一种用于光催化和酶催化连用反应研究的装置

摘要

本发明公开了一种用于光催化和酶催化连用反应研究的装置，装置包括分隔为光催化反应室、酶催化反应室和混合室的立方形反应器、可替换截止滤光片、氙灯光源、粉末光催化剂托盘、酶膜固定器和配套的蠕动泵及塑料管线。本发明主要用于光催化剂和酶催化剂的连用催化活性评价，降解有机污染物动力学研究。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于光催化和酶催化连用反应研究的平推流反应器，主要用于光催化和酶催化连用活性测试，降解机理和动力学因素的考察。

背景技术

氯酚(Chlorophenol)是一种在生产生活中广泛使用的木材防腐剂、杀虫剂、除草剂、农药、燃料和增塑剂。已知研究证明，氯酚类化合物对人体及自然界中野生动物具有致基因性毒害、致畸、致癌作用的潜在风险，同时氯酚于生物体内代谢转化，进而生成多种代谢物，导致其毒性难以控制和确定。世界多国已把氯酚列为水中优先控制污染物。如何消除环境中氯酚类化合物的污染成为受到广泛重视的严重问题。目前常见的控制手段包括有化学法、吸附法、生物法等。光催化技术和酶催化技术是其中两种较为成熟的方法。但光催化和酶催化技术均存在一定的技术缺陷，目前尚无法实际应用。

漆酶(Laccase)是一种含铜多酚氧化酶，能够对包括酚类化合物催化聚合，还能直接对氯酚脱氯，从而达到清除氯酚污染的目的。漆酶去除氯酚类污染物效率高、操作简单、适用范围广。然而，由于酶催化的固有缺陷，漆酶催化处理氯酚存在酶活性不稳定、易于失活、干扰因素多等不足之处。特别是漆酶对五氯酚的降解效率低是酶催化的固有缺陷，难以克服。

自1972年Fujishma等人发现受辐射后的TiO₂电极上能发生水的持续氧化还原反应以来，以TiO₂为代表的半导体光催化材料引起了人们的广泛关注。作为环境友好的催化新技术，光催化为人类治理环境开辟了一条行之有效的途径。

光催化可产生活性氢氧自由基(·OH)和超氧阴离子自由基(·O₂^-)，起到矿化降解环境污染物和抑菌杀菌的作用。是最具有开发前景的绿色环保催化技术之一。但光催化对光源特别是紫外光源有很强的依赖性。因此无法回避其降解过程的能耗和经济性问题。

将二者连用可望克服上述缺陷，其优点在于：

1)可保证处理设施在有光无光条件下的连续运行；

2)提高漆酶对五氯酚的降解效率；

3)强化酶催化反应的抗干扰能力；

4)可为后续反应提供较为温和的中间产物环境，可使氯酚去除更为干净彻底；

5)缩短反应时间，提高经济效益。

但如何匹配光酶催化的催化效力，使二者能协调工作，发挥最大效能，则需要对光-酶连用反应器进行重新设计。催化反应器作为反应的主体设备，直接决定了催化反应的时空收率。因为反应器的材料、几何形状、光源设置等很多因素决定了催化剂活性的发挥和对能源的利用等情况。所以，如何提高对催化剂利用率及使催化剂活性、稳定性得到最大发挥已成为反应器研制和开发的中心，也是环境水处理研究的重点之一。

其次，对光酶连用催化反应的催化活性没有统一的评价标准和规范，设计统一的标准可以使评价方法规范化，减少了科技工作者的工作量，促进水处理技术发展，因此，亟待开发高效合理的光-酶连用催化反应器。

发明内容

本发明装置的目的在于实现上述要求，提供一种结构简单，操作方便，能以相对固定的形式评价各种光催化剂和酶催化的连用活性的平推流反应器。

本发明装置通过以下方案实现：

一种用于光催化和酶催化连用反应研究的装置，包括分隔成光催化反应室1、酶催化反应室2和混合室3的立方形反应器、可替换截止滤光片4、氙灯光源5、粉末光催化剂托盘6、酶膜固定器7和配套的蠕动泵8及塑料管线。中央隔板将光催化反应室1和酶催化反应室2隔开，两者通过混合室3上的开孔连通。光催化反应室1和酶催化反应室2均设有前后开孔，根据实验需要作为进水口或出水口。光催化反应室顶部放置氙灯光源，上部的抽拉凹槽用于放置平板玻璃或者截止滤光片，以获得定波长范围的可见光；光催化剂托盘盛装粉末状光催化剂后平置于光催化反应室内；酶催化活性膜用酶膜固定器固定后同样平置于酶催化反应室；混合室上开口用于插入温度传感器(例如，玻璃温度计)对反应温度进行监控；塑料管线将蠕动泵连接于混合室、光催化反应室、酶催化反应室的接口，视实验需要起到输送物料或采样之作用。

