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1、天水师范学院毕业论文各专业完整优秀毕业论文设计图纸目 录摘要1引 言11光催化污水处理反应器的结构特点和工程化设计要求11.1光催化反应器的结构特点21.2光催化反应器工程化设计要求22光催化污水处理反应器的发展概况22.1光催化技术的起源22.2光催化污水处理反应器的发展32.2.1小试型实验室反应器32.2.2应用型光催化反应器的发展42.2.2.1聚焦型反应器42.2.2.2非聚焦型反应器42.2.2.3复合抛物面反应器53现代光催化反应器及改善反应器性能的研究方法与途径63.1光催化反应器上辅助其它污水处理技术73.1.1在固定床反应器上的辅助生物处理技术73.1.2与悬浮型和流化床型
2、反应器的辅助膜分离技术83.2结合对光催化剂的改性探索来改善光催化反应器的性能93.2.1光催化剂的改性93.2.2新型光催化剂的探索93.3对反应器结构设计上的新认识104光催化污水处理反应器的研究进展114.1光催化反应器工程化的所面临的困难114.2光催化反应器的发展前景125结论与展望12参考文献13英文摘要17致 谢18 太阳能降解水相有机污染物反应器的研究 （天水师范学院 生命科学与化学学院 甘肃 天水 741000） 摘要：概述了近年来处理工业污水的光催化反应器的研究进展，并对各种改善光催化反应器性能的方法与途径的研究现状进行了介绍。分析了光催化反应器工程化所面临的问题，提出了太
3、阳能降解水相有机污染物的光催化反应器的研究方向和未来发展趋势。关键词：太阳能；降解；污水处理； 光催化反应器；研究进展引 言据统计1，2001年中国的污水排放量为428.4亿吨，到2010年这一数字已经达到617.3亿吨，平均每年大约增加18.9亿吨。如此大的污染水体，若使用目前的一些处理技术（膜分离、氧化技术、生物处理等2），处理既不彻底还会造成能源的新浪费，而这些技术背后的巨大成本也使得一些行业望之却步。 太阳能光催化氧化技术，凭借其利用廉价的太阳光，来催化污染水体产生羟基自由基，进而去氧化降解一些有机物质。因为此技术能耗低、环保无污染等优势，吸引了众多的研究者。目前，人们对于光催化技术的
4、应用关键光催化反应器，提出了越来越多的构想：在化工行业，Dionysiou等3曾采用转盘式液膜反应器来对苯酚、氯化酚、林丹等有机溶液进行降解；在医药行业，Molinari等4运用外置式光催化膜反应器降解了医药废水中的利尿磺胺、安替比林等7种有害药物，杨武等5也采用内循环管式光催化反应器去降解喹啉；在农药行业，殷晓梅等6通过对乙酰甲胺磷农药的对比处理后，发现内照式反应器在此应用上性能更优；在染料行业，吴忠杰等7应用自制镍网负载纳米TiO2光催化反应器对酸性品红脱色处理。本文就将这些最新的研究进展进行汇总，并进一步探讨工程化进展的可行性和急需解决的问题，给今后的研究工作提供一些参考。1光催化污水处
5、理反应器的结构特点和工程化设计要求1.1光催化反应器的结构特点 有许多太阳能光催化反应器的结构，本文主要从催化剂的存在，考虑两种类型的反应器的特点。一类是固定式太阳能光催化反应器，这类反应器主要特点就是在反应器内壁、光源壳体外壁或某一载体表面负载上光催化剂，再通过处理液与这些壁面的接触来降解污染物质，此反应器的结构优势是可有效的避免光催化剂的流失；另一类是悬浮式太阳能光催化反应器，此反应器典型特点是催化剂悬浮于反应器的处理液当中，通过太阳能催化降解处理，此结构的优势是催化剂与处理液充分接触，提高降解效率。1.2光催化反应器工程化设计要求 太阳能光催化反应器工程化设计的要求有： （1）反应器必须
