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分體式可更換光催化劑載板固定床微反應器的設計與應用

文檔作者：宋國花李文龍郭娜文檔來源：通化師范學院		更新日期： 2026年05月09日	點擊數：
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217
　綜述
引言
隨著我國對能源需求量的增加及環境污染問題的加
劇，亟須尋找一種新型的技術，既可以彌補能源需求的
不足，又可以有效地降解環境污染物。近些年的研究指
出：光催化是一種新穎的、環保、降解效率高的廢水處
理技術。在光催化技術中，最突出的特點就是以納米半
導體材料為光催化劑，利用太陽光能，將有毒有害物質
徹底氧化分解。
目前，光催化劑降解有機污染物的反應是在光催化
反應器中進行的，因此，正確選擇光催化反應器對于提
高光催化劑的利用率和其實際應用的潛力具有非常重要
的意義。高效的光催化反應器可使光催化劑與有機污染
物充分接觸，增加反應的活性位點。同時高效的光催化
反應器還可以增加光源的利用率，保證有機物質的徹底
氧化分解。所以，針對光催化技術，通常是將催化劑材
料性能研發和光催化反應器結構優化的研究同時進行，
而設計出高效合理的反應器結構則更可以充分發揮催化
劑的優點，以達到高效催化的目的。
一、光催化反應器的設計與研究進展
1.懸浮式光催化反應器
鄧洪全設計并研發了新型列管式光催化反應器，選
用含有甲基橙（MO）偶氮染料的溶液作為目標污染物，
以二氧化鈦為光催化劑進行了光催化降解實驗。實驗過
程中通過改變pH值、MO的初始濃度等重要參數驗證了
該光催化反應器的性能。實驗結果表明：當甲基橙的初
始質量濃度為20mg/L時，此反應器對污染物的脫色率最
高可達97.7%。
2.特殊載體涂膜光催化反應器
Danion等人設計一種新型光纖式反應器。這種光催
化反應器的優點在于，一是能夠增大光催化反應的接觸
面積；二是提高光源的利用效率。
Zhu等人利用新型流化床作為光催化反應器，選取
了相對比較難降解的三氯乙烯作為目標污染物。光催化
降解實驗證明利用該反應器可以有效地降解三氯乙烯，
其效率高達86.66%。并將該光催化反應器的效率與傳統
光催化反應器相比，前者顯著提高了光源的利用率。此
外還有諸多特殊新型的光催化反應器相繼研發并得以實
施。例如，光學纖維束化學反應器，其原理為：將二氧
化鈦均勻涂覆于光學纖維的表面，光催化劑就可以在膜
表面進行。此種光催化反應器可以增大固液接觸面積，
提高光催化反應效率。
再如，將二氧化鈦負載到鋼渣、活性炭以及蠶絲面
膜紙上，得到新型的光催化劑并且實現了對苯酚、亞甲
基藍和甲醛的高效降解。然而，目前對于廢水進行處理
的光催化固定床微反應器存在以下弊端：其一，懸浮式
反應器將納米粉體光催化劑形成懸漿體系，這種反應器
存在最大的難題是納米光催化劑難以回收；其二，填充
式光催化反應器能夠有效解決光催化劑的分離與回收的
難題，但是溶液濃度一旦增加，會降低光源的利用率，
導致反應成本增加，所以可能因此限制了這種光催化反
應器的廣泛應用；其三，目前光催化固定床微反應器的
催化腔采用復雜的連接和密封結構，無法根據不同類型
分體式可更換光催化劑載板固定床微反應器的設
計與應用
宋國花　李文龍　郭　娜*　　通化師范學院
【摘　要】光催化反應器是光催化反應進行的重要場所，其在整個反應過程中的作用不容忽視。本文針對目前固定
床微反應器存在的弊端，設計了一種光催化劑載板，可以隨時拆卸更換的分體式結構——光催化固定床
微反應器。光催化固定床微反應器主體由光催化劑載板、具有凹槽的上下兩塊板體和密封圈組成。兩塊
板體相對的一面均開設有凹槽，兩個凹槽正對并形成催化腔，板體具有進、出水口且通過螺栓螺母固
定。光催化劑載板置于催化腔凹槽內，粉末狀光催化劑可通過粘合劑涂覆于載板表面。實現光催化劑的
自由更換。選用中空TiO2、P25和ZnO為光催化劑，均勻涂覆于載板上，以剛果紅為靶標污染物，在可
見光照條件下進行光催化降解實驗。光催化降解剛果紅的實驗結果證明，以模擬太陽光為光源，P25、
中空TiO2、ZnO對CR的降解效率依次為91.85%、80.63%、81.37%。
【關鍵詞】固定床微反應器；光催化劑；TiO2；分體式
【DOI】10.12316/j.issn.1674-0831.2025.18.073
218
　綜述
污染物即時進行光催化劑的更換。且復雜的固定床層降
低了對光源的利用率。
針對上述研究瓶頸，本文試設計一種可以隨時拆卸
更換的分體式結構光催化固定床微反應器。光催化固定
床微反應器主體由光催化劑載板、具有凹槽的上下兩塊
板體和密封圈組成。兩塊板體相對的一面均開設有凹
槽，兩個凹槽正對并形成催化腔，板體具備進、出水口
且通過螺栓螺母固定。光催化劑載板置于催化腔凹槽
內，粉末狀光催化劑可通過粘合劑涂覆于載板表面，實
現光催化劑的自由更換。
同時選用中空TiO2、P25和ZnO作為光催化劑，均勻
涂覆于載板上，以剛果紅為靶標污染物，在模擬太陽光
