电助光催化氧化反应器的类型和设计要点
电化学催化氧化反应器
电化学催化氧化反应器
首先，电极是电化学催化氧化反应器的关键组成部分之一。
通
常使用的电极有阳极和阴极，它们分别承担着氧化和还原反应的作用。
阳极通常使用具有较高氧化活性的材料，如铂、铁、钴等，而
阴极则使用具有较高还原活性的材料，如银、铜、镍等。
其次，电解质在电化学催化氧化反应器中起着离子传递的作用。
它可以是液体、固体或者是气体，常见的电解质有酸、碱、盐等。
电解质的选择要考虑到反应物的性质和反应条件，以保证反应的进
行和离子的传递。
另外，催化剂在电化学催化氧化反应器中起到加速反应速率的
作用。
催化剂可以提高反应物的活性，降低反应的活化能，从而促
进反应的进行。
常见的催化剂有金属催化剂、过渡金属氧化物、贵
金属等。
选择合适的催化剂要考虑到反应物的性质和反应条件，以
达到高效催化的目的。
此外，电化学催化氧化反应器还需要考虑反应条件的控制。
例如，反应温度、电流密度、电解质浓度等因素都会对反应速率和选
择性产生影响。
合理控制这些条件可以提高反应效率和产物纯度。
最后，电化学催化氧化反应器在实际应用中有着广泛的应用。
它可以用于废水处理、电化学合成、能源转换等领域。
通过调节反应器的结构和参数，可以实现不同反应的选择性和高效催化。
总的来说，电化学催化氧化反应器是一种利用电化学原理进行氧化反应的装置，通过合理选择电极、电解质和催化剂，控制反应条件，可以实现高效催化和选择性氧化反应。
3 光催化氧化和反应器
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TiO 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） 。（悬浮型和固定型 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。 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。 缺点：不能利用散射光能；量子效率较低；价格昂贵，不易推广。
三、多相光催化氧化——材料分类
材料分类：根据固体物理的理论，在大量原子或分子结 合成的晶体中，相似能级的电子轨道结合形成能带。一 个能带内的电子轨道能级是连续的，并且如果这个能带 不被充满，电子就很容易在能带内运动。 价带：充满或部分充满价电子的能带（Valence Band VB) 导带：能带在基态时不存在电子的能带（Conduction Bond CB) 禁带：价带顶和导带底的能量差Eg 根据禁带宽度分为：导体——没有禁带 半导体——禁带0.2-4ev （用光激发使价带电子跃迁） 绝缘体——禁带≥5ev
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。
(推荐)10_典型的光催化反应器
典型的光催化反应器光催化是废水净化的一个很有前途的技术，因而引起了国内外的重视，已经有了二十多年的经验积累，在光催化降解有机污染物、光催化剂的改性等方面受到了广泛的关注，有关光催化氧化法在水污染治理方面应用研究的报道很多，而在反应器的设计和选材也有一些相关的报道，但涉及到光反应器应用的报道较少。
在光催化反应中，反应器的材料、结构、形状、光源的几何位置等很多因素对光催化反应速率有很大的影响。
气相光催化反应器的设计有静态配气和动态配气的两种，种类和相关的研究较少，所以下面着重介绍液相光催化反应器的结构、种类和影响因素。
影响光催化反应器效率的因素很多，如光源(光源强度、波段与光照方式)、催化剂性质(催化剂粒径、类型与载体)、废液的外加氧化剂(如O2 ,H2O2,O3等)、待处理废水性质(废液的初始浓度组成、pH值、抑制物含量)、温度、废液的流动力学特征、停留时间等因素对反应器的最佳运行都有影响，反应器的整体设计要综合考虑这些因素。
1.光源用于光催化的光源有电光源和太阳光源。
电光源有高压汞灯、荧光灯、黑光灯、氨灯等。
光源的选择、布置及使用既要考虑效能又必须考虑经济性，因此，在设计光催化反应器时，要综合考虑各方面的影响因素。
过去，更多研究放在电光源上，使用的光波多限于光谱紫外区。
太阳光源是经济又环保的光源，开发出利用太阳能的光催化反应器一直是研究者追求的目标，但是由于在光催化反应中，太阳光的利用率很低，因此这类反应器的成功开发和真正实现工业应用目前还有很大难度，需要解决催化剂改性等许多方面的技术问题。
