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圆柱型光催化反应器的设计与优化

郭飞  
【摘要】:半导体光催化已经被当做是一种重要的环境治理技术,利用纳米TiO2降解水中的有机污染物受到人们普遍的关注。如今,很多研究都集中在TiO2本身性质上,而光催化反应和光催化反应器之间的关系的报道相对较少。一个设计优良的反应器能够大大提高光催化剂对光的利用率和颗粒分散度,从而提高催化降解效率。现在常见的反应器类型有椭圆型和柱型等,其中柱型反应器由于其造价低以及反应效率高的优点而应用最为广泛。 本文中,将整个体系分为光传输阶段和光催化动力学模型两个方面来进行分析,在光传输阶段根据介质的不同性质,又将其分为发光阶段、透射阶段、反应区阶段三个部分来分别进行分析,并建立相应模型,从而获得反应区内的光强分布情况;在光催化动力学模型的建立中,根据不同反应机理将体系分为直接反应和间接反应两种类型,最后将两部分结合起来建立联合数学模型,用于分析反应器的参数与光催化效率的关系。分析表明光源强度、TiO2浓度、污染物浓度、冷却区宽度以及反应区厚度将不同程度的影响到光催化反应的量子效率,并通过计算得到体系的平均量子效率。 平均量子效率随着紫外光强度的增加而下降,增加污染物浓度会提高平均量子效率,但是高浓度污染物情形下,平均量子效率将不发生变化,这是因为此时空穴的迁移成了决定反应速率的控制因素。提高TiO2浓度也会增大平均量子效率,直到TiO2浓度趋于饱和,平均量子效率将不会上升。增大反应区的厚度也会很明显的提高平均量子效率,但是这种影响也会在污染物浓度很高的情况下趋于稳定。结果表明这些参数可以很大程度影响到平均量子效率,所以建立合适的反应器是非常有必要的。


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