基于均匀光场的低流阻高传质光催化反应模块及反应器的制作方法

本发明属于光催化反应模块技术领域，尤其涉及一种基于均匀光场的低流阻高传质光催化反应模块及反应器。

背景技术：

随着社会的进步及生活质量的提高，人们对环境质量有了更高的要求，光催化技术以其自身具备的诸多优势成为环境污染治理的理想技术之一。近年来，光催化技术引起越来越多学者的关注，而光催化反应模块作为光催化过程的核心设备，它的结构直接决定了光催化处理污染物的效果。

目前，光催化反应模块主要有三大类：流化床式光催化反应模块、填充床式光催化反应模块、涂膜式光催化反应模块。流化床式光催化反应模块一般为柱状,光催化剂以粉体等颗粒形式填充在反应模块中,通过鼓气等方法使催化剂粉体与污染物充分接触，在光的照射下将吸附在表面的污染物降解、矿化。填充床式光催化反应模块是反应模块内填充光催化剂颗粒或表面涂有光催化剂的硅胶、γ-氧化铝、石英砂、玻璃珠等颗粒物，通过污染物流经光催化剂形成的固定床来实现催化剂粉体与污染物充分接触，在光的照射下将吸附在表面的污染物降解、矿化。涂膜式光催化反应模块主要是将光催化剂涂抹在反应模块的内外壁、灯管、不锈钢片、钛片、石英导光管、石英光纤等材料表面，在光的照射下将吸附在表面的污染物降解、矿化。

上述三大类已有光催化反应模块存在以下缺陷：前两种类型的反应模块经过不断的设计并改进，达到了一定的催化效果，但是目前流化床式光催化反应模块和填充床式光催化反应模块中普遍存在流阻大和传质受限等问题，导致其很难实现工业放大。涂膜式光催化反应模块克服了前两种类型反应模块流阻大的缺点，且在传质方面优于填充床式光催化反应模块，尤其涂膜式光催化反应模块更容易实现工业放大。然而，现有涂膜式光催化反应模块在传质方面仍有待提高。

技术实现要素：

针对以上技术问题，本发明公开了一种基于均匀光场的低流阻高传质光催化反应模块及反应器，其为基于均匀光场的条件下强化传质，使污染物与催化剂充分接触，促使污染物高效降解及矿化。

对此，本发明采用的技术方案为：

一种基于均匀光场的低流阻高传质光催化反应模块，其包括支架，所述支架内设有多个导流板，所述导流板上固载了光催化剂；所述导流板为多个折槽依次相互连接而成，相邻导流板的折槽的折线与支架水平面的夹角不同。其中，所述导流板为多个折槽相互连接而成，所述导流板从外形看，形成波浪的折叠形状。

采用此技术方案，将固载了光催化剂的板做成带折槽的导流板，提高催化剂的负载面积，增大了催化剂与污染物充分接触机会，以不同的角度放置折槽导流板并进行组合，组合导流板的折槽形成螺旋式前进的角度分布，以在保持低流阻的情况下实现螺旋式流体，在均匀光场的条件下，使污染物与催化剂充分接触，促使污染物高效降解及矿化。

进一步的，所述导流板为栅网。采用此技术方案，进一步降低流阻。

作为本发明的进一步改进，每个导流板的折槽的折角为60~150度。每个导流板的折槽的折角相同，即折线平行。

作为本发明的进一步改进，每个导流板的折槽的折角为90度。

作为本发明的进一步改进，所述折槽的深度不大于均匀光场中的光源间距。

作为本发明的进一步改进，所述导流板的板间距不小于折槽的深度。进一步的，所述导流板的板间距与折槽的深度相等。

作为本发明的进一步改进，导流板按照沿着流体传输方向，导流板的折槽的折线与支架水平面的夹角依次间隔1~15度设置。进一步的，沿着流体传输方向，所述导流板的折槽折线与支架模块水平面的夹角依次间隔的角度相同。进一步的，沿着流体传输方向，导流板的折槽折线与支架模块水平面的夹角依次间隔15度设置。采用此技术方案，使经过模块中的折槽的流体形成螺旋式前进，降低了流阻，同时增大污染物与催化剂充分接触，提高了传质效率。

作为本发明的进一步改进，导流板按照沿着流体传输方向，导流板的折槽折线与支架水平面的夹角依次按照0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°依次设置。采用此技术方案，在有限的模块体积内，大大降低了流阻，同时增大催化剂与污染物充分接触，提高了传质效率。

本发明还公开了一种基于均匀光场的低流阻高传质光催化反应器，其包括至少一个如上任意一项所述的基于均匀光场的低流阻高传质光催化反应模块。其中，基于均匀光场的低流阻高传质光催化反应模块可以沿着流体传输方向排列，也可以垂直于流体传输方向排列。

作为本发明的进一步改进，沿着流体传输方向，后一个基于均匀光场的低流阻高传质光催化反应模块为前一个基于均匀光场的低流阻高传质光催化反应模块旋转90度后设置。优选的，所述反应器包括至少四个基于均匀光场的低流阻高传质光催化反应模块，4模块连续旋转至360度后周而复始。

作为本发明的进一步改进，沿着垂直于流体传输方向的横截面，所述基于均匀光场的低流阻高传质光催化反应模块层叠设置，其中，每个模块中上下对应的导流板的折槽折线与水平面的夹角相同。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

第一，采用本发明的技术方案，将固载了光催化剂的导流板做成折槽形，且以不同的角度放置折槽导流板并进行组合，使折槽形成螺旋式前进的角度分布，以在保持低流阻的情况下，实现螺旋式导流，增加了传质时间，提高了传质效率，从而强化了传质效果。