6、结构简单，易于工程化放大。这是对光催化反应器的基本设计要求。目前，一些研究者设计的反应器在污水处理上的效果、处理量也较为不错，但由于其结构的复杂不利于工程化放大，所以尚未被各个污水处理行业所认可。 （2）光催化反应器在技术和经济上同时可行。工程化以达到工业应用为目的，所以在工业上的光催化反应器必须在技术成熟的前提下降低成本，使其与其它处理技术相比有经济上的优势。 （3）处理量大且降解率受环境影响较小。光催化反应器的工程化就是要将其应用于大面积的污水处理领域，所以它的设计中就必须考虑到适用于大批量的处理液。又因为实际的污水处理当中，污水的成份、浓度、温度等都在处理过程中发生着变化，所以光催化反应
7、器的工程化设计中要求反应器的适应性要强。2光催化污水处理反应器的发展概况 反应器是伴随技术的应用型装置，是一种技术走向工程化的关键步骤。而光催化污水处理反应器就是配合光催化技术实现其应用价值的一种装置，其发展与光催化技术的发展密切相关，但也与工程技术的发展密不可分。 2.1光催化技术的起源 早在1972年，Fujishima等8就发现利用半导体TiO2单晶电极能通过光催化分解水，这由此成为光催化技术的开端。而后的1976年，Carey等9又报道了在水相中成功的利用TiO2光催化氧化法对多氯联苯脱氯，至此，光催化技术在环境保护领域中的应用被打开。接着在1977年Frank等10将半导体材料用于光
8、催化降解污染物，得到很好的效果。在之后的几十年里，光催化研究工作者在此基础上相继对大多数难降解有机物进行了研究，其对象涉及烃、多环芳香烃、酚类、染料、表面活性剂、农药和其他有机化合物11 。2.2光催化污水处理反应器的发展2.2.1小试型实验室反应器 伴随着光催化氧化这种新型氧化技术的发展，最先出现的光催化污水处理反应器为实验室中自制的小型光催化反应器，在其之后的不断改进和发展中,逐渐形成了以下四种较为典型的反应器形式（如图1所示6）:a.外照式反应器，b.内照式反应器，c.八位反应器，d.环光源反应器 如图1中a图的外照式反应器，它通过固定光源向反应器内部持续照射，由体系内的半导体催化剂来发
9、生反应，促使体系产生羟基自由基，再通过其发生氧化还原反应来降解，但此体系必须保证良好的透光性，否则降解效率很难达到。而在图1中b图内照式反应器中，透光性问题明显得以改善，但此体系的降解是静态过程，反应液不流动，故内部不能批量处理流动的液体，致使处理效率低，很难去进行工程放大处理。而在图1中c图八位反应器和图1中d图环光源反应器中，各种状况较前两种有很大改善，但也仍有不少需要被改进的方面，像八位反应器的反应体系中有死角，光线不能到达这些地方；而对环光源反应器来说，因其灯光布局的特点，反应体系只能受到照向它的光，这样反应体系既会造成光能的大量浪费，也会影响反应的转化。对于这些初级的实验室反应器而言
10、，它们可以被用于测试处理效果和动力学研究，而在工业放大上的应用，由于其自身设计的简易化很难被应用。下面就适合于工业应用型反应器的发展作一简述。2.2.2应用型光催化反应器的发展2.2.2.1聚焦型反应器抛物面槽型反应器（PTR）是最早的太阳能光催化废水处理反应器12。它是在线聚焦抛物面槽型聚能器（PTC）的基础上发展而来13。由于太阳光的变化，PTR建立跟踪装置跟踪，抛物槽焦线反应管将直射光聚合在上面，如图2所示。经过研究者们后续的研究发展，PTR形成了单轴跟踪光催化反应器和双轴跟踪反应器两种不同的形式。 图2 PTR截面反射示意 图3 平板型反应器2.2.2.2非聚焦型反应器 由于PTR仅限
