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微化知识

矩形微通道反应器的设计和材料对有机污染物光催化分解的影响

  • 作者:科芯微流
  • 发布时间:2022-08-02
  • 点击:88

光催化是一种潜在的降解水中有机污染物的技术,如对环境有潜在危害的芳香族化合物。光催化可将水中残留的微量有机污染物矿化并除去微生物,这使得光催化技术成为一种非常适用的废水处理技术,也是一种有价值的替代传统饮用水处理技术和用于制药行业的超纯水生产技术。该文章的目标是在反应器的尺寸和材料方面找到矩形微通道反应器的优化设计,以提高光催化活性。并以固定化二氧化钛(tio2)为光催化剂,设计、制备并测试了微通道反应器,研究了微通道尺寸、材料对水杨酸光催化降解的影响。

1.微通道反应器的设计

二氧化钛(tio2)是最常用的半导体光催化剂,因为它具有高度的光活性、光稳定性、生物和化学惰性且比较便宜。利用二氧化钛光催化剂进行水处理的光化学技术是一种非常洁净的方法,考虑到经济和实际的原因,最有用的二氧化钛光催化剂形式是在一个方便的载体上涂上薄膜或涂层。但是,传统固定化系统存在规模化难度系数大、界面表面积小、传质受限等问题。微通道反应器具有层流、分子扩散距离短、比界面面积大和优良的传热特性,且具有大的表面与体积比,即可使最大限度的试剂与催化剂接触,从而弥补了与固定光催化剂相关的缺点,所以微通道反应器可能被证明是适合的。特别是对于光化学反应,与大型反应器相比,微反应器表现出更高的空间照明均匀性和更好的光穿透性。为了避免制造微纳米反应器的困难和在微纳米尺度上光源的昂贵成本,该文章引入典型的特征尺寸在 500 μ m 和 2 mm 之间的矩形微通道反应器。

在微通道反应器的设计方面,通过适当优化反应器的几何尺寸和形状以及使用不同的材料,可以得到一个有效的光催化微反应器。在设计微通道反应器时需要注意以下几个方面:(1)保证整个光催化剂表面得到均匀和充分的照射;(2)达到反应物与光催化剂表面的最高接触,即大的表面体积比;(3)增加污染物从溶液到催化剂表面的传质,即高传质系数。此外,催化剂的载体材料在光催化性能中起着重要的作用。在微反应器材料方面,以往的研究工作大多局限于少数几 2 个反应器作为支撑材料,如陶瓷、硅片和玻璃。有研究表明,聚合物材料和金属基板作为微通道反应器的制作材料具有重大意义。因此,该文章测试了用不同材料制作的微反应器,从而确定了环氧聚合物,聚碳酸酯和铝作为有价值的光催化微器件材料。

2.微通道反应器的制备

该研究制造了矩形微通道反应器,在其中沉积二氧化钛作为光催化剂。采用不同材料制备微通道反应器。环氧聚合物微通道反应器是用立体光刻技术制造的,而铝和聚碳酸酯微通道反应器是用机械加工技术制造的。该文章利用自制的立体光刻仪,在环氧树脂上制备了不同尺寸的聚合物矩形微通道反应器。立体光刻技术是基于光聚合的过程,其中液体树脂在激光照射下转化为固体聚合物。模型是通过连续固化树脂材料层,直到三维物体形成,聚合物微反应器如图所示。

图 1 聚合物微通道反应器示意图

图 1 聚合物微通道反应器示意图

该研究在自制的铝和聚碳酸酯矩形微通道反应器上进行了光催化降解实验。反应器的材料由一块厚的长方形铝板或聚碳酸酯板组成。反应器的顶部机械地开有一个矩形微通道的槽。微通道的宽度为 1 mm,高度为 0.5 mm,长度为 70 mm。根据 Furman 等的方法,将 tio2 样品沉积在微通道反应器的通道内表面上。将二氧化钛的水溶液悬浮液倒在微通道上,去除多余的部分,把湿润的通道在 50°C 下干燥 1 小时。根据构成反应器的材料的性质,这种涂层过程重复了几次:铝反应器重复了 15 次,环氧聚合物反应器重复了 20 次,聚碳酸酯反应器重复了 23 次。为了除去松散的颗粒,在运行的蒸馏水下漂洗后,沉淀物的数量通过称量沉淀物前后的干燥反应器来确定。这个制备过程可以控制涂覆催化剂的质量,并在通道的整个表面获得均匀的一层。在催化剂沉积之后,用环氧树脂胶将微反应器密封在玻璃顶板上。

3.微通道反应器的优化

为了优化微通道反应器的设计,该文章以光催化降解水杨酸为实验基础,研究了微通道尺寸和材料对光催化效率的影响。研究表明所有的微通道反应器表现出相同的行为,当污染物浓度和流量较低时,可以观察到较高的降解率。从数据中没有证据表明,反应器的组成元素的性质影响光催化过程,微通道反应器材料对光催化活性的影响几乎为零。微通道尺寸对降解率有一定影响:在相同的实验条件下,通道宽度最大,通道高度最低的反应器具有最高的光催化活性;相反,随着微通道长度的增加,降解率有相当规律的增加。因此,在存在传质限制的情况下,可以利用相关经验来优化微通道的几何尺寸,以达到理想的光催化性能。

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