光源波长、光强及光源几何位置对催化反应有至关重要的影响，一般情况下，光源波长越短，效率越高;在同等波长的条件下，光强越高，效率越高，但并非线性相关的。
一般在低光强时，有机物降解速度与光强呈线性关系，高光强时，降解速度与光强的平方根存在线性关系。
光线的照射方式可分为直接照射和直接一反光结合照射，后者的使用更能充分利用光能。
光催化氧化反应器设计综述
光催化氧化反应器设计综述摘要：文章通过废水中有机物的降解问题引出光催化氧化降解有机物技术，再从技术问题引入更深层次的问题即如何提高降解效率，进而引出本文主题—光催化氧化反应器设计。
文章详细叙述了反应器的结构形式及几种不同类型反应器的优点和缺陷，以及研究现状。
关键词：光催化氧化；反应器随着经济的发展，大量工业废水、生活污水有机污染物的超标排放，造成了水体环境严重富营养化问题，目前很多地方的治理只注重对有毒重金属的处理，而忽略了有机污染物潜在的危害性，废水中大量的有机污染物。
富含洗涤剂（LAS）、COD、BOD、含氮、磷等的有机物的污水本身具有一定的毒性，对动植物和人体有慢性毒害作用，还会引起水中传氧速率降低，使水体自净受阻，从而使水体变色发臭。
所以对废水中的有机物进行处理是非常必要的。
光催化氧化分解有机污染物是当今公认的最前沿最有效的处理技术，光催化氧化反应器成功的解决了光催化氧化技术的工业化运用难题，所采用光催化氧化技术，废水有机污染物分解后的产物为水、二氧化碳及无害的无机盐，从根本上解决了有机污染问题。
目前, 用金属氧化物半导体作催化剂进行光催化氧化降解有机污染物的研究, 已引起了国内外众多学者的关注[1]。
为了提高光催化氧化反应效率，光催化氧化反应器是必不可少的。
应用光催化氧化反应器可进行化学氧化、光氧化、光化学氧化、光催化氧化和光化学催化氧化等多种类型氧化反应, 并可进行多种组合试验, 为环境科研、环境工程提供试验设备, 亦可为高等院校师生提供教学试验设备。
光催化氧化反应器的设计远比传统的化学反应器复杂,除了涉及质量传递与混合、反应物与催化剂的接触、流动方式、反应动力学、催化剂的安装、温度控制等问题外,还必须考虑光辐射这一重要因素。
目前已有多种形式的光催化氧化反应器应用于光降解的研究及实际废水的处理,并取得了一些成果,但同时也暴露出许多问题,为此有许多人从不同的角度对如何提高光催化氧化反应器的效能及实用性开展了大量的工作[2]。
高级氧化技术-电催化
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质能够随着氧化物膜的材料组成和制备方法而改变， 因而能够获得良好的温稳定性和催化活性，这也是它 获得青睐的一个重要原因。但由于二维反应器的有效 电极面积很小，传质问题不能很好地解决，导致单位 时空产率较小。 b、三维电催化电极 所谓三维电极，就是在原有的二维电极之间装填粒状 或其他屑状工作电极材料，致使装填电极表面带电， 在工作电极材料表面发生电化学反应。 返回
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六、电催化电极
所谓电极，是指与电解质溶液或电解质接触的电子导 体或半导体，它既是电子贮存器，能够实现电能的输 入或输出，又是电化学反应发生的场所。 电化学中规 定，使正电荷由电极进入溶液的电极称为阳极，使正 电荷自溶液进入电极的电极成为阴极。对于自发电池 而言，习惯上也将其阴极称为正极，阳极称为负极。 而电解池中，正极对应着阳极，负极对应着阴极。需 要指出的是，无论自发电池还是电解池，发生氧化反 应的总是阳极，而发生还原反应的总是阴极。 返回
HCOOH 2M M H M COOH
M H M H e
M COOH M CO2 H e
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或者
HCOOH+M M-CO+H2O
H2O M M OH H e
M CO M OH CO2 H
式中，M-R(R分别是—H、—COOH、—CO或— OH)表示电极表面上的化学吸附物种。此类反应 的例子尚有甲醇等有机小分子的电催化、H2的电 氧化以及O2和Cl2的电还原。 返回
四、动力学参数-反应机理的判据