11、于晴天使用，使用条件较为局限，所以，一些研究者又设计出了一类可在阴天使用的非聚焦型反应器，此类反应器既可聚集直射紫外光，又能接收散射的紫外光，其适用性能优于聚焦型反应器。下面将此类反应器最初的两种作一简述： （1）平板型反应器（如图3所示）。对一般平板反应器改进设计出使催化剂悬浮的细流平板反应器（TDFPR）14，此反应器用一层玻璃纤维网覆盖在平板上，使表面波的产生得到阻碍，促使处理液更加均匀的分布。但又由于在TDFPR处理废水后，悬浮体系中的催化剂不利于分离，对催化剂浪费较为严重。所以，研究者们在玻璃纤维网上负载了TiO2，通过对TDFPR设计思路的分析，制成薄膜固定床反应器（TFFBR）1
12、5,16，经实验发现，不管晴天还是阴天，此种反应器应用处理效果都很好，只因其对透光性要求高而致使水力负荷较低，故也很难被应用在工业化的废水处理中。基于以上反应器的各种缺陷，又有人设计出一种新型非聚焦平板型反应器双薄层反应器（DSSR）16,17,它是用有机玻璃制成的透明反应器，具有较高的光解效率。 （2）浅池型反应器18。浅池型反应器也有悬浮与负载之分。浅池型负载 反应器（如图4所示）是在玻璃纤维网上负载TiO2光催化剂并将其浸没在水面下，因与平板型反应器相比有着较大的处理量，故更有机会被运用于废水处理行业。对浅池型反应器而言，无论TiO2催化剂状态怎样，浅池的深度都受到透光性制约。增大光照面
13、积是进一步提高反应器处理量的唯一办法，而这又会使得浅池面积过大、成本过高。图 4 浅 池 型 负 载 反 应 器2.2.2.3复合抛物面反应器 复合抛物面反应器（CPCR）19。以上的两类反应器都有其各自的优缺点，研究者通过结合聚焦型的高效性和非聚焦型的可在阴天应用性设计成了复合抛物面反应器。CPCR可将激光角范围的所有直射和散射光均匀地反射在反应管的圆周上20（如图5所示）。与以上三类相比，CPCR的聚光度较高，反应体积一样的情况下，它的光照面积最少。 图5 CPCR的截面反射示意目前，随着一些工程技术的成熟和应用，反应器的发展步入了更高速的发展，像上述三类传统化反应器，早已被改进的反应器所
14、取代，如下表1所示。 表1：几种新型光催化反应器反 应 器应 用行 业 特 点三相内循环流化床光催化反应器21罗丹明B染料行业圆柱体结构，光源居中，底部装有曝气头，由气泡驱动循环填充床式光催化反应器22罗丹明B染料行业分离问题得以解决，但光利用率低斜板式光电催化液膜反应器23罗丹明B(RB) 染料溶液染料行业阳极偏压辅助,使光生电子与空穴的分离, 其脱色率和TOC去除率都很高环(管)状光催化反应器24酿酒厂废水酿酒行业光源在内部，废水通过气泡的推动来使反应液充分光照多叶转盘式光催化反应器25苯酚废水化工行业扩大接触面积，优化光源系统，光均匀分布，降解效果良好3现代光催化反应器及改善反应器性能的
15、研究方法与途径目前，对于改善光催化反应器性能的研究方法主要有两种：实验法和对比法。用实验法去测试反应器的实际性能，对反应器性能作出评价；用对比法将众多反应器性能进行对比，指导反应器性能的改进方向。由于光催化技术的不够成熟，再加之目前各类反应器的不同优劣性能，研究者们都面对着如何去改善光催化反应器的性能及其今后的发展方向。高超等26在对含酚废水的处理过程中总结了对处理该目标物质设备今后的设想，笔者认为这些设想也正是今后光催化反应器共同的设计思路，便将其整理：光催化技术与其他水处理技术相结合，发挥各自的优势；改进催化剂性能提高其活性；整合各类反应器优点，设计出高效、持续、稳定的反应器，是未来光催化
