隨著我國社會經(jīng)濟的迅速發(fā)展，不可避免地伴隨著大量廢棄物排放，這導致了嚴重的環(huán)境污染和生態(tài)破壞。這些因素正危及我國居民生存安全。另外，調(diào)查表明環(huán)境污染問題也會影響到我國的可持續(xù)性發(fā)展。所以，保護與治理環(huán)境是構(gòu)建環(huán)境友好、和諧社會和實現(xiàn)我國社會經(jīng)濟叮持續(xù)發(fā)展的重要任務。傳統(tǒng)污染物處理方法不能徹底消除降解污染物，也容易造成二次污染，使用范圍窄。僅適合特定的污染物，還伴隨著能耗高，不適合大規(guī)模推廣等缺陷。近些年來，利用光催化技術降解和消除污染物得到人們的廣泛關注。光催化氧化技術是一種集高效節(jié)能、操作簡便、反應條件溫和、同時可減少二次污染等突出特點于一身的一項新的污染治理技術，而且從地球卜物質(zhì)循環(huán)的角度來看，光催化技術可以將大量的有機污染物降解為CO2和H2O．從而被植物利用．形成了循環(huán)，如圖l所示，可以說光催化技術正足人類所急需的一種技術。
光催化技術起源于20世紀70年代．自從日本學者Fujishima和Honda發(fā)現(xiàn)了利用TiO2單晶可將水光催化分解之后。范圍內(nèi)，便開始了光催化氧化技術在污水處理、空氣凈化、抗菌殺毒等方面的應用研究，于是光催化技術受到全的廣泛關注。并得到了快速發(fā)展。如今人們對于光催化技術的研究主要分為對光催化劑的研究(如TiO2、ZnO)和對光催化反應條件的研究，其中。對反應條件的研究中，人們?yōu)榱俗尮獯呋趸磻芊€(wěn)定和高效的進行，會設計出相應的反應器，用來為反應提供良好的平臺，一個設計良好的反應器，將能大大提高反應體系的反應效率，從而達到高效、節(jié)能、穩(wěn)定等目的。
1 光催化反應器的設計依據(jù)
光催化反應器的設計主要目的是為了給光催化氧化反應提供高效和穩(wěn)定的反應空間和環(huán)境。實現(xiàn)光催化過程對光的充分利用，從而提高反應效率。由于光催化反應需要有光子參與，光催化劑才能將光能轉(zhuǎn)化成為化學反應所需的能量，來進行催化降解作用，因而在設計反應器的時候，zui主要的兩個理論依據(jù)就是光的傳輸理論和催化反應動力學理論。光的傳輸以及在光在反應器中的分布直接影響到催化劑對于光的吸收效率。充分均勻的催化劑分散可保證光在傳輸途中浪費少，這樣催化劑對光的利用效率高，反之將會有較多催化劑由于得不到或者只接受到很少的光照而不能充分的進行光催化氧化反應。
2 國內(nèi)外光催化反應器的發(fā)展
早期的光催化研究大多是在一些很隨意的反應條件下進行的。比如在液相光催化反應中，催化劑與污染物溶液混合時，一般的實驗過程都是人工用玻璃棒進行攪拌。由于人為誤差的因素難以避免，會對結(jié)果的準確性和再現(xiàn)性產(chǎn)生較大影響。為了滿足對光催化反應器準確、穩(wěn)定和高效的要求，反應器的設計也在不斷的變化。一個設計較好的反應器，不儀可以提高光催化反應的效率，而且可以將其大規(guī)?；？筛咝Х€(wěn)定的進行光催化作業(yè)，從而實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。到目前為止，有一些類型的反應器已經(jīng)用于諸如污水和空氣處理的工業(yè)化應用。
2.1 流動床光催化反應器
流動床光催化反應器是將催化劑與待降解物質(zhì)直接混合的一種反應器。一直以來，人們都在為滿足不同的光催化反應要求，設計不同的反應器。應用zui多的兒種類型的反應器包括橢圓型、底燈型和柱型，如圖2所示。這幾種反應器的特點是不僅效率較高，制作難度低。而且可以用于大多數(shù)的反應類型，可以同時滿足液相和氣相兩種類型的光催化反應，因而得到了廣泛的應用。