所述的立方形反应器为聚四氟乙烯材质；

所述的截止滤光片为市售型号，可滤去氙灯光中含量较多的紫外光成分；

所述的氙灯光源为市售型号，管状，功率1000W，波长范围为200～1900nm。

该装置采用颗粒状光催化剂和膜固定化的酶催化剂；反应时，反应液流经光催化反应室或酶催化反应室，进入酶催化反应室或光催化反应室，经过二级净化，经净化后出系统。

本发明的优点在于：

1)通过隔板分隔开光催化和酶催化反应室，以防止紫外光对酶的破坏作用；

2)可以实现光催化反应和酶催化反应的先后或同时反应，有利于反应机理的研究；

3)光催化剂托盘的设计，节省了催化剂固定步骤，使光催化反应可在一定的流率范围内保持稳

定，避免粉末被夹带出反应室。

附图说明

图1为本发明用于光酶连用催化反应研究的平推流反应器组件图；其中，图1a为反应器主体(包括光催化室、酶催化室和混合室)；图1b为光催化剂托盘；图1c为酶膜固定器。

图2为用于光酶连用催化反应研究的平推流反应器装配示意图；

其中，光催化反应室1、酶催化反应室2和混合室3的立方形反应器、可替换截止滤光片4、氙灯光源5、粉末光催化剂托盘6、酶膜固定器7和配套的蠕动泵8、温度计9、混水阀10及塑料管线。

图3为该反应器采取先进行酶催化处理，后进行光催化处理时，128小时内2，4-二氯酚和五氯酚混合液的去除率变化；

其中，PCP为五氯酚，DCP为2，4-二氯酚；实心点曲线代表第一步(酶)反应，空心点代表第二步(光)反应；

图4为该反应器采取先进行光催化处理，后进行酶催化处理时，128小时内2，4-二氯酚和五氯酚混合液的去除率变化；

其中，PCP为五氯酚，DCP为2，4-二氯酚；实心点曲线代表第一步(光)反应，空心点代表第二步(酶)反应，空心圆点代表TOC(总有机碳)去除率。

具体实施方式

本发明为用于光催化和酶催化复合催化反应研究的新型装置，包括分隔成光催化反应室1、酶催化反应室2和混合室3的立方形反应器、可替换截止滤光片4、氙灯光源5、粉末光催化剂托盘6、酶膜固定器7和配套的蠕动泵8及塑料管线。

所述的立方形反应器为聚四氟乙烯材质，长宽高为350×100×100mm，光催化室尺寸为300×90×45mm；酶催化室尺寸为300×90×35mm；混合室尺寸为35×90×90mm。

所述的蠕动泵采用兰格公司生产的WT600-1F型蠕动泵，具有分配和流量功能，可以安装多种型号的泵头，能够分配0.1mL～99.9L的液量，能够提供0.7mL～6000mL/min的流量范围；

所述的氙灯光源采用天脉恒辉公司生产的XG1000型氙光灯，管状，长200mm，直径Φ10mm，波长范围为190nm～190nm；

所述的光催化剂托盘为不锈钢材质，295×85×5mm，上表面平行分布23个80×10mm大小，深3mm的凹槽。

所述的酶膜固定器为90°多层折角不锈钢架，可固定面积大小为80×400mm的酶膜。

光催化剂采取粉末形式的负载钛的氧化铋可见光催化剂，在光照下，该催化剂可催化氧化氯酚类等有机污染物，其反应产物为低氯代酚、苯酚、小分子酸、醇、酮等；固定化酶催化剂膜采用无纺布以交联法固定化漆酶，以酶膜固定器固定于酶催化室内部，与光催化反应同时进行，其产物为氯酚二聚体、寡聚体和高聚物。定时采样，根据氯酚浓度对时间的曲线，进行动力学研究计算。评价光催化剂和酶催化剂的连用催化活性。

在采用固定化漆酶量为总比活力相当于5mg游离漆酶的酶膜，光催化剂用量为0.5g的情况下，在本发明所述反应器中对浓度为五氯酚(PCP)5mg/L，2，4-二氯酚(DCP)5mg/L的500mL模拟废水进行处理。

当处理过程采用先进酶催化反应室，后进光催化反应室的处理流程时，关闭两室前置混水阀，酶催化反应室入口接蠕动泵，控制流速2mL/min，氯酚水溶液先流经酶催化反应室，经混合室进入光催化反应室。光催化反应室上表面覆盖截止波长为420nm的滤光片，光催化剂均匀散布在光催化剂托盘上。氯酚水溶液流经光催化反应室，并在氙灯照射下催化降解。反应128小时，反应器出水浓度为五氯酚0.12mg/L，2，4-二氯酚0.85mg/L。

当处理过程采用先进光催化反应室，后进酶催化反应室的处理流程时，关闭两室前置混水阀，光催化反应室入口接蠕动泵，控制流速2mL/min，氯酚水溶液先流经光催化反应室，经混合室进入酶催化反应室。反应128小时，反应器出水浓度为五氯酚0.012mg/L，2，4-二氯酚0.048mg/L；由此可见，先光后酶的处理流程优于先酶后光，二者连用可有效弥补两种水处理技术的目标物选择性缺陷，达到更好的对氯酚类污染物的去除效果。同时，在128小时内，光酶催化剂均未出现显著的性能下降，证明该设备有利于催化剂活性的保持。