光催化反应器作为光催化反应的主体设备，它决定了催化剂活性的发挥和对光源的利用等问题，而这两个因素直接决定了光催化反应的效率。一个成功的反应器必然体现了催化剂活性和光源利用率的最优化组合。所以，如何提高对光源的利用率以及使催化剂活性得到最大限度发挥已成为反应器研制和开发的中心课题，也是光催化研究的重点之一。

4.2.3.1不同光源的反应器

按照光源的不同光催化反应器可分为紫外灯光和太阳能光催化反应器两种。目前通常采用汞灯、黑灯、氩灯等发射紫外光。由于紫外灯的使用寿命不长，以及废水中紫外线易被灯管周围的粒子吸收等缺点，通常应用于实验室研究。而太阳能光催化反应器不具有上述缺点，且节能，但应充分提高太阳能的采集量。

4.2.3.2不同流态的反应器

根据流通池中催化剂的存在状态光催化反应器可以分为：悬浮式光反应器、镀膜催化剂反应器、固定床式光催化反应器。

(1)悬浮式光反应器早期光催化研究多以悬浮相光催化为主。这类反应器通常是将光催化剂粉末加到所要处理的溶液中。它的优点是在反应中，污染物容易和光催化剂接触，但处理效率不高，当提高催化剂的浓度时会造成悬浮液浑浊，影响光的穿透，降低光效率，而且催化剂与液体分离困难，处理成本昂贵。

将TiO₂与含有害物质废水溶液组成的悬浮液通过环纹型、直通型或同轴石英管夹层构成流通池，辐射光源直接辐射流通池。此类反应器结构简单，通过上述方式能保持催化剂固有的活性，但催化剂无法连续使用，后期处理必须经过过滤、离心、絮凝等方法将其分离并回收，过程复杂，且由于悬浮粒子对光线的吸收阻挡影响了光的辐照深度，使得悬浮型光催化反应器很难用于实际水处理中。悬浮相光催化的反应速率一般随催化剂浓度增加而增加，当TiO₂浓度高达一定值时(0.5mg/cm³左右)，反应速率达到极值。

(2)镀膜催化剂反应器镀膜催化剂反应器是将TiO₂等半导体材料喷涂在反应器的内外壁、光纤材料、灯管壁、多孔玻璃、玻璃纤维、玻璃板或钢丝网上，催化剂膜在紫外光的照射下，将吸附在膜表面的污染物降解、矿化。以这种形式存在的TiO₂不易流失，但催化剂因固定而降低了活性，且运行时需要提高进入反应器的水压，催化剂还存在易淤塞和难再生的问题。目前，载体的选择及催化剂固定技术的研究已成为光催化处理废水的一个十分关键的方面。图4-2所示在石英管上涂膜的反应器，光源在外面照射，进行降解水中的有机物；图4-3所示为多重中空管反应器，它是由54只中空石英管组成，每只管外面覆盖一层催化剂膜，光源在一端照射，通过石英管中间将光传到催化剂，水流从管与管之间的缝隙穿过，在石英管表面催化剂作用下，将污染物降解。它的特点是由于增加了接触面积，且在液体里分布均匀，减少了光催化反应中所受到的质量传输限制，而且容易放大，但缺点是不能得到一致的光照，在石英管的远端光照不足，造成远端活性较低。图4-4所示为光导纤维反应器，这类反应器是以光导材料为载体，同时这种光导材料又可以直接传递光源，Ren-DeSun等设计了一种由18000根玻璃纤维组成的光纤维反应器，在玻璃纤维上涂上了一层0.2um的TiO₂膜，纤维直径为125um长100um装置成88mm×6mm×105mm的光催化过滤器，进行了降解气态有机物的研究，同时也制作了一个由硼硅酸玻璃组成的蜂窝块反应器，在蜂窝孔内涂上TiO₂膜，大约0.43mg/cm²，大小为106mm×38mm×20mm，进行比较研究。由于这种光纤反应器分布均匀，反应表面积大，减少了传质的影响，良好的光传输，提高了量子效率，增加了反应效率，但是TiO₂膜厚度、光纤长度对光在纤维里面的传输会产生极大的影响。

图4-2半批量式环形反应器

图4-3 多重中空管反应器

图4-4光导纤维反应器和蜂窝块反应器

国内学者采用简单的粉末-溶胶法，在普通的玻璃毛细管中制备纳米TiO₂薄膜，从而研制了具有较高光催化性能的微反应器，通过考察纳米TiO₂浓度和纳米TiO₂涂覆层数，确定了制备毛细管纳米TiO₂涂层的最佳条件从而获得最佳的光催化效能，并将之应用于苯甲醛的光催化还原反应。

(3)固定床式光催化反应器根据光催化剂固定方式的不向，固定床式光催化反应器可分为以下两种不同的反应器：a.非填充式固定床型光催化反应器。它以烧结或沉积方法直接将光催化剂沉积在反应器内壁，但仅有部分光催化表面积与液相接触，其反应速率低于悬浮型光催化反应器。b.填充式固定床型光催化反应器。将半导体烧结在载体(如砂、硅胶、玻璃珠、纤维板)表面，然后将上述颗粒填充到反应器里。如图4-5所示，这些载体通常是具有二维表面的，结构紧密且具有多孔的颗粒。由于它有效地让光通过并且有较高比表面积，适用于用在具有较高传质能力的反应系统中。这类反应器和传统悬浮式反应器相比，不需要分离催化剂，和环形膜状反应器相比，反应可不受传质的限制，但不足是颗粒之间的碰撞可能会造成膜的脱落。这类反应器既可省去光催化剂分离、回收的烦冗过程，又可增加光催化剂与液相接触面积，其反应速率也比悬浮型光催化反应器高。太阳能填充式固定床型光催化反应器在光催化水处理工业化方面具有广阔的应用前景。

图4-5填充床式光催化反应器

除上述反应器外，目前在试用的反应器还有光电化学催化反应器。在这类反应器中，催化剂薄层被镀在导电玻璃上作为阳极(工作电极)，铂丝作为阴极，甘汞电极为参比电极，构成一个三电极化学电池。在一对工作电极上外加直流低压，当光照射阳极时，催化剂表面产生空穴(h⁺)和电子(e^-)，电子即被导线引至阴极，降低了e^-和h⁺的复合。在阳极上空穴产生的羟基自由基使有机污染物氧化降解。

文章来源：《水处理新技术、新工艺与设备》

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