[发明专利]一种多功能光催化反应装置

说明书

技术领域

本发明属于化学工程技术领域，是一种多功能光催化反应装置，该装置适用于光催化还原CO₂、光解水制氢、光催化降解有机污染物、光化学合成等领域，可以连续操作，也可间歇操作，并具有惰性气体保护功能。

背景技术

1972年Fujishima和Honda在Nature上报道，在光辐射的TiO₂半导体电极和金属电极所组成的电池中，可持续发生水的氧化还原反应，产生H₂，表明通过半导体电极可以把光能转换为化学能，此后半导体材料的光催化性能受到人们的关注，光催化技术的应用领域不断被拓展。1976年，Cary报道了TiO₂水浊液在近紫外光的照射下可使多氯联苯脱氯，注意到TiO₂水体系在光照条件下可非选择性降解各种有机物，实现彻底矿化，生成CO₂和H₂O。1979年，Inoue等首先报道了在水溶液中利用半导体光催化还原CO₂，生成HCHO、HCOOH、CH₃OH、还有少量CH₄。近40年来，科学家围绕着太阳能的转化和储存、光化学合成、光催化降解有机污染物、光催化杀菌等进行了大量的研究，致力于提高光催化的效率。

目前，影响光催化反应效率的因素主要有两方面，一是光催化剂，二是光催化反应器。高性能光催化剂的开发一直是人们研究的热点，但对于光催化反应器的设计与开发投入较少，研发的光催化反应器差异较大，这也是目前光催化反应效率难以进行比较的原因之一。随着光催化技术不断发展，不仅要开发高性能的光催化剂，而且光催化反应器的开发也应受到重视，两者不可偏废。

光催化反应器作为反应的场所直接影响光催化反应的效率，反应器的结构、形状、光源位置等对催化剂活性的发挥和光的利用至关重要，同时影响反应产物分析和反应后处理。例如，目前的光催化还原CO₂反应装置形式多样，要么为固定式，要么为悬浮式，固定式可以很好解决光催化剂的回收问题，但催化剂的比表面积大大减少，对光的利用率不高；悬浮式光反应器可以大大提高光催化效率，但光催化剂回收困难，回收成本高；而且现有的光催化反应器不利于反应动力学研究，用途单一，灵活性小。例如中国专利申请（申请号：200710062204.8）公开的三相超声光催化反应装置及其还原CO₂的方法，属于悬浮式反应体系，不利于反应后处理；Nguyen等设计的光纤催化反应器，（Nguyen TV，Wu. J C S. Photoreduction of CO₂ to Fuels under Sunlight Using Optical-Fiber Reactor. Sol Energy Mater Sol Cells. 2008，92（8）：864-872）将TiO₂负载于光纤上，属于固定式反应体系，其加工复杂，费用较高，普及较难，不适合光催化剂的筛选。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种多功能光催化反应装置，该装置既能作为悬浮式反应装置，又能作为固定式反应装置。

为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：

一种多功能光催化反应装置，由气体循环系统、光反应系统、分离系统、检测系统和光源系统组成，其特征在于：

所述的气体循环系统包括：一个密封箱，在密封箱上安装有减压阀、第一压力计、放空阀和旁路调节阀，旁路调节阀通过管路连通气体缓冲罐，气体缓冲罐上安装有第二压力计，气体缓冲罐与气体压缩机相连接，气体缓冲罐还通过管路上连接的气体流量计与光反应系统的止逆阀连通；

所述的光反应系统包括：石英反应器，石英反应器底部有卸料阀和反应液取样口，石英反应器上方有加料口，该石英反应器与分离系统中的定时回流管连通，石英反应器内通入有进气导管，进气导管连接有气体喷头，进气导管上还有液体或气体进口和止逆阀，其中，止逆阀通过气体流量计与气体缓冲罐连通；

石英反应器上还设有石英加热管和石英套管，其中，石英套管内有热电偶，石英加热管和热电偶分别与石英反应器外部的温度控制仪相连接；

所述的分离系统包括冷凝器，冷凝器连接定时回流管，冷凝器通过循环气体回路与密封箱连通；

所述的光源系统为石英反应器提供光源，该光源是紫外光源或可见光源或太阳光源；

所述的检测系统是气相色谱仪，该气相色谱仪连接在分离系统的循环气体回路和定时回流管之间，气相色谱仪与计算机连接。