2014光催化反应器毕业论文

目录摘要..............................................................1引言...............................................................11光催化污水处理反应器的结构特点和工程化设计要求....................11.1光催化反应器的结构特点.....................................21.2光催化反应器工程化设计要求.................................22光催化污水处理反应器的发展概况....................................22.1光催化技术的起源...........................................22.2光催化污水处理反应器的发展.................................32.2.1小试型实验室反应器..................................32.2.2应用型光催化反应器的发展............................42.2.2.1聚焦型反应器.................................42.2.2.2非聚焦型反应器...............................42.2.2.3复合抛物面反应器.............................53现代光催化反应器及改善反应器性能的研究方法与途径..................63.1光催化反应器上辅助其它污水处理技术.........................73.1.1在固定床反应器上的辅助生物处理技术..................73.1.2与悬浮型和流化床型反应器的辅助膜分离技术............83.2结合对光催化剂的改性探索来改善光催化反应器的性能...........93.2.1光催化剂的改性......................................93.2.2新型光催化剂的探索.................................103.3对反应器结构设计上的新认识................................104光催化污水处理反应器的研究进展...................................114.1光催化反应器工程化的所面临的困难..........................114.2光催化反应器的发展前景....................................125结论与展望.......................................................12参考文献...........................................................13英文摘要...........................................................17致谢.............................................................18天水师范学院毕业论文1太阳能降解水相有机污染物反应器的研究刘得威（天水师范学院生命科学与化学学院甘肃天水741000）摘要：概述了近年来处理工业污水的光催化反应器的研究进展，并对各种改善光催化反应器性能的方法与途径的研究现状进行了介绍。分析了光催化反应器工程化所面临的问题，提出了太阳能降解水相有机污染物的光催化反应器的研究方向和未来发展趋势。关键词：太阳能；降解；污水处理；光催化反应器；研究进展引言据统计[1]，2001年中国的污水排放量为428.4亿吨，到2010年这一数字已经达到617.3亿吨，平均每年大约增加18.9亿吨。如此大的污染水体，若使用目前的一些处理技术（膜分离、氧化技术、生物处理等[2]），处理既不彻底还会造成能源的新浪费，而这些技术背后的巨大成本也使得一些行业望之却步。太阳能光催化氧化技术，凭借其利用廉价的太阳光，来催化污染水体产生羟基自由基，进而去氧化降解一些有机物质。因为此技术能耗低、环保无污染等优势，吸引了众多的研究者。目前，人们对于光催化技术的应用关键——光催化反应器，提出了越来越多的构想：在化工行业，Dionysiou等[3]曾采用转盘式液膜反应器来对苯酚、氯化酚、林丹等有机溶液进行降解；在医药行业，Molinari等[4]运用外置式光催化膜反应器降解了医药废水中的利尿磺胺、安替比林等7种有害药物，杨武等[5]也采用内循环管式光催化反应器去降解喹啉；在农药行业，殷晓梅等[6]通过对乙酰甲胺磷农药的对比处理后，发现内照式反应器在此应用上性能更优；在染料行业，吴忠杰等[7]应用自制镍网负载纳米TiO2光催化反应器对酸性品红脱色处理。本文就将这些最新的研究进展进行汇总，并进一步探讨工程化进展的可行性和急需解决的问题，给今后的研究工作提供一些参考。1光催化污水处理反应器的结构特点和工程化设计要求天水师范学院毕业论文21.1光催化反应器的结构特点有许多太阳能光催化反应器的结构，本文主要从催化剂的存在，考虑两种类型的反应器的特点。一类是固定式太阳能光催化反应器，这类反应器主要特点就是在反应器内壁、光源壳体外壁或某一载体表面负载上光催化剂，再通过处理液与这些壁面的接触来降解污染物质，此反应器的结构优势是可有效的避免光催化剂的流失；另一类是悬浮式太阳能光催化反应器，此反应器典型特点是催化剂悬浮于反应器的处理液当中，通过太阳能催化降解处理，此结构的优势是催化剂与处理液充分接触，提高降解效率。1.2光催化反应器工程化设计要求太阳能光催化反应器工程化设计的要求有：（1）反应器必须结构简单，易于工程化放大。