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微化知識(shí)
矩形微通道反應(yīng)器的設(shè)計(jì)和材料對(duì)有機(jī)污染物光催化分解的影響
- 作者:科芯微流
- 發(fā)布時(shí)間:2022-08-02
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光催化是一種潛在的降解水中有機(jī)污染物的技術(shù),如對(duì)環(huán)境有潛在危害的芳香族化合物。光催化可將水中殘留的微量有機(jī)污染物礦化并除去微生物,這使得光催化技術(shù)成為一種非常適用的廢水處理技術(shù),也是一種有價(jià)值的替代傳統(tǒng)飲用水處理技術(shù)和用于制藥行業(yè)的超純水生產(chǎn)技術(shù)。該文章的目標(biāo)是在反應(yīng)器的尺寸和材料方面找到矩形微通道反應(yīng)器的優(yōu)化設(shè)計(jì),以提高光催化活性。并以固定化二氧化鈦(tio2)為光催化劑,設(shè)計(jì)、制備并測(cè)試了微通道反應(yīng)器,研究了微通道尺寸、材料對(duì)水楊酸光催化降解的影響。
1.微通道反應(yīng)器的設(shè)計(jì)
二氧化鈦(tio2)是最常用的半導(dǎo)體光催化劑,因?yàn)樗哂懈叨鹊墓饣钚?、光穩(wěn)定性、生物和化學(xué)惰性且比較便宜。利用二氧化鈦光催化劑進(jìn)行水處理的光化學(xué)技術(shù)是一種非常潔凈的方法,考慮到經(jīng)濟(jì)和實(shí)際的原因,最有用的二氧化鈦光催化劑形式是在一個(gè)方便的載體上涂上薄膜或涂層。但是,傳統(tǒng)固定化系統(tǒng)存在規(guī)模化難度系數(shù)大、界面表面積小、傳質(zhì)受限等問(wèn)題。微通道反應(yīng)器具有層流、分子擴(kuò)散距離短、比界面面積大和優(yōu)良的傳熱特性,且具有大的表面與體積比,即可使最大限度的試劑與催化劑接觸,從而彌補(bǔ)了與固定光催化劑相關(guān)的缺點(diǎn),所以微通道反應(yīng)器可能被證明是適合的。特別是對(duì)于光化學(xué)反應(yīng),與大型反應(yīng)器相比,微反應(yīng)器表現(xiàn)出更高的空間照明均勻性和更好的光穿透性。為了避免制造微納米反應(yīng)器的困難和在微納米尺度上光源的昂貴成本,該文章引入典型的特征尺寸在 500 μ m 和 2 mm 之間的矩形微通道反應(yīng)器。
在微通道反應(yīng)器的設(shè)計(jì)方面,通過(guò)適當(dāng)優(yōu)化反應(yīng)器的幾何尺寸和形狀以及使用不同的材料,可以得到一個(gè)有效的光催化微反應(yīng)器。在設(shè)計(jì)微通道反應(yīng)器時(shí)需要注意以下幾個(gè)方面:(1)保證整個(gè)光催化劑表面得到均勻和充分的照射;(2)達(dá)到反應(yīng)物與光催化劑表面的最高接觸,即大的表面體積比;(3)增加污染物從溶液到催化劑表面的傳質(zhì),即高傳質(zhì)系數(shù)。此外,催化劑的載體材料在光催化性能中起著重要的作用。在微反應(yīng)器材料方面,以往的研究工作大多局限于少數(shù)幾 2 個(gè)反應(yīng)器作為支撐材料,如陶瓷、硅片和玻璃。有研究表明,聚合物材料和金屬基板作為微通道反應(yīng)器的制作材料具有重大意義。因此,該文章測(cè)試了用不同材料制作的微反應(yīng)器,從而確定了環(huán)氧聚合物,聚碳酸酯和鋁作為有價(jià)值的光催化微器件材料。
2.微通道反應(yīng)器的制備
該研究制造了矩形微通道反應(yīng)器,在其中沉積二氧化鈦?zhàn)鳛楣獯呋瘎?。采用不同材料制備微通道反?yīng)器。環(huán)氧聚合物微通道反應(yīng)器是用立體光刻技術(shù)制造的,而鋁和聚碳酸酯微通道反應(yīng)器是用機(jī)械加工技術(shù)制造的。該文章利用自制的立體光刻儀,在環(huán)氧樹脂上制備了不同尺寸的聚合物矩形微通道反應(yīng)器。立體光刻技術(shù)是基于光聚合的過(guò)程,其中液體樹脂在激光照射下轉(zhuǎn)化為固體聚合物。模型是通過(guò)連續(xù)固化樹脂材料層,直到三維物體形成,聚合物微反應(yīng)器如圖所示。
圖 1 聚合物微通道反應(yīng)器示意圖
該研究在自制的鋁和聚碳酸酯矩形微通道反應(yīng)器上進(jìn)行了光催化降解實(shí)驗(yàn)。反應(yīng)器的材料由一塊厚的長(zhǎng)方形鋁板或聚碳酸酯板組成。反應(yīng)器的頂部機(jī)械地開(kāi)有一個(gè)矩形微通道的槽。微通道的寬度為 1 mm,高度為 0.5 mm,長(zhǎng)度為 70 mm。根據(jù) Furman 等的方法,將 tio2 樣品沉積在微通道反應(yīng)器的通道內(nèi)表面上。將二氧化鈦的水溶液懸浮液倒在微通道上,去除多余的部分,把濕潤(rùn)的通道在 50°C 下干燥 1 小時(shí)。根據(jù)構(gòu)成反應(yīng)器的材料的性質(zhì),這種涂層過(guò)程重復(fù)了幾次:鋁反應(yīng)器重復(fù)了 15 次,環(huán)氧聚合物反應(yīng)器重復(fù)了 20 次,聚碳酸酯反應(yīng)器重復(fù)了 23 次。為了除去松散的顆粒,在運(yùn)行的蒸餾水下漂洗后,沉淀物的數(shù)量通過(guò)稱量沉淀物前后的干燥反應(yīng)器來(lái)確定。這個(gè)制備過(guò)程可以控制涂覆催化劑的質(zhì)量,并在通道的整個(gè)表面獲得均勻的一層。在催化劑沉積之后,用環(huán)氧樹脂膠將微反應(yīng)器密封在玻璃頂板上。
3.微通道反應(yīng)器的優(yōu)化
為了優(yōu)化微通道反應(yīng)器的設(shè)計(jì),該文章以光催化降解水楊酸為實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ),研究了微通道尺寸和材料對(duì)光催化效率的影響。研究表明所有的微通道反應(yīng)器表現(xiàn)出相同的行為,當(dāng)污染物濃度和流量較低時(shí),可以觀察到較高的降解率。從數(shù)據(jù)中沒(méi)有證據(jù)表明,反應(yīng)器的組成元素的性質(zhì)影響光催化過(guò)程,微通道反應(yīng)器材料對(duì)光催化活性的影響幾乎為零。微通道尺寸對(duì)降解率有一定影響:在相同的實(shí)驗(yàn)條件下,通道寬度最大,通道高度最低的反應(yīng)器具有最高的光催化活性;相反,隨著微通道長(zhǎng)度的增加,降解率有相當(dāng)規(guī)律的增加。因此,在存在傳質(zhì)限制的情況下,可以利用相關(guān)經(jīng)驗(yàn)來(lái)優(yōu)化微通道的幾何尺寸,以達(dá)到理想的光催化性能。