可调控三相光催化微流反应器的开发及其特性研究

Three-phase photocatalysis utilizes the materials in the solid, liquid and gas phases and has been proven to significantly enhance the photodegradation efficiency of wastewater. However, traditional reactors like the fluidized bed reactors have the difficulty in controlling the three-phase interfaces stably, precisely and repeatably. In recent years, microfluidics has shown its great potentials in solving some long-standing problems of photocatalytic reactors, such as mass transfer limit and the photon transfer limit. However, the reported studies (including the applicant’s work) mostly utilize only the solid phase and the liquid phase. This project proposes to build up a novel three-phase photocatalytic microreactor by generating periodic micro-bubbles in the running micro-flows, with the aim to control the interfaces of three phases precisely. By using this reactor as a controllable platform, this project will then investigate the kinetics and the parametric influences of light, solid, liquid and gas, and will try to examine the physical and chemical mechanisms in the interfaces and surfaces, with the hope to accumulate the theoretical knowledge and experimental techniques for the design and optimization of large-scale three-phase photocatalytic reactors in future.

三相光催化技术同时使用固、液、气三相材料，能够显著提高光催化废水降解的效率。但是传统的催化反应器如流化床等，难以实现对三相界面的稳定、可重复、实时可调的操控。近年来微流体技术为光催化反应器打开了新思路，解决了光催化技术的一些传统难题如传质效率、光子利用效率等限制。不过，已报道的工作（包括本申请人的研究），多数是基于固、液两相。本项目拟构建一种新型三相光催化微反应器，通过在微流体中产生周期排列的微气泡，精确调控三相界面，提升催化性能。并且基于此反应器平台的可调控性，细致研究三相光催化的动力学过程和光、固、液、气等各个参量的影响，深入探索三相界面与表面的光催化反应机理，努力从理论基础层面到技术实现层面全方位研究三相光催化技术和反应器的结构设计及性能优化等一系列问题，为将来制作大型三相光催化反应器，提供理论指导和技术积累。

光催化因其具有反应条件温和、能耗低、操作简便、能矿化绝大多数有机物、可减少二次污染，且可利用太阳光作为清洁能源等诸多优势，已广泛应用于环境、能源、化工、生物、医学等诸多领域，尤其在污水处理领域具有相当大的应用潜力。而多相光催化反应器的设计是光催化技术实用化过程中需要解决的焦点问题之一，其本质就是要在技术和经济等多层面上进行优化，这对工业化水处理光催化反应器的应用具有指导意义。.本课题首先基于大型光催化水处理的需求，设计并制作了可调控三相光催化反应器，探索了光催化剂在微反应器内壁的原位负载技术，实验研究并分析了气、液、固影响反应器整体性能的规律；通过仿真计算得出气液固三相的界面与表面动力学过程，验证了三相流体的相互作用和影响。.同时，本课题利用光流控技术优势，结合实验分析和流体动力学仿真计算的研究方法，设计并制作了可产生周期性规整排列的微气泡的微结构和可调控三相光催化反应区域的结构，并实现了光催化剂在微反应器内壁的原位负载，系统考察了流速、气体种类和占空比等对该三相光催化反应器水处理效率的影响，从而确立了各相在反应器中的最优化配比，并通过建模仿真计算辅助且详细地分析了微气泡在该类型的三相光催化反应器中作用和动力学机理。.本课题的研究成果，不仅可以为我国水处理工业中对光催化反应器的设计和制造提供科学依据，为光催化反应器中光、固、液、气多参量优化配比提供一种有效的技术实现方法，还为光催化反应器的综合性能评估提出了一种新的预测方法，为大型三相光催化反应器的设计优化提供理论指导和技术积累。本课题研究成果既可以极大地提高我国光催化水处理技术水平，还将辐射到整个水处理工业中，为水环境可持续发展提供有效的技术支撑和保障。