照條件下進行光催化降解實驗，觀察載板上TiO2是否發
生脫落，同時通過計算，對比固定床微反應器與懸浮式
光催化反應器降解效率的差別。本篇論文的實施將為光
催化固定床微反應器的研發提供新的思路，為粉體光催
化劑的實際應用開拓新空間。
二、實驗部分
1.儀器與試劑
（1）儀器
電子分析天平、蠕動泵（配有硅膠管）、氙燈光
源、紫外-可見分光光度計
（2）試劑
剛果紅、PVDF黏合劑。
2.固定床微反應器試制
（1）固定床微反應器上下載板的設計
圖1　光催化反應器內部結構示意圖
圖1a所示為論文擬試制的光催化反應裝置以及儲液
瓶的結構示意圖；結合示意圖可以具體說明該光催化反
應器具體構造。
載板的設計是一上一下相對設置，兩個板體相對的
一面均設有凹槽，兩個凹槽相對形成一個催化腔，催化
腔由兩個帶有凹槽的板體相對形成，兩個載板可以通過
螺栓螺母固定，螺栓螺母的固定方式異拆解，而且光催
化劑載板是置于催化腔內，而不是固定在催化腔內，對
此，當需要更換光催化劑的時候就只需要把螺栓螺母拆
解后直接可以把光催化劑載板拿出來，另外，還可以使
用多個燕尾夾進行固定，使用多個燕尾夾沿載板周圍固
定，這個方法比螺栓螺母更容易拆解，也更容易更換光
催化劑。在上下載板之間，催化腔的周向外側設有密封
環，密封環為硅膠墊制成，而且這個催化腔具備進水口
和出水口，進水口通過一個三通管和進水管相連，出水
管則是通過一個三通管和出水管相連。
圖1a本文擬試制的光催化反應裝置以及儲液瓶的結
構示意圖。圖1b為上方的板體的結構示意圖；圖1c為圖b
的剖面圖；圖1d為下方的板體的結構示意圖；圖1e為圖d
的剖面圖；圖1f為密封環的結構示意圖；其中1為板體；
2為密封環；3為凹槽；4為儲液瓶；5為PU型氣動接頭；
6為進水管；7為出水管；8為進水口；9為出水口；10為
三通管。
（2）光催化劑載板的設計
光催化劑載板為毛玻璃板或者是有機玻璃板，毛玻
璃板表面粗糙，光催化劑易附著其上，在對廢水進行凈
化時，流動的水流不易將其沖刷下來，提高了使用的耐
久度，在需要更換光催化劑時，采用高壓水槍進行沖刷
即可。
三、結果與討論
本文選用剛果紅（ C R ， 初始濃度為1 0 m g / L ，
V=170mL）作為目標污染物。用蠕動泵將剛果紅溶液
以6 mL/min的速率連續注入微反應器。使用裝有模擬
太陽光濾光片（AM 1.5）的300W氙燈作為光源（PLSFX300DUV）
。每隔一定時間（1h）定期取出目標污染
物溶液測定其濃度。為了建立吸附-解吸平衡，該光催
化體系在光照之前在暗處循環1h。
圖2為本文中光催化反應器降解剛果紅（CR）的光
催化實驗圖。由圖可知，光催化劑涂負于光催化劑再版
后仍然表現出較強的光催化能力。沒有添加光催化劑的
時候，剛果紅自降解作用極為微弱，可以忽略。而當體
系一直置于暗處時，剛果紅的濃度有所下降，這是微弱
的吸附作用導致的。而且在1h后濃度幾乎不再下降，表
明體系在1h內即達到了吸附-解吸平衡。通過圖1可知，
在沒有光催化劑的作用下，CR的濃度降低了0.00%，而
219
　綜述
在無光照的作用下，CR的濃度有所下降，經過計算經
吸附作用CR的去除效率約為2.13%。隨后再來考察中空
TiO2、P25和ZnO三種光催化劑的活性。通過對比發現
P25的光催化活性最強，在5h內其對CR的降解效率高達
91.85%。中空TiO2的降解效率為80.63%，而ZnO的降解
效率則為81.37%。
圖2　不同光催化劑對CR的降解效率
光催化劑的再生能力是其能否實際應用的一個關鍵
因素，本文對ZnO進行了三次光催化循環測試，實驗結
果如下圖3所示。第一次光催化循環測試，ZnO的降解效
率為81.37%，第二次光催化循環測試，ZnO的降解效率
為82.28%，第三次光催化循環測試，ZnO的降解效率為
79.37%。ZnO較高的降解效率可能與如下因素有關：其
一，ZnO為單晶相的六方纖鋅礦結構；其二，ZnO表現出
在紫外區域有較強的吸收；其三，光催化劑的負載使得
每次光催化循環降解后可以全部用于下次實驗中，減少
了由于粉末懸浮造成催化劑的損失。因此，由以上結果
證明該光催化反應器對于提高光催化降解有機污染物以
及提高循環再生能力具有一定的作用。
圖3　ZnO光催化循環降解能力測試
四、結論與展望
通過以上試驗數據分析，得出以下結論：本文設計
的固定床微反應器可以實現光催化劑的自由更換，而
且涂覆于光催化劑載板表面的光催化劑也不會發生脫
落。利用中空TiO2、P25和ZnO三種不同催化劑進行水處
理試驗，在5小時內對CR的降解效率分別達到了91.85%、
80.63%和81.37%，可見光催化劑具有很好的應用前景。該
反應器結構簡單，便于操作和維護，具有很好的實用性。
本論文的實施可針對不同污染物即時更換不同性能的光催
化劑，以達到“因地制宜”、資源合理利用的目的。
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通訊作者：郭娜。
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