[发明专利]二氧化钛光催化微反应器

说明书

技术领域

本发明涉及一种高效TiO₂光催化微反应器，属于化学工程装备设计技术领域。

背景技术

自1972年Fujishima和Honda发现TiO₂电极光致分解水以来，TiO₂所表现出的种种独特性质，使之在众多研究领域中备受青睐。TiO₂众所周知的光催化活性、较高的稳定性、无毒及容易获得等优点，使之成为目前最有潜力的光催化材料，特别是1998年Kasuga首次采用浓NaOH热处理法合成了TiO₂纳米管以来，如同1991年NEC公司的Iijima发现碳纳米管所引发的纳米管革命一样，新结构带来的新效应让众多研究者为之振奋，TiO₂纳米管的研究和应用在众多领域，特别是在光催化领域得到了突飞猛进。

但是，目前有关TiO₂光催化的反应器的开发研制严重滞后于TiO₂光催化剂的研究和发展，制约着TiO₂在光催化领域的实际应用。传统的光反应器根据TiO₂在反应体系中的存在形式分为固定式（如液膜型反应器、固定式填充复合床光催化反应器等）和悬浮式（如流化床式光催化反应器、光催化与膜分离一体化反应器、光催化与磁性分离反应器等）两大类，固定反应器虽然解决了催化剂回收及重复使用的问题，但存在有效催化面积小，光线透过反应液有衰减，光利用效率不高、传质效率不高等问题。悬浮式反应器虽然通过催化剂的悬浮分散提高了催化剂的有效利用面积和催化效果，但催化剂的回收比较困难，后处理难麻烦，重复使用性差，或者设备较为复杂等缺点。

发明内容

本发明的目的是提供一种能提高反应器的传质效率，达到有效的催化分离一体化，并提高光源的分布和利用率以及催化剂的光响应范围的高效TiO₂光催化微反应器，以克服传统TiO₂光催化反应器的主要不足。

 为达到上述目的，本发明实现过程如下：

一种二氧化钛光催化微反应器，其特征在于：在反应器内，光纤（3）下端穿过微孔玻璃片（9）支撑在多孔玻璃砂隔板（6）上，上端与透光片（15）固定，反应器底部设有进气管道（7），侧面设有检测口（10）和进样口（2）。

所述反应器外部为双层夹套，填充液体介质实现控温。

二氧化钛光催化微反应器的一种实现方式是水循环式，双层夹套为玻璃材质，填充液体介质为水，双层夹套下部设有循环水入口（4），上部设有循环水出口（12）；另外一种实现方式是电加热式，所述反应器外部设有电加热带（17）控温。

二氧化钛光催化微反应器内的光纤（3）外表面为TiO₂薄膜，最好是锐钛矿型的TiO₂纳米管薄膜。

所述的TiO₂纳米管薄膜通过以下方法实现，首先在光纤表面镀金属钛，金属钛经过阳极氧化得到致密、均匀、附着牢固的TiO₂纳米管薄膜。 

光纤表面镀金属钛采取下述方法之一：

（1）将光纤置于电镀槽中，垂直置于由环形电极形成电流密度场进行电镀，使其表面形成致密均匀的金属钛层，厚度达到50-60nm时停止电镀，取出光纤，超声清洗，烘干备用。

（2）采取阴极溅射法在光纤表面溅射50-60nm的金属钛。

金属钛经过阳极氧化的方法如下：

（1）将镀有金属钛的光纤在4% HF和5M HNO₃等体积混合液中浸渍30秒，取出清洗、干燥；

（2将光纤作为阳极垂直放置于内部半径为4cm的环形石墨阴极中心，以0.5% HF溶液为电解液，20V稳压直流电氧化1小时，得到TiO₂纳米管直径为50-80nm，长度50-60nm；

（3）取出光纤，清净、干燥，在400℃保留1小时，使无定形的TiO₂纳米管转化为锐钛矿型纳米管。

本发明的优点与积极效果：

(1) 本发明提高了有效催化表面积（A）与反应容积（V）的比值；

 (2) 光源入射方式由传统外射式改为内射式，极大的降低了光经过溶液后的衰减，提高了光利用率； 

(3) 光反应单元上的催化剂层相比传统涂膜方式获得的反应层更为均匀、致密和牢固；

(4) 相比传统粉末状催化剂而言，本反应器中不存在催化剂团聚情况，也不涉及催化剂回收问题，易于长时间重复使用；