1、 交换电流密度与传递系数 交换电流密度是平衡电位条件下的反应速度,在电催化 研究中常用它作为电催化活性的比较标准.其是反应物 浓度的函数. 传递系数是反应机理的重要判据.它是衡量电极反应中 电子传递的一个重要参数.其与温度有关。 2、电化学反应级数 3、化学计量数 其是指总反应完成一次，各基元步骤必须进行的次 数。 4、电极反应的活化热和活化体积 返回
光催化氧化法简介
光催化氧化法简介光催化氧化法是近20年才出现的水处理技术，在足够的反应时间内通常可以将有机物完全矿化为CO2和H2O 等简单无机物,避免了二次污染,简单高效而有发展前途.所谓光催化反应，就是在光的作用下进行的化学反应.光化学反应需要分子吸收特定波长的电磁辐射，受激产生分子激发态,然后会发生化学反应生成新的物质，或者变成引发热反应的中间化学产物。
光化学反应的活化能来源于光子的能量，在太阳能的利用中光电转化以及光化学转化一直是十分活跃的研究领域。
由于以二氧化钛粉末为催化剂的光催化氧化法存在催化剂分离回收的问题，影响了该技术在实际中的应用，因此将催化剂固定在某些载体上以避免或更容易使其分离回收的技术引起了国内外学者的广泛兴趣。
在我国工业废水中，印染废水因其有机物含量高、色度深、水质复杂、排放量大而成为难处理的工业废水之一。
印染废水中含有大量卤化物、硝基物、氨基物、苯胺、酚类及各种染料等有机物，主要来自纤维、纺织浆料和印染加工所使用的染料、化学药剂、表面活性剂和各类整理剂。
其COD浓度达数千至数万mg/L,色度也高达数千至数万倍,可生化性差，很多废水还含有高浓度无机盐：如氯化钠、硫化物等,严重污染水环境。
国内处理染料废水普遍以生物法为主，同时辅以化学法，但脱色及COD去除效果差,出水难以稳定达到国家规定的排放标准。
光催化氧化法是近年来水处理研究的热点之一，实验证明，此方法对印染废水有较好的处理效果.当进水COD Cr为1300 mg/L左右,色度为800倍时,经本法处理的废水,出水COD Cr达188 mg/L，色度为0～10倍，COD Cr 去除率达92％,脱色率几近100%.主要水质指标达到了GB8978—1996《污水综合排放标准》中染料工业的二级标准.本法可取代常规的生物法，适合中小型印染厂的废水处理。
光催化氧化法原理光降解通常是指有机物在光的作用下，逐步氧化成低分子中间产物最终生成CO2、H2O及其他的离子如NO3—、PO43—、Cl-等。
《光催化氧化技术》课件
光催化氧化技术可应用于水处理、空气净化、自洁材料等领域，具有 广泛的应用前景。
可与其他技术结合
光催化氧化技术可以与其他技术如超声波、电化学等结合使用，提高 降解效率。
技术挑战
对光源的依赖性 催化剂的稳定性
反应条件控制 成本问题
光催化氧化技术需要一定波长的光源照射才能进行，对于一些 难以照射到的地方或特定波长的光源，该技术的应用受到限制
案例二：空气净化
总结词
光催化氧化技术能够去除空气中的有害气体和微生物，对室内和室外空气净化具有重要 作用。
详细描述
光催化氧化技术通过将空气中的有害气体和微生物吸附到光催化剂表面，在光照条件下 被氧化分解为无害物质，从而达到净化空气的目的。该技术可以有效去除甲醛、苯、氨 气等有害气体，以及细菌、病毒、霉菌等微生物，对于改善室内外空气质量具有显著效
02
光催化氧化技术的应用领域
环境保护
去除污染物
光催化氧化技术能够将有机和无 机污染物分解为无害物质，如二 氧化碳和水，从而有效去除空气
和水中污染物。
废水处理
光催化氧化技术可用于处理各种工 业和生活废水，降低水体中的有毒 有害物质含量，达到排放标准。
土壤修复
光催化氧化技术可用于修复被重金 属和有机物污染的土壤，通过分解 污染物降低其对生态系统的危害。
结果分析
根据实验结果，分析光催化氧化反应的机理、影 响因素和优化条件。
3
应用前景
探讨光催化氧化技术在环保、能源等领域的应用 前景。
05
光催化氧化技术的实际案例
案例一：污水处理
总结词
光催化氧化技术在污水处理领域具有显著的应用效果，能够有效降解有机污染物，提高污水处理效率 。
光催化反应器的设计ppt课件
3.展望
➢ 磁场的电路设计还需进一步研讨优化。 ➢ 对多相体系的光辐射模型做更多的研讨， 将构造更加优化，使得光催化效率更高。 ➢ 目前，对光催化反响器的研讨还仅仅 限于实验室研讨，还需更多的研讨为它的 工业化运用指明方向。 ➢
致谢
本次设计中教师给予了我很大的协助， 经常讯问设计进度，对于设计中存在的问 题及时指出并纠正，最后使我能顺利完成 设计义务，在这里再次对教师表示赞赏。
