從1972年日本科學家藤島昭發(fā)現(xiàn)光催化現(xiàn)象開始，光催化已經(jīng)有五十年的發(fā)展歷程。近些年，光催化研究也開始從實驗室基礎研究逐漸向產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。由于傳統(tǒng)的釜式反應器存在受光面積小，光催化劑受光不均勻，傳熱效率低且有放大效應等問題，難以實現(xiàn)光催化產(chǎn)業(yè)化應用。

不同于傳統(tǒng)的釜式反應器，平板式光化學反應裝置結(jié)構(gòu)呈扁平狀，催化劑可均勻分散在板式反應器中。具有受光面積更大，光催化劑的光照均勻性更高，反應物與光催化劑的傳質(zhì)效率更高，放大效應小等優(yōu)勢，是光催化反應體系向戶外應用轉(zhuǎn)化的選擇。

但是當前大部分的研究工作都是在釜式反應器內(nèi)完成，要實現(xiàn)釜式反應器向平板反應器的轉(zhuǎn)化，需要考慮如下問題：

1、光催化劑的固定方式及用量

2、反應器的材質(zhì)

3、反應液濃度

4、流速

5、平板反應器內(nèi)的傳熱問題

6、床層厚度等

然而常規(guī)的平板反應器體積較大，單次實驗探索消耗的原料較多，不適用于初期的條件摸索，尤其是更換催化劑固定方式，反應器材質(zhì)以及床層厚度等條件。

PLR-SPRL實驗級光化學反應裝置用于早期實驗階段的條件摸索，它的反應器體積小巧，常規(guī)款工作面積僅10×10 cm²，可選5×5、15×15、20×20、25×25 cm²。實驗者可根據(jù)實驗情況更換不同的反應器，逐步增大反應面積，得到放大過程中的傳質(zhì)、傳熱以及反應動力學數(shù)據(jù)。

光催化劑固定方式對反應的影響

為了適用于不同類型的光催化劑以及反應，通常需要選擇不同材質(zhì)的基板去固定光催化劑。常用的光催化劑固定基材有無紡布、碳紙、碳布、高硼硅玻璃和有機玻璃等。

PLR-SPRL實驗級光化學反應裝置通過支撐塊的設計，可匹配上述多種基材的固定，滿足不同的實驗場景需求。

平板式反應器中的傳質(zhì)

反應液在流過平板反應器時，如圖所示會有層流運動和湍流運動。為了增大反應液和催化劑之間的傳質(zhì)，需要增大流體的縱向流動的速率。

雷諾數(shù)Re是用于衡量流體流動狀態(tài)的數(shù)值，對于非圓管流體流動，其計算公式如下：

當Re＞500時，流體開始由層流狀態(tài)向湍流狀態(tài)轉(zhuǎn)變。

以水為例，將其運動粘度V=0.013 cm²/s代入10×10 cm²平板反應器計算可得，當v＞8000 mL/min后，Re＞500，即當平板反應器在正常實驗條件下（0~200 mL/min）是處于層流運動狀態(tài)。

為了改善平板反應器內(nèi)部的傳質(zhì)問題，PLR-SPRL實驗級光化學反應裝置將流體層厚度d_L限定在3 mm以內(nèi)，減小反應物向光催化劑床層的擴散距離。同時將平板反應器傾斜放置，流體從底部進入反應器內(nèi)。一方面可以增大光催化劑的光照面積以及光照強度，另一方面通過流體向下的重力以及與床層的摩擦阻力來擾動流體，增大反應物向光催化劑床層擴散的概率，實現(xiàn)低流速下較高的傳質(zhì)效率。

對于傳質(zhì)效率低或者反應速率較低的光催化反應，PLR-SPRL實驗級光化學反應裝置還可進行密閉反應，或者通過儲液罐和循環(huán)泵實現(xiàn)反應液多次流入平板反應器內(nèi)，通過時間累計來計算光催化劑的活性，隨著工藝的優(yōu)化和產(chǎn)量的提高，可逐步切換為連續(xù)流模式進行光催化劑的活性計算。

平板式光催化反應的放大驗證

在實驗級平板反應器獲得如光催化劑負載量的優(yōu)化、流速的優(yōu)化及反應器材質(zhì)選擇等合適的參數(shù)之后，還需要在大面積的平板式反應器上進行放大驗證才能用于規(guī)?；慨a(chǎn)。

但是在實際放大生產(chǎn)時還需要考慮如下問題：

1. 傳熱的影響

實驗室所用的平板反應器可通過冷卻系統(tǒng)，如循環(huán)水、冰浴等方式及時帶走，對反應影響很小。但反應體系放大后，這種熱量的及時移走就變得不容易，極易影響反應進行的方向；

2. 反應效率

平板反應器面積的增大會影響反應的總停留時長，傳質(zhì)效率也會變化，從而影響反應效率及產(chǎn)量；

3. 負載工藝

將反應工藝放大時，光催化劑負載基板面積會相應變大，其耐壓性和穩(wěn)定性都會發(fā)生相應的變化，光催化劑的負載工藝以及負載基板的固定結(jié)構(gòu)都需要做出一定的調(diào)整以滿足大尺寸的反應需求；

4. 動力循環(huán)系統(tǒng)

反應器體積增大也會同時增大單位時間內(nèi)反應液的處理量，其相應匹配的動力循環(huán)系統(tǒng)如循環(huán)泵、輸送管道及儲液泵等都需要做出相應的放大處理，以保證足夠的循環(huán)效率，減少結(jié)構(gòu)上的動力損耗，降低成本。

PLR-SPRF小試級平板式光化學反應裝置推出了三個尺寸（40×40、60×60和80×80 cm²）的大尺寸平板反應器，其*大有效受光面積可達0.5 m²，而且可以將兩塊平板反應器通過快速接頭串聯(lián)組成受光面積為1 m²的平板反應器。

針對不同尺寸的平板反應器，泊菲萊科技在反應器結(jié)構(gòu)以及光催化劑基材固定結(jié)構(gòu)上都做了相應的調(diào)整。

在傳質(zhì)效率的優(yōu)化上，PLR-SPRF小試級平板式光化學反應裝置在反應器的進液和出液口都設置了相應的擾流結(jié)構(gòu)，反應器的流體層厚度也預留1~5 mm的可調(diào)空間，以減小反應器放大過程對傳質(zhì)效率的影響。

針對不同尺寸規(guī)格的反應器，PLR-SPRF小試級平板式光化學反應裝置通過計算反應器的持液量，優(yōu)化了其配套的儲液罐、輸液泵、流量計及輸送管道的長度與尺寸。

平板式反應器的量產(chǎn)放大

在放大實驗確認最終反應條件之后，就可以將尺寸（80×80 cm²，有效受光面積0.5 m²）的光反應器進行串聯(lián)或者并聯(lián)實現(xiàn)規(guī)模化的量產(chǎn)。

PLR-SPRG量產(chǎn)級光化學反應裝置用于光催化規(guī)模化量產(chǎn)。該裝置由反應模塊、液體驅(qū)動模塊、氣-液分離模塊和檢測控制模塊組成。采用PLC一體機控制，通過點擊觸控屏幕即可實現(xiàn)對反應過程量的監(jiān)測和調(diào)節(jié)，可監(jiān)測和調(diào)節(jié)參數(shù)包括反應體系溶液狀態(tài)監(jiān)測，如反應流量、反應壓力、溶液pH、ORP（Oxidation-Reduction Potential）等。同時，兼具反應條件控制量監(jiān)測，如反應液體總流量、反應單元流量、壓力等。

摘自：perfectlight_cn/Scene/detail/id/461.html