橢圓型反應器(圖2(a)所示)是將燈管和反應區(qū)分別放在橢圓的2個焦點上，這樣可以很好的將燈管所發(fā)出的光集中在反應區(qū)內(nèi)，減少了光的浪費，提高了整體的效率。雖然反應器中的反應區(qū)在橢圓型焦點上，但是這不表示燈管所發(fā)出的光線都能達到反應器，而且這種類型的反應器．光的傳輸路程較長，這樣就增加了光在傳輸過程中的損失，并且反應區(qū)域內(nèi)光的分布不均勻。底燈型反應器(圖2(b)所示)是對橢圓型反應器的改進，它的光源位于拋物線的焦點上，但是光源的光線并不是聚焦在另一個焦點，而是從下往上射人反應區(qū)，光進入了反應區(qū)域后就不會再被反射回來。更大程度的利用了光源。柱型反應器是現(xiàn)在比較成熟的類型，一般可分為中燈外反應區(qū)(圖2(c)所示)和中反應區(qū)外燈(圖2(d)所示)2種。柱型反應器有著較高的光利用率和良好的對稱性(可使光在反應區(qū)內(nèi)均勻的分布，減少局部差異)。一些發(fā)達園家，這兩種反應器已經(jīng)用來處理污水，在這2種反應器中．光從光源發(fā)出來后，基本上都會通過反應區(qū)。特別是中燈外反應區(qū)這樣的反應器．光的利用率幾乎可以達到zui大。在光源的光照強度合適的情況下，甚至可以不需要反射壁。都可以達到光的zui大利用率。而且這種柱型的反應器制造難度小，成本低。適合大規(guī)模的生產(chǎn)和運用。因此現(xiàn)在的大多數(shù)針對反應器的研究，也是以柱型為模型來進行的。
2.2 固定床光催化反應器
在近年來，人們將催化劑固定在一些載體表面來進行催化反應．即固定床反應器，這樣避免了光催化劑的分離問題。固定床與傳統(tǒng)的流動床的區(qū)別在于，催化劑不隨液體或者氣體一起流動．而是固定在玻璃或者其它介質(zhì)表面，污染物流經(jīng)其表面來進行反應。這樣一來，人們就可能更的了解催化劑的性質(zhì)，并易于控制催化反應的進行，也易于催化劑和反應物的分離。基于這種思路，人們設計了一些新型的光催化反應器，其中效果比較好的是平
板型和噴泉型，如圖3所示。
平板型的反應器是將催化劑固定在平板上，在光照的條件下．將污染物液體或者氣體緩慢的通過催化劑表面降解，屬于層流型反應器。這種反應器的好處在于制造簡單，待降解物經(jīng)過催化劑的時候光照時間和光照強度基本一致，并很容易控制流動速度。當流速放慢的時候可提高反應物的降解程度。但是所需時問也就相應增加；當加快流速的時候雖然降解的程度不如流速慢的情況．但是所需時間較少。這種平板反應器可以根據(jù)不同的降解需求。調(diào)整流速，達到相應的效果。平板型的反應器還有另一個其他反應器不具備優(yōu)點，由于催化劑是固定在平板上的。不會隨著待降解物的流動而流動，也就省去了后續(xù)催化劑分離的步驟。但是也由于催化劑固定的原因，在降解一定時間后，催化劑的催化效率會降低，而更換催化劑比較困難，并且光的損失也比較嚴重。因為光源發(fā)出的光zui多只有50％被利用．即使加裝了反射壁．也會有大量的光損失掉。鑒于平板型反應器的造價低．易于控制的優(yōu)點，很多實驗室都運用平板反應器來進行一系列的光催化研究。
噴泉型反應器是近幾年由Puma和Yueu等人提出的，此類反應器與平板型反應器大致相同，將催化劑固定在斜面上，在頂部固定光源，將待降解物斜面中心的噴嘴噴出，然后在重力作用下流經(jīng)催化劑從而得到降解。此種反應器主要是用于研究催化劑的反應效率．由于結(jié)構(gòu)相對比較復雜，所以應用也較少。還有很多種新型的反應器．比如球型反應器．這種反應器在理論上能達到非常高的光利用率，并且無論是光的分布。還是污染物的分布．還有催化劑的分布都能達到非常高的均勻性和穩(wěn)定性．反應效率也是非常理想的，但是制作非常的困難．所以現(xiàn)在這種球型的反應器并不常見，是一種理想化的反應器。
3 結(jié)語
隨光催化技術的提高，光催化反應器也在被不斷的改進和優(yōu)化．越來越受到人們的重視．特別是光催化技術實現(xiàn)工業(yè)化后，反應器的設計需要進行系統(tǒng)的優(yōu)化沒計才能使光催化反應效率達到zui優(yōu)值，一個設計優(yōu)良的反應器，不僅可以提高反應效率，還能減少對能源和原材料的浪費．提高經(jīng)濟效益。
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