光催化凈化器反應器形式

光催化反應器形式為：流化床型、固定床型和蜂窩結構型等。固定床具有較大連續(xù)表面積的載體，將催化劑負載其上，流動相流過表面發(fā)生反應。流化床多適合于顆粒狀載體，負載后仍能隨流動相發(fā)生翻滾、遷移等，但載體顆粒較TiO₂納米粒子大得多，易與反應物分離，可用濾片將其封存在光催化反應器中而實現(xiàn)連續(xù)化處理。蜂窩狀反應器流動阻力小，最有應用前景，當前市售的納米光催化反應器多為此種形式。

當前，制約光催化獲得大規(guī)模應用的瓶頸問題是：①會產生有害副產物；②性能會衰減較快—俗稱材料“中毒”或老化；③光催化凈化效率不高；④耗能較高。

由于光催化發(fā)生的條件是：h_v≥E_g，h是普朗克常數(shù)，為6.626 ×10^-27J·s，v是輻射光頻率，E_g是半導體材料價帶和導帶之間的能級差。可見，較高頻率的輻射易產生催化反應。對TiO₂，E_g =3.2eV，因此，一般在紫外線光照射下光催化反應才能進行。

光催化反應器中采用的光源多為中壓或低壓汞燈。如前所述，紫外光譜分為UVA（315～400nm）、UVB（280～315nm）和UVC（100～280nm）。殺菌紫外燈波長一般在UVC波段，特別在254nm。在應用中采用所謂黑光燈（black light lamp）和黑光藍燈（blacklightbluelamp）效果較好，其輻射波長在UVA波段。185nm以下的輻射會產生臭氧，而上述兩種燈的輻射在240nm以上，故不會產生臭氧。

光催化反應的本質是在光電轉換中進行氧化還原反應。根據(jù)半導體的電子結構，當半導體（光催化劑）吸收一個能量大于其帶隙能（E_g）的光子時，電子（e^-）會從價帯躍遷到導帶上，而在價帶上留下帶正電的空穴（e^-）。價帶空穴具有強氧化性，而導帶電子具有強還原性，它們可以直接與反應物作用，還可以與吸附在光催化劑上的其他電子給體和受體反應。例如空穴可以使氧化，電子使空氣中的O₂還原，生成H₂O₂、·OH基團和?H₂O，這些基團的氧化能力都很強，能有效地將有機污染物氧化，最終將其分解為CO₂、H₂O，達到消除VOCs的目的。

一般采用納米半導體粒子為光催化劑，這是因為：①通過量子尺寸限域造成吸收邊的藍移；②與體材料相比，量子阱中的熱載流子冷卻速度下降，量子效率提高；③納米TiO₂所具有的量子尺寸效應使其導電和價電能級變成分立的能級，能隙變寬，導電電位變得更負，而價電電位變得更正，這些使其具備了更強的氧化還原能力，從而催化活性大大提高；④納米粒子比表面積大，使粒子具有更強的吸附有機物的能力，這對催化反應十分有利，粒徑越小，電子與空穴復合幾率越小，電荷分離效果越好，從而提高催化活性。

圖1為實驗所用的光催化凈化器，光催化反應器位于實驗臺上，反應器尺寸60cm×25cm×30cm，其左端為進氣口，連接甲醛氣體進入，右端為排氣口，實驗時，甲醛溶液在其左側甲醛揮發(fā)箱揮發(fā)得到甲醛氣體，經進氣管進入環(huán)境測試艙，再經反應器凈化，由排氣管排出凈化后的氣體，其中通過改變實驗中測試的實驗因素，分析反應器對甲醛的凈化效率，得出實驗結論。

1個1m×0.5m×1m的環(huán)境測試艙，其前端采用透明材料作為可視窗口。光催化反應器位于艙內的實驗臺上，其進出口均暴露于艙內空氣中。左側為甲醛揮發(fā)箱，用注射器準確抽取少量的甲醛溶液，迅速將其滴入到固定在揮發(fā)箱底部紙杯里的棉花團上，快速將揮發(fā)箱的蓋子蓋好，已知甲醛揮發(fā)箱采用水封的作用，密閉性良好；在甲醛揮發(fā)箱的一側底部安裝有一根通氣管與環(huán)境測試艙連通且管道上設有1個三通閥，一端進空氣、一端進甲醛氣體，兩端可同時開啟，即可使氣體混合進入環(huán)境測試艙內，根據(jù)環(huán)境測試艙內甲醛測試儀的濃度顯示來調節(jié)通入的空氣和甲醛氣體的量，以調節(jié)環(huán)境測試艙內甲醛氣體濃度；可開啟密閉艙內的小功率電磁式空氣壓縮機將甲醛氣體和空氣抽入環(huán)境測試艙內，艙內放置一個小型風扇，用于均勻混合艙內空氣，在實驗開始前一段時間內，風扇開啟，當艙內氣體混合均勻、甲醛測試儀讀數(shù)穩(wěn)定時再開啟凈化反應器進行實驗，以保證檢測到艙內甲醛濃度的準確性。

測試艙所有出口處均采用泡沫、膠布等進行密封。實驗結束后，利用大功率的電磁式空氣壓縮機將環(huán)境測試艙內的甲醛氣體抽到準備好的水溶液中，將其溶解，以免其擴散到空氣中，對人體造成傷害。