2.1设计思绪
本设计针对三相态的反响液，结合悬浮 式和负载式两种反响器的优点，选用一种磁 性负载式催化剂，建立磁场，设计出三相内 循环可磁性分别的光催化反响器。
2.2光催化反响器的设计要素
光
反响器的几何外形
催
化 反
催化剂存在的形状
响
器 的
光源
设
计
设备选型
要
素
尺寸计算
2.3光催化反响器的构造设计
根据电生磁的 原理，将一条的金 属导线在反响器外 壁上沿一个方向缠 绕起来，构成螺线 管，通电流，可产 生磁场。
反响区 沉降区 底部 反响器
R
50mm 75mm 50mm 75mm
H
275mm 275mm 50mm 415mm
V
5 mL 1649 mL 425 mL 6144 mL
光催化反响器的尺寸标注如下：
4.光催化反响器的优势
圆柱形的几何外形，中灯外反响区的构造， 使得反响器内的光照均匀，光能利用率大； 气体分布器使得催化剂悬浮于反响液中，与 反响液接触充分，催化效率高； 磁场的建立使得催化剂的分别回收方便； 内循环的设置使得反响的停留时间加大，增 大反响效率； 反响器可延续循环处置反响液。
悬浮式光催化反响器 负载式光催化反响 器
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８６环境污染治理技术与设备第６卷
参比
工作
图２“Ｈ”型电助光催化反应器示意图Ｆｉｇ．２Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆ“Ｈ”ｔｙｐｅＥＡＰｒｅａｃｔｏｒ
激光灯，它们的主波长和光强不同，应根据半导体的
禁带宽度来选择。
此外，为了提高反应器内的物质传输速率，可以通过在反应器外设置贮水槽进行溶液循环或向反应
器内通气的方式达到，但通气种类的不同会导致反“
应进行的氛围不同，对电助光催化的过程和效率有影响。
电助光催化反应一般在恒温条件下进行以避
免温度因素的影响，恒温方式有设置双层反应器外壁
或双层石英灯管通入冷却水和冷却贮水槽等方式。
位（如ＴｉＯ，，Ｅｆｂ一一０．２４Ｖ，相对于标准氢电极，ｐＨ＝７），就可以促进光生电子和空穴的分离。
因此，对催化剂工作电极施加数十至数百毫伏的阳极电位，就可以使光生电子和空穴得到充分分离。
在悬浮态反应器中多在两极间施加高电压，如ＡｎＴ．ｃ．
等¨纠分别采用圆柱形和槽式的两电极系统反应器，在两极间施加高电压，如图３所示。
这种系统中不可避免地同时伴有水的电解的问题。
Ｈｅｃ．等＂’”。
在固定膜式反应器中对Ａｇ或Ｃｕ沉积的ＴｉＯ：／导电玻璃电极施加较高的阳极电位电助光催化氧化甲酸，发现沉积在催化剂表面的Ａｇ或Ｃｕ被氧化溶解到溶液中，处理效率急剧下降，他们通过脉冲方式施加电位以避免催化剂的失活。
Ｓｕｎｃ．ｃ．等¨引用ＴｉＯ：／Ｔｉ电极电助光催化处理ＮＯｆ，施加０～４Ｖ（相对于Ａｇ／ＡｇＣｌ电极）的阳极电位，发现电位为２Ｖ（相对于Ａｇ／Ａｇｃｌ电极）时即可达到最高的降解效率，进一步增大电位，降解效率保持不变。
１．５光源及其他反应器要素的设置
电助光催化过程所需的光源可位于反应器外，通过石英窗口辐射到催化剂表面，即外辐照式电助光催化反应器，也可位于反应器中心，即浸入式电助光催化反应器。
浸入式的优点是辐射均匀并能充分利用光源的辐射能量，在电助光催化的应用研究中使用广泛。
其缺点是体系的冷却比较困难，灯的寿命也会降低。
外辐照式的优点是冷却方式灵活、简便、可靠，光源使用寿命长。
缺点是光源有效光的利用率低，在理论研究中使用较多。
电助光催化反应器中使用的光源的种类和个数也很不相同，常用的光源有高、中、低压汞灯，氙灯，钨灯，卤素灯及各种
（ａ）圆柱形反应器
光源
微孔钛板
（ｂ）长方体槽形反应器
图３施加高电压的两电极悬浮态
电助光催化反应器示意图
Ｆｉｇ．３Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｔｗｏｅｌｅｃｔｒｏｄｅ
ＥＡＰｒｅ８ｃｔｏｒｃｏｎｓｉｓｔｅｄｏｆｓｕｓｐｅｎｄｅｄｐｈｏｔｏｃａｔａｌｙｓｔ
ａｎｄａｐｐｌｉｅｄｗｉｔｈｈｉｇｈｖｏｌｔａｇｅ
２电助光催化反应器的设计要点
电助光催化反应器设计中的核心问题是如何提高对光的利用效率，如何增加催化剂与溶液接触的面积，如何对半导体空间电荷层施加电场以及如何促进反应物的物质传输效率等问题。
由于目前电助光催化技术仍处于实验室研究阶段，尚未有实际应
用的报导，因此，反应器更多的是用于验证外加电场。