环境课件】3 光催化氧化和反应器.ppt

光催化氧化 一、概述 在大多数情况下，光子的能量不一定刚好与分子的基态与激发态之间能量差值相匹配，在这种情况下，反应物分子不能直接受光激发，因此在某种程度上光催化氧化反应具有更大的利用价值。 光催化氧化：均相光催化氧化 非均相光催化氧化 二、均相光催化氧化——光助Fenton Fenton试剂发展（Fe2+/H2O2） 1894年，Fenton用于有机合成氧化苹果酸 1964年，Eisenhouser将其用于处理苯酚及烷基苯 1993年，Ruppert将紫外光照射引入Fenton处理4-CP，形成光助Fenton技术。 其后，在处理有机废水上得到应用。 二、均相光催化氧化 二、均相光催化氧化 有机物浓度的影响 亚铁离子浓度的影响 过氧化氢浓度的影响 不同载气的影响 pH值的影响——初始反应控制在6.0以下 温度的影响 反应时间的影响 光强的影响 二、均相光催化氧化 二、均相光催化氧化 三、多相光催化氧化——发展史 三、多相光催化氧化——材料分类 三、多相光催化氧化 三、多相光催化氧化 三、多相光催化氧化 三、多相光催化氧化——光催化剂TiO2 三、多相光催化氧化——光催化剂TiO2 三、多相光催化氧化——光催化剂TiO2 三、多相光催化氧化——光催化剂TiO2 光催化反应器 光催化反应器的分类 光源不同 流态不同 聚光与否 旋转式 光学纤维束 一、光源的不同 紫外灯光：用于实验室研究，寿命短，易被废水中粒子吸收紫外线，如汞灯、氙灯 太阳光：节能，但太阳能的利用率低 二、流态不同 悬浮型 固定型（非填充式和填充式） 流化床 悬浮型 悬浮型：TiO2粉末直接与废水混合组成悬浮体系。 优点：结构简单，能充分利用催化剂活性； 缺点： 存在固液分离问题，无法连续使用 易流失 悬浮粒子阻挡光辐射深度， TiO2 =0.5mg/m3左右，反应速度达到极限。 固定型 固定型：TiO2粉末喷涂在多孔玻璃、玻璃纤维或玻璃板上。 优点： TiO2不易流失，可连续使用. 缺点：催化剂固定后降低了活性. 非填充式固定床型：以烧结或沉积法直接将光催化剂沉积在反应器内壁，部分光催化表面积与液相接触。 填充式固定床型：烧结在载体上，然后填充到反应器里，与非填充式固定床型相比，增大了光催化剂与液相接触面积，克服了悬浮型固液分离问题。 流化床 负载了TiO2颗粒的载体，在反应器中以悬浮状态存在， 优点： 一方面可使催化剂颗粒多方位受到光照，并且在悬浮扰动下可防止催化剂钝化，提高催化剂利用效率； 另一方面也解决了悬浆体系固液分离难的问题。 三、聚光不同 聚焦型 非聚光型 双薄层反应器 平板式反应器 浅池型光反应器 聚焦型 利用抛物槽镜，将能透过紫外光线的玻璃管置于槽镜的焦线上，使催化剂TiO2与废水混合通过玻璃管时发生光化学反应。（悬浮型和固定型） 优点：使日光光强度数十倍增加，从而使能量高的紫外辐射显著提高。 缺点：不能利用散射光能；量子效率较低；价格昂贵，不易推广。 优点：反应器污水以湍流形式在通道中循环流动，粉末悬浮流速可达0.57m/s，水力条件好，催化剂分布均匀，不易沉淀。还能同时利用太阳光的直射和散射部分，具有较高光效率。 缺点：催化剂的固液分离问题 四、旋转式光催化反应器 转盘式 圆筒式旋转光反应器 转盘式光催化反应器 负载在陶瓷球上的TiO2催化剂粘在圆盘的两面，圆盘一半浸在水中，另一半暴露于空气中。当圆盘旋转时，会带起一部分溶液并在圆盘上半部分形成液膜，这样在催化剂和紫外光的共同作用下，便发生化学反应。 圆筒式旋转式光催化反应器 催化剂负载在圆筒内壁，光源置于圆筒中间，溶液经由导管进入反应器，并在旋转的圆筒内壁形成液膜，发生光化学反应。 四、旋转式光催化反应器 转盘式 圆筒式旋转光反应器 五、光学纤维束光催化反应器 反应器内有1.2m长的光学纤维束，包含72根1mm粗的石英光学材料，每根光学纤维表面负载了一层TiO2膜，反应在水表面进行。 优点：反应器内光、水、催化剂三相接触面积大，反应效率高。可通过增加光学纤维数量提高反应器的三相接触面积，避免了其它反应器所具有的诸如占地面积大、有效反应体积小等缺点。 缺点：光学纤维及其辅助设备造价太高，限制该反应器的推广应用。 多相光催化氧化存在的问题 催化剂方面 反应器方面 光系统 一、催化剂方面存在问题 悬浮型：存在固液分离问题 负载型： 催化剂单位体积的表面积较低，阻碍了质量传递的进行。 催化剂易钝化 由于载体介质对光的吸收和散射，导致光能量的不足。 共同存在问题：光吸收波长范围窄，光量子效率低。 二、光反应器方面存在问题 反应器的光照面积与溶液体积的比率（A/V）是影响处理效果的重要因素。 A/V值越大，反应速率越快，导致占地面积增加或水力