这是对光催化反应器的基本设计要求。目前，一些研究者设计的反应器在污水处理上的效果、处理量也较为不错，但由于其结构的复杂不利于工程化放大，所以尚未被各个污水处理行业所认可。（2）光催化反应器在技术和经济上同时可行。工程化以达到工业应用为目的，所以在工业上的光催化反应器必须在技术成熟的前提下降低成本，使其与其它处理技术相比有经济上的优势。（3）处理量大且降解率受环境影响较小。光催化反应器的工程化就是要将其应用于大面积的污水处理领域，所以它的设计中就必须考虑到适用于大批量的处理液。又因为实际的污水处理当中，污水的成份、浓度、温度等都在处理过程中发生着变化，所以光催化反应器的工程化设计中要求反应器的适应性要强。2光催化污水处理反应器的发展概况反应器是伴随技术的应用型装置，是一种技术走向工程化的关键步骤。而光催化污水处理反应器就是配合光催化技术实现其应用价值的一种装置，其发展与光催化技术的发展密切相关，但也与工程技术的发展密不可分。2.1光催化技术的起源早在1972年，Fujishima等[8]就发现利用半导体TiO2单晶电极能通过光催化分解水，这由此成为光催化技术的开端。而后的1976年，Carey等[9]又报道了在天水师范学院毕业论文3水相中成功的利用TiO2光催化氧化法对多氯联苯脱氯，至此，光催化技术在环境保护领域中的应用被打开。接着在1977年Frank等[10]将半导体材料用于光催化降解污染物，得到很好的效果。在之后的几十年里，光催化研究工作者在此基础上相继对大多数难降解有机物进行了研究，其对象涉及烃、多环芳香烃、酚类、染料、表面活性剂、农药和其他有机化合物[11]。2.2光催化污水处理反应器的发展2.2.1小试型实验室反应器伴随着光催化氧化这种新型氧化技术的发展，最先出现的光催化污水处理反应器为实验室中自制的小型光催化反应器，在其之后的不断改进和发展中,逐渐形成了以下四种较为典型的反应器形式（如图1所示[6]）:a.外照式反应器，b.内照式反应器，c.八位反应器，d.环光源反应器如图1中a图的外照式反应器，它通过固定光源向反应器内部持续照射，由体系内的半导体催化剂来发生反应，促使体系产生羟基自由基，再通过其发生氧化还原反应来降解，但此体系必须保证良好的透光性，否则降解效率很难达到。而在图1中b图内照式反应器中，透光性问题明显得以改善，但此体系的降解是静态过程，反应液不流动，故内部不能批量处理流动的液体，致使处理效率低，天水师范学院毕业论文4很难去进行工程放大处理。而在图1中c图八位反应器和图1中d图环光源反应器中，各种状况较前两种有很大改善，但也仍有不少需要被改进的方面，像八位反应器的反应体系中有死角，光线不能到达这些地方；而对环光源反应器来说，因其灯光布局的特点，反应体系只能受到照向它的光，这样反应体系既会造成光能的大量浪费，也会影响反应的转化。对于这些初级的实验室反应器而言，它们可以被用于测试处理效果和动力学研究，而在工业放大上的应用，由于其自身设计的简易化很难被应用。下面就适合于工业应用型反应器的发展作一简述。2.2.2应用型光催化反应器的发展2.2.2.1聚焦型反应器抛物面槽型反应器（PTR）是最早的太阳能光催化废水处理反应器[12]。它是在线聚焦抛物面槽型聚能器（PTC）的基础上发展而来[13]。由于太阳光的变化，PTR建立跟踪装置跟踪，抛物槽焦线反应管将直射光聚合在上面，如图2所示。经过研究者们后续的研究发展，PTR形成了单轴跟踪光催化反应器和双轴跟踪反应器两种不同的形式。图2PTR截面反射示意图3平板型反应器2.2.2.2非聚焦型反应器由于PTR仅限于晴天使用，使用条件较为局限，所以，一些研究者又设计出了一类可在阴天使用的非聚焦型反应器，此类反应器既可聚集直射紫外光，又能接收散射的紫外光，其适用性能优于聚焦型反应器。下面将此类反应器最初的两种作一简述：天水师范学院毕业论文5（1）平板型反应器（如图3所示）。对一般平板反应器改进设计出使催化剂悬浮的细流平板反应器（TDFPR）[14]，此反应器用一层玻璃纤维网覆盖在平板上，使表面波的产生得到阻碍，促使处理液更加均匀的分布。但又由于在TDFPR处理废水后，悬浮体系中的催化剂不利于分离，对催化剂浪费较为严重。所以，研究者们在玻璃纤维网上负载了TiO2，通过对TDFPR设计思路的分析，制成薄膜固定床反应器（TFFBR）[15,16]，经实验发现，不管晴天还是阴天，此种反应器应用处理效果都很好，只因其对透光性要求高而致使水力负荷较低，故也很难被应用在工业化的废水处理中。基于以上反应器的各种缺陷，又有人设计出一种新型非聚焦平板型反应器——双薄层反应器（DSSR）[16,17],它是用有机玻璃制成的透明反应器，具有较高的光解效率。（2）浅池型反应器[18]。浅池型反应器也有悬浮与负载之分。浅池型负载反应器（如图4所示）是在玻璃纤维网上负载TiO2光催化剂并将其浸没在水面下，因与平板型反应器相比有着较大的处理量，故更有机会被运用于废水处理行业。对浅池型反应器而言，无论TiO2催化剂状态怎样，浅池的深度都受到透光性制约。增大光照面积是进一步提高反应器处理量的唯一办法，而这又会使得浅池面积过大、成本过高。图4浅池型负载反应器2.2.2.3复合抛物面反应器复合抛物面反应器（CPCR）[19]。以上的两类反应器都有其各自的优缺点，研究者通过结合聚焦型的高效性和非聚焦型的可在阴天应用性设计成了复合抛物面反应器。CPCR可将激光角范围的所有直射和散射光均匀地反射在反应管的圆周上[20]（如图5所示）。与以上三类相比，CPCR的聚光度较高，反应体积一天水师范学院毕业论文6样的情况下，它的光照面积最少。图5CPCR的截面反射示意目前，随着一些工程技术的成熟和应用，反应器的发展步入了更高速的发展，像上述三类传统化反应器，早已被改进的反应器所取代，如下表1所示。表1：几种新型光催化反应器反应器应用行业特点三相内循环流化床光催化反应器[21]罗丹明B染