以用線型輻射源模式。   

盡管各種光催化氧化反應器還存在許多問題，如反應器的光照面積與溶液體積的比率（A/V）是影響處理效果的重要因素；還有A/V值越大，反應速率越快，導致占地面積增加或水力負荷減小。但只要不斷研發相關的新技術、新材料，廉價大型反應器將會很快問世。

光催化氧化反應器設計綜述參考資料：杭州聚同電子有限公司