16、反应器的研究和发展方向。3.1光催化反应器上辅助其它污水处理技术 现在有不少研究者正在从单纯依靠光催化技术处理污水这一思路转变，将其它污水处理技术与光催化技术配合使用，从原来的技术替代变为技术间辅助。结果表明，效果大为可观，这为光催化反应器的发展开启新的方向。3.1.1在固定床反应器上的辅助生物处理技术因较好的光催化活性和较大的比表面积等，粉末TiO2已被普遍使用在此领域中。但粉末易凝聚且难以回收成为了制约粉末光催化剂工业应用的瓶颈27。故而将光催化剂进行固定的固定化光催化技术受到不少研究者亲睐，然而，由此种形式发展起的反应器有其致命的缺陷反应效率较低，难以降解大量的废水和高浓度的污染物。为解
17、决这一难题，李川等28将光催化的矿化彻底性与生物处理的高效性相结合，耦合光催化与生物处理对4-氯酚废水进行降解研究，结果大为改善。王磊等29也采用光催化氧化与生物降解一体式反应器（如图6所示）处理苯酚。 图6 光催化氧化与生物降解一体式反应器 由光催化氧化部分和生物反应部分组成了此反应器，如图，在反应器外部装有循环水泵，处理液在水泵的驱动下形成反应器内的循环，进而再由处理液的循环来达到较好的降解处理效果。研究者用对比试验验证，通过对苯酚的处理，光催化氧化与生物降解一体式反应器降解率与矿化度都比其单独使用时要强。3.1.2与悬浮型和流化床型反应器的辅助膜分离技术 悬浮型和流化床型光催化反应体系与
18、固定体系相比，反应接触面积较大和高效性等优点，使此体系也被一些研究者亲睐。而且，程刚等也提出流态化反应体系具有易于工业化放大的优势30。但悬浮型和流化床型反应体系也存在催化剂沉积、光透性矛盾和固液分离等问题31。为解决此方面问题，不少研究者也做出了许多优化和改进，而与其它水处理技术的复合技术也是重点研究的领域。膜分离技术就能很好的解决光催化体系中固液分离的难题。张爱勇等32通过对H酸溶液降解实验表明，悬浮型光催化-纳滤膜分离器可使底物彻底降解转化，而与悬浮型光催化反应器相比，其矿化程度也较高，且所用时间减短。但在此反应器中也出现了不少新问题：催化剂与底物等会沉积于膜上，故在反应器上将增加冲洗、
19、曝气等工艺来解决膜污染。 除与纳滤膜耦合外，光催化与其它不同孔径范围的膜也制成一些耦合反应器，如表2所示 表2：近年来的一些膜耦合反应器反 应 器应 用行 业特 点浸没式光催化膜反应器33苯酚废水化工行业稳定性更好,不易造成膜污染，成本低外置式光催化膜反应器34染料废水染料行业结构清晰，易组装、维修。催化剂易沉积旋转薄膜式光催化反应器35焦化废水煤化工行业设有曝气装置，形成循环，扩大接触面积，强化传质，提高利用率光催化- 陶瓷膜分离集成反应器36甲基橙废水染料行业结构简单、操作方便, 可进行中试和放大生产应用解立平等耦合光催化氧化和有机膜分离技术,设计了一种新型一体式光催化氧化-膜分离三相流化
