液-固流化床及气-液鼓泡塔光催化微小反应器的研究

摘要

光催化氧化作为一种绿色环保的工业技术，在污水治理和有机合成等领域具有广阔的工业应用前景。但是，高效光催化反应器研究开发的滞后，成为限制光催化氧化技术走向实用化的主要因素之一。本文研制了两种多相光催化反应器，并以亚甲基蓝(MB)为模型物系，考察了两种微小反应器的光催化降解特性。
　　研究开发了床径为1-3mm的液-固微小流化床多相光催化反应器。考察了仅在石英管内表面负载铁离子掺杂二氧化钛催化剂(Fe3+/TiO2/石英管)、仅在玻璃珠外表面负载 Fe3+/TiO2催化剂(Fe3+/TiO2/玻璃珠)、以及在石英管内表面和玻璃珠外表面都负载Fe3+/TiO2催化剂等三种液-固微小流化床光催化反应器的光催化活性。结果表明：与没有加入玻璃珠的Fe3+/TiO2/石英管反应器相比，在Fe3+/TiO2/石英管内加入玻璃珠的液-固微小流化床反应器内(d1=3 mm，初始床高 H0=15 mm)，传质系数增大11-13倍，表观反应速率常数增大4.9倍。在石英管内加入Fe3+/TiO2/玻璃珠的液-固微小流化床内(d1=3 mm，H0=15 mm)，实验结果与动力学模型符合良好。对于不同管径的微小流化床反应器，当流化床液含率(即空隙率)为0.75时，平均光催化反应速率达到最大值。在 Fe3+/TiO2/石英管内加入Fe3+/TiO2/玻璃珠的微小流化床反应器内，其降解率比前两者高5-35％。随着管径的增加，放大效应逐步显现。当玻璃珠的加入量为0 mm(空管)时，1 mm与3 mm管径床的平均反应速率Rav,I值的比值为4.5，这说明随着管径的增大，放大效应比较显著。当玻璃珠的加入量增加到H0=15 mm时，Rav,I的比值下降到1.8，这表明玻璃珠的加入在一定程度上降低了放大效应。在不同的初始床高下，1 mm与3 mm管径床的平均反应速率Rav,II值的比值稳定在1.4-1.9倍。放大效应由辐射通量密度、反应器的比表面积、传质距离和光线穿过距离的变化引起。
　　研制了内径为3 mm的气-液微小鼓泡塔多相光催化反应器,设计的新型气体分布器可以将单个直径为1481μm的大气泡分散成许多个平均直径为432μm的微气泡，气-液两相的比相界面积从57.1 m2 m-3增加到133.5 m2 m-3。总结了草酸铁钾光量计溶液的量子效率随波长的变化规律，提出了分段测量的方法测量辐射通量。采用微分的方法建立辐射模型，得到了被吸收光的辐射通量密度在不同圆心角处的分布。通过拟稳态假设，求出了OH的表面浓度，并建立了表面反应动力学模型，最终通过拟合得到的反应动力学参数kr、kvis和K1。与单相流时的层流相比(ReG=0, ReL=6.36)，具有多个微气泡的气-液两相鼓泡流的传质系数(ReG=0.27, ReL=6.36)增加了10倍左右。随着ReL和ReG的增大，MB在催化剂表面的浓度与液相主体浓度比值的平均值[Cs,MB/CMB]av的值会增加。随着气含率εG的增加，反应速率常数kr显著增加，εG=0.011时的kr值是εG=0时的3倍左右。与无筛网气体分布器相比，有筛网的气体分布器的传质系数增加到2倍， [Cs,MB/CMB]av的值增加了2.25%，反应速率常数kr也增加到2倍。虽然催化剂在可见光下有一定的光催化活性，但是，可见光的量子效率ap和ac比紫外光的要小很多。

目录

声明

第一章 文献综述

1.1 课题研究背景及意义

1.2 几类光催化反应器的国内外研究进展

1.3 上述光催化反应器的优缺点

1.4 多相光催化微小反应器的研究思路

1.5 小结

第二章 光催化液-固微小流化床反应器

2.1 实验材料、试剂及设备

2.2 催化剂的制备及表征

2.3 液-固微小流化床的光催化实验

2.4 Fe3+/TiO2/石英管内加入玻璃珠的微小流化床

2.5 石英管内加入Fe3+/TiO2/玻璃珠的微小流化床

2.6 Fe3+/TiO2/石英管内加入Fe3+/TiO2/玻璃珠的微小流化床

2.7 光催化微小流化床反应器与微反应器和宏观流化床反应器的对比

2.8 小结

第三章 光催化气-液微小鼓泡塔反应器

3.1 实验材料、试剂及设备

3.2 催化剂的制备及表征

3.3 辐射通量的测量

3.4 新型气体分布器

3.5 微小鼓泡塔内微气泡的特征

3.6 微小鼓泡塔的光催化实验

3.7 辐射模型

3.8 反应动力学模型

3.9 微小鼓泡塔光催化反应实验的结果与讨论

3.10 小结

第四章 结论与建议

4.1 结论

4.2 建议

符号说明

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