4.2.3.3 不同聚光的反应器

在实际应用上，根据聚光，光催化反应器又可分为以下三类。

(1)聚光式反应器20世纪80年代末，抛物面柱式聚光反应器(PTC)曾应用于太阳光催化反应，它由聚光器、日光跟踪装置以及反应器三部分构成，利用线聚焦方式来吸收光能，光线被聚焦固定到抛物面或抛物槽上的管式反应器(如高硼硅玻璃管)中，使催化剂TiO₂粉末与污染水混合通过玻璃管时降解发生光化学反应。Pacheco等利用这种类型的反应器处理了含三氯乙烯废水，其后美国Sandia国家实验室和国家可再生能源实验室也利用抛物面槽聚光，但改为将TiO₂固定在疏松交织的纤维玻璃基质上，两种装置都取得了很好的去污效果。

管式聚光式反应器是类型最多的一种反应器，如图4-6所示。其反应都是在透光性能较好的材料制成玻璃管或塑料管中进行。一般采用抛物槽或抛物面收集起来聚集太阳光并辐射在能透过紫外光的中心管上。这种反应器由一系列的复合抛物面捕集器组成，每个管是由8个平行的、能透过紫外光的含氟聚合物管构成，每根管都带有特殊的抛物状的反射装置。这种反应器能利用直射和反射两种紫外光，因而与聚焦的光反应器相比，有较高的光效率。

图4-6 管式聚光式反应器

美国得克萨斯Lajet能源公司的太阳能聚光装置由聚光器、日光跟踪装置、反应容器等组成。聚光器主体是铝质泡物状柱面，直径1.5m，厚度8cm，焦距5.5cm，反应容器置于一定高度的塔上，并需准确定位于抛物面的焦点上。同时，聚光器受双轴跟踪系统支持，以便能受到尽可能大的日光辐射。此种聚光器能使反应在相当于150个太阳的光强度下进行，从而使含染料废水快速、彻底地降解。

PTC技术能够充分地利用直接照射的太阳光，能使日光光强数十倍地增加，从而使能量高的紫外辐射显著提高，此外反应器体积较小，水流为紊流状态，传质效率高，且闭路的系统不存在污染物挥发的问题，是一种相对成熟的技术。但此种反应器也存在一些难以克服的缺点。

①聚光式反应器只能利用直射的UV辐射，不能利用散射部分的光能，太阳辐射中散射辐射虽然只占总辐射的10%～15%，但对于能量最强的紫外辐射情况有所不同，由于紫外辐射不被水汽吸收，散射辐射中紫外辐射占总紫外辐射的比例显著提高。在湿度大的地方，或多云、阴天的条件下，散射辐射中的紫外辐射尤为重要，它可以占到总紫外辐射的50%，甚至更高，在太阳能去污中应尽可能使这部分光能得到利用。

②聚光式反应器的量子效率较低。据Nicola等的总结，当辐射光强度小于一个太阳(约60W/m²)时，光催化降解速率与辐射强度成正比；当辐射光强大于一个太阳，为中等强度时，光催化降解速率与辐射强度的平方根成正比；当辐射光强为高强度时，光催化降解速率与辐射强度无关。因此，过高的光强不能被充分利用，反而会导致系统过热，加速管路的泄漏和腐蚀。

③聚光式反应器的太阳能跟踪系统结构复杂，反应器需要特殊的材料，成本较高，难以推广。

(2)非聚光式反应器非聚光反应器通常由一个倾斜放置的固定装置构成，如图4-7所示，倾斜的角度取决于当地的太阳入射角。它没有专门的太阳光追踪器，可以同时利用直射光和散射光，这意味着在阴天或潮湿的环境中，非聚光反应器有更好的效果。目前研究应用的非聚光式反应器主要有以下几种形式：箱式、管式、平板式、凹陷膜式和浅太阳池式等。

国外学者提出的箱式非聚光式反应器，它是由一个平板和一个以聚甲基丙烯酸甲酯为主要成分的有机玻璃扁平透明箱构成。催化剂为粉末状态，随污水以湍流形式在通道中循环流动。反应器倾斜放置，其倾角取决于太阳入射角。据试验，在紫外辐射为20～40W/m²的条件下，以粉末状TiO₂为催化剂，二氯醋酸在250min内TOC的降解率为78%。

图4-7 箱式非聚光式反应器

Nogucira的平板式反应器是将平均粒径为30nm的TiO₂以约10g/m²的均质层形式固定于平板玻璃上。受污染的水可以以单程方式流动，也可以以再循环方式流动。平板倾斜放置，倾角取决于太阳入射角，平板形状、摩尔流量、污水层厚度等对于降解效果均有一定影响。

Bedford等研究了浅太阳池式反应器。这种装置尤其适合于在需要进行工业废水处理的场所建造。如果工业企业已经有用于微生物废水处理的池式设施，那么浅太阳池可以在进行微生物处理前或处理后与之相连接，以便利用阳光通过光催化氧化进行废水净化，有利于光化学技术与生物技术相结合。

在浅池式反应装置中，催化剂可以以悬浮形式投加于废水中，也可以固定于载体上。如果TiO₂以悬浮态存在，就需要进行连续机械搅拌。在处理一定阶段后，可以停止搅拌，使被处理的水从上部移去，而不需要过滤。Bedford等在不同面积-深度比例下，用这种装置处理了4-氯酚废水。结果表明，以不同形式存在的催化剂，在各种入射光条件下都能有效起作用。

(3)低聚光式反应器联合抛物面式反应器(CPCs)是PTC的一种，但它没有太阳光追踪器，由两个静止不动的抛物面型凹槽构成，焦线在两部分连接处的上方，见图4-8。特殊的几何学构造使之几乎可以搜集所有方向的光线(包括直射光和大部分散射光)。

图4-8二维CPCs示意

CPCs是目前应用最多的一种反应器。其反应一般在透光性较好的材料制成的玻璃管和塑料管中进行。催化剂或负载于载体填充在管中，或涂于管壁上，也有直接使用悬浆状的。为了充分利用太阳光，一般还在反应管的背光面安装反射性能好的铝板。考虑到试验的地点和持续时间，反应板一般倾斜放置，有利于吸收最大的太阳辐射。西班牙PSA实验室的CPCs装置由6个相同的模块构成，每个模块有8个平行的铝面聚光器[1.22×0.152×8=1.48(m²)]，聚光器的焦线上固定着透明的Teflon管，污水和悬浮态的TiO₂在其中流动。总流量可以达到2250～8000L/h。

CPCs兼具了聚光式反应器和非聚光式反应器的优点，具有大规模工业应用的潜力，对它的优化设计是目前研究的主要方向。

光催化反应器设计的问题要远比传统的化学反应器复杂。除了传统反应器设计的如质量的传递和混合、反应物和催化剂的接触、流动方式、反应动力学、催化剂的安装、温度的控制等问题外，还必须考虑光照这一重要因素，这是因为光催化剂只有吸收适当的光子才能被激活而具有催化活性，所以激活催化剂的量决定了光催化反应器的反应能力。因此，首先为了提供尽可能多的激活光催化剂，光反应器必须能提供尽可能大的而且是能被光照射的催化剂比表面积。其次为了减少反应器的体积，还要求单位体积的反应器提供尽可能大的安装催化剂的面积。

文章来源：《水处理新技术、新工艺与设备》

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