20、床反应器（如图7所示）37。反应器下部是光催化氧化反应区，上部为膜分离区，性能上优于悬浮型光催化-纳滤膜分离器，因为此反应器膜组件底部有曝气装置，有效地避免了光催化剂和污染物的附着。因此类反应器有着优越的性能和良好的处理效果，有着显著的市场前景，故此类反应器也必将成为今后反应器改革的方向。 图7 一体式光催化氧化-膜分离三相流化床反应器3.2结合对光催化剂的改性探索来改善光催化反应器的性能在光催化反应器性能的发展方向中，光催化剂的发展也起着举足轻重的作用，它是反应器能够发挥作用的基础。所以，在光催化技术的发展过程中，研究者们也在不断的去探索催化剂的存在方式与催化活性。在未来研究中，对光催化剂进
21、行筛选和改性是悬浮型光催化反应器发展的重要研究方向之一38。3.2.1光催化剂的改性刘瑜等39首次采用溶胶-凝胶法制备了掺杂Ce的TiO2/SiO2复合纳米光催化剂(Ce-TiO2/SiO2)，并研究其在模拟阳光下对亚甲基蓝的降解性能，结果表明，在n(Ce):n(Ti):n(Si)=0.002:1:1时所制催化剂活性最好，在最佳降解条件下，降解率可达92.6%。李丽媛等40以钛酸纳米管为前驱体，通过添加NaF 高温水热合成了(001)面暴露的TiO2纳米薄片，并对其催化苯酚光降解行为进行了研究，结果发现，与钛酸型TiO2纳米管型光催化剂相比，具有明显的降解催化活性。任学昌等人41通过种子聚合法
22、,以聚乙烯亚胺(PEI)处理过的纳米Fe3O4为磁核，在低温(95)、中性(pH = 7左右)条件下,制备了一种磁载 TiO2光催化剂。并用此光催化剂对苯酚进行光催化降解时，效果也很好。3.2.2新型光催化剂的探索喻恺42发现可用铋酸钠催化降解孔雀石绿染料，通过试验发现：在相同反应条件下，铋酸钠对此染料的光降解活性优于TiO2和BiWO6。王春根等43采用溶剂热法合成了可见光催化剂SnWO4，应用其对甲基橙溶液为目标污染物的废水进行降解处理，实验表明：若控制好投加量和光照时间，去除率可达99.37%，而且在多次循环使用后，效果也能保持在85%。熊世威等44用水热法也制备出了磷酸铋(BiPO4)
23、纳米催化剂，以染料罗丹明B作目标污染物进行降解，结果罗丹明完全脱色，矿化率达99.9%。目前，这些被改性和发现的光催化剂越来越多，它们通过进行进一步的动力学研究后，若被应用于光催化反应器，反应器性能一定会有很大的提高。3.3对反应器结构设计上的新认识 通常，光催化剂负载型反应器和光催化剂悬浮型反应器是光催化反应器的两种不同类型。由于这两种反应器都有使众多研究者苦恼的弊端，也有着相互不可比拟的优势。近年来，一些研究者利用其各自优势，打破了它们在形式上的清晰的界限，设计出了一些新型光催化反应器。李洪辉等45设计了一种迷宫流鼓泡光催化反应器（如图8所示），它是将光催化剂负载在较小表面积的载体上，并使
24、其悬浮于反应液中的反应器。此反应器用气泵来使得反应体系内的固态催化剂负载颗粒与液态处理液均匀混合分布，使催化剂的催化性能充分发挥，此体系还设置了折流板，更加保证了处理液在体系中的停留时间，使催化剂与处理液充分接触。 图8 迷宫流鼓泡光催化反应器杨毅等46也设计了一种带有旋转叶片且可负载光催化纳米材料的光催化反应器（如图9所示），以制备的纳米TiO2/硅藻土复合材料作为光催化剂来处理TNT生产废水，结果表明，多次重复后，降解效率仍在75%以上。 图9 旋转叶片光催化反应器 以上的两种反应器在之前的基础上已有很大的进步，而它们目前仍采用外照式的光源，它的透光性是否能很好的解决还尚不能确定，所以，仍
