[发明专利]一种光催化反应器阵列及其应用

说明书

本发明公开了一种光催化反应器阵列及其应用。所述光催化反应器阵列包括储槽，与储槽连接的分配器和收集器，及多个两端分别与分配器和收集器连接的反应器；反应器包含至少一级层级更低的反应器阵列，最低层级的反应器为透明毛细管，非最低层级的反应器包括层级低于该层级的分配器、收集器和多个两端分别与该分配器和收集器连接的反应器。本发明提供的光催化反应器阵列，从毛细管微反应器开始，构建多个层级的反应器阵列，提供大尺寸且性能优化的反应器。

技术领域

本发明涉及光催化反应仪器技术领域，特别涉及一种光催化反应器阵列及其应用。

背景技术

光化学反应因其所需装置简单、反应条件温和，在许多领域有着广阔的应用前景。尤其是太阳光催化制氢技术被认为是非常有前途的制氢方法，得到了人们的广泛关注。近年来，人们对大尺寸光催化反应器的设计进行了大量的研究并获得了许多有望在实际中应用的反应器。它们按照所使用的催化剂的不同形态可分为悬浮式、固定式和与膜组件耦合的光催化反应器。按照光源的利用情况不同可分为内照射型、侧照射型以及顶部照射型，如图1所示，图1中(a)为内照射型光反应器结构，(b)为侧照射型光反应器结构，(c)为顶部照射型光反应器结构；按照所使用的催化剂的不同形态可分为悬浮式、固定式和与膜组件耦合的光催化反应器。其中，悬浮式反应器是直接将纳米级或者微米级的催化剂粉末加入到处理液中，并通过一定方式使催化剂悬浮于反应器中。使用此类反应器可使反应物与催化剂接触较充分，并且结构简单，操作稳定，费用较低，但催化剂回收难度较大。常用的悬浮型光催化反应器有泰勒旋涡式、挡板式以及鼓泡式反应器等。固定式光催化反应器是将催化剂嵌入或涂覆在固定的载体上，在光源的照射下进行光催化反应。固定式反应器最大的优点是解决了催化剂回收困难的问题。但是由于催化剂的固定，必然导致催化剂与目标物的接触不够充分，催化效率降低。常用的固定式光催化反应器主要包括光纤型、筒式和转盘式反应器等。与膜组件耦合的光催化反应器是把可以将催化剂从悬浮体系中分离出来的膜体系与光催化反应器耦合起来的反应器。根据催化剂负载形式可分为附着式与嵌入式光催化膜体系反应器。这些已报道的大尺寸反应器主要是用于光催化污染物降解的。人们所使用的光催化分解水制氢反应器还主要是小尺寸的实验室用反应器。对于这些反应器，通常情况下，紫外光催化裂解水制氢采用内照射型反应器居多，而可见光下的制氢实验大多在侧照射型或顶部照射型的反应器中进行。因为采用内照射式，反应液会急剧升温，导致反应液中的水很快蒸发或者一些牺牲剂受热分解，从而影响制氢效率。当尺寸较大时，热的传递是也一个很大的问题。使用侧照射型或顶部照射型的反应器光的利用率较差。尤其是当催化剂浓度较高或反应器较大时，由于催化剂颗粒的相互遮挡，使得光的穿透深度不足以使所有的催化剂同时受光，也会使制氢效率不能令人满意。因此，这样的反应器不适合放大生产。大尺寸的光催化分解水制氢反应器目前主要是薄层板式光催化反应器，即将催化剂固定在平板上，通过光照下一薄层流水流过催化剂板来进行反应的反应器(图2A和图2B)。图2A中的薄层板式光催化反应器系统包含，反应器入口1，带有横向/纵向支撑和不锈钢板的反应器2，光传感器3，储槽4，用于跟踪氢气的摄像头5，热电偶6，泵7，气体管线8，体积定量系统9，阀门10，计算机11。图2B为图2A中的反应器2的放大图。

发明内容

发明人发现，现有技术中的薄层板式光催化反应器虽然基本解决了上述问题。但仍有一些问题亟待解决。如：1)催化剂与目标物的接触不够充分；2)催化剂受光面积较小；3)由于光催化剂板不透光，因此反应器只能平铺，占地面积较大；4)催化剂板朝向固定，因此制氢效率对光入射角度比较敏感。如图3A所示，板式反应器，当光斜射时，制氢效率会变差。为了至少部分地解决现有技术存在的技术问题，发明人做出本发明，通过具体实施方式，提供一种光催化反应器阵列及其应用，从毛细管微反应器开始，构建多个层级的反应器阵列，提供大尺寸且性能优化的反应器。

第一方面，本发明实施例提供一种光催化反应器阵列，包括储槽，与所述储槽连接的分配器和收集器，及多个两端分别与所述分配器和所述收集器连接的反应器；