25、需进一步的研究来确定。虽然这类反应器还不能保证它的工程化应用的可行性，但这种形式上界限的破除，使得今后的研究者在反应器的设计上又有了新的思路。因此，在今后的发展方向中，对此反应器分类形式上的淡化和设计结构上的优化也将成为改善反应器性能的一个方向。4光催化污水处理反应器的研究进展4.1光催化反应器工程化的所面临的困难 近年来，随着对光催化反应器由浅到深的研究，许多研究者都开始转变原来的思路，打破反应器技术和形式上的界限，并由此设计出了不少可行性的反应器。但就目前反应器的现状而言，太阳能光催化污水处理技术仍不够完善，而对于光催化反应器的设计研究也还在探索。所以，当前光催化反应器工程化的可行性仍面临
26、着不少挑战： (1)一体化程度不高，结构设计较为复杂。反应器形式的界限虽已打破，但要设计集各优势于一体的反应器仍不容易。所以，要解决的问题是既要达到悬浮式光催化反应器的传质效率，又要有负载式的催化分离一体化效果，同时兼顾光源的分布、利用率47。有一些反应器（迷宫流鼓泡光催化反应器、旋转叶片光催化反应器）虽符合了一体化的设计，但由于刚起步，其处理量和复杂性也限制了工程化的可行性。并且，目前研究人员虽然对污水处理技术有了新的突破，但也只局限于在生物处理和膜分离这两项上，以后是否能将其它更多的处理技术辅助于光催化反应器上，并实现由光催化技术为主的多技术的联合应用这都是尚不能确定的。 （2）条件要求严
27、格，受体系干扰大。程庆利等48曾对在蒸馏水、人工海水和天然海水中的对硝基苯胺（PNA）进行对照处理，结果发现其在天然海水中的处理效率最慢。而除此之外，反应器部件的耐用性和光催化活性的持久高效性对于工程化应用也十分重要。如何在实际的处理工程中，使种类繁多、成分复杂的工业废水达到与实验室成果相差不大的程度，使反应器拥有广泛的使用条件；预防在底物等的影响下使光催化剂发生变性、探索更为高活性的催化剂等都是需要解决的难题。 （3）光源利用率低，工程造价高49。实验室研究阶段的光源多为紫外灯；紫外光易被吸收；损失严重，不利于实际工程应用。此外，虽然对于光催化技术的研究和光催化反应器的设计都很迅速和广泛，但
28、从市场的角度看，它在应用中对传统技术没有经济上的优势，想要它被市场接受，反应器的设计和应用成本都必须要有所下降。4.2光催化反应器的发展前景 尽管目前反应器的设计还只停留在实验室和基础性应用阶段。但随着大众对于高效、低能耗及无污染技术的认识，光催化反应器的发展将极大的被促进，进而所面临的难题也将迎刃而解。通过对比发现，光催化技术与其它处理技术的联用更具有发展潜力，如在光催化与膜分离技术中，不仅能完全降解有机物，还能将光催化剂有效的分离，加之膜的特性还能对其它一些污染物和中间产物进行分离截留，这也为大规模的工程化应用奠定基础。5结论与展望光催化污水处理反应器工程化应用的实现任重而道远。今后光催化
29、反应器的发展趋势：悬浮与负载一体化，形成优势互补；光催化技术与其他处理技术相结合，各取所长；催化剂的选用由单一向多元。我们目前急需解决和处理的就是工程化所面临的那三方面的挑战。相信随着光催化处理技术的稳步发展和国内外研究与工程实践的推动，太阳能光催化污水处理反应器必将达到工程化应用的目标。参考文献1 2011年中国污水处理行业研究报告EB/OL.清木华研究中心.2011-06-10.2 关红安,罗建中,卢军,等.石油化工污水深度处理与回用的研究进展J.广东化工,2010,37 (5):15-16.3 Dionysiou D D, Khodadoust A P, Kern A M, et al.
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