第二，采用本发明的技术方案，反应模块结构具有周而复始的性质，易于放大；而且以栅网为光催化剂固载基材，流阻小，能耗低，传质效率高，当量处理量的能耗极大降低。

附图说明

图1是本发明一种实施例的导流板的折槽的结构示意图。

图2是本发明一种实施例的导流板的折槽折线与导流板底边夹角为0°的结构示意图。

图3是本发明一种实施例的导流板的折槽折线与导流板底边夹角为15°的结构示意图。

图4是本发明一种实施例的导流板的折槽折线与导流板底边夹角为30°的结构示意图。

图5是本发明一种实施例的导流板的折槽折线与导流板底边夹角为45°的结构示意图。

图6是本发明一种基于均匀光场的低流阻高传质光催化反应模块的结构示意图。

图7是本发明一种基于均匀光场的低流阻高传质光催化反应模块传质实际效果对比图。其中7a为对比例1的7块0°折槽形导流板排列而成的反应器的液体流态图，7b为实施例2的7块按照0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°折槽形导流板依次排列的反应器的液体流态图。

图8是本发明实施例2和对比例1的传质时间对照图。

图9是本发明实施例3的一种基于均匀光场的低流阻高传质光催化反应器的结构示意图。

图10是本发明实施例3的一种基于均匀光场的低流阻高传质光催化反应器的导流后传质的仿真效果图。

附图标记包括：1-支架，2-导流板，21-第一导流板，22-第二导流板，23-第三导流板，24-第四导流板，25-第五导流板，26-第六导流板，27-第七导流板，3-折槽，4-底边。

具体实施方式

下面对本发明的较优的实施例作进一步的详细说明。

实施例1

如图1~图6所示，一种基于均匀光场的低流阻高传质光催化反应模块，其包括支架1，所述支架1内设有多个导流板2，所述导流板2上固载了光催化剂；所述导流板2为多个折槽3相互连接而成，每个导流板2的折槽3折角相同，即折线平行，每个导流板2的折槽3的折角为90度。所述折槽3的深度不大于均匀光场中的光源间距。相邻导流板2的折槽3的折线与支架1水平面的夹角不同。所述导流板2为栅网。所述导流板2的板间距不小于折槽3的深度，典型的板间距为折槽3深度。折槽3的示意图如图1所示。

沿着流体传输方向，即从支架1的一侧到另一侧，导流板2的折槽3折线与支架1水平面的夹角依次间隔15度循环设置。即沿着流体传输方向，导流板2的折槽3折线与支架1水平面的夹角依次按照0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°依次设置。具体而言，该模块的支架1内沿着流体传输方向依次包括有第一导流板21、第二导流板22、第三导流板23、第四导流板24、第五导流板25、第六导流板26和第七导流板27，上述导流板2为将正方形的栅网制备成折槽3形。如图2所示，所述第一导流板21的折槽3折线与栅网的底边4成0°，也就是平行于底边4进行折叠。如图3所示，所述第二导流板22的折槽3折线与栅网的底边4成15°。如图4所示，所述第三导流板23的折槽3折线与栅网的底边4成30°。如图5所示，所述第四导流板24的折槽3的折线与栅网的底边4成45°，所述第五导流板25的折槽3的折线与栅网的底边4成60°，所述第六导流板26的折槽3的折线与栅网的底边4成75°，所述第七导流板27的折槽3的折线与栅网的底边4成90°。将上述导流板2装入支架1内，导流板2的底边4位于支架1的底部，如图6所示，也就是导流板2的底边4位于支架1的水平面上，这样，折槽3形导流板2依照折槽3折线与底边4形成的角度依次按照间隔一定角度排开，结构示意图如图6所示。

实施例2

如图6所示，按照实施例1的模块制备成单一模块的光催化反应器，其包括7块导流板，7块导流板的折槽3折线与导流板底边的夹角按照0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°折槽形导流板依次排列。

对比例1

一种单一模块的光催化反应器，其包括7块导流板，所有导流板的折槽折线与导流板底边夹角为0°，也就是所有导流板的折槽折线为水平的。

将实施例2和对比例1进行测试对比，如图7和8为传质的实际效果图，其中图7a为7块0°折槽形导流板排列而成的反应器的液体流态图，图7b为7块按照0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°折槽形导流板依次排列的反应器的液体流态图，图8为当量液体流经图6两个反应器时需要的时间。由图7a和7b对照可以看到，当导流板按照一定角度旋转方向，形成了更为广泛的流体分布，这主要是导流板螺旋式导流造成。由图8可以看到，导流后明显增加了传质时间，强化了传质，提高了传质效率。

实施例3

如图9所示，一种基于均匀光场的低流阻高传质光催化反应器，其包括至少两个如实施例1所述的基于均匀光场的低流阻高传质光催化反应模块，本实施例沿着流体传输方向有四个模块，垂直于流体传输方向有两层，一共8个模块。在沿着垂直于流体传输方向的横截面上，模块简单复制放大，即模块不做旋转，直接堆叠。在沿着流体传输方向上，后一个基于均匀光场的低流阻高传质光催化反应模块为前一个基于均匀光场的低流阻高传质光催化反应模块旋转90度后设置，也就是模块依次旋转90°，即0°进90°出、90°进180°出、180°进270°出、270°进360°/0°出，周而复始。

传质的计算模拟效果图如图10所示。由图10可知，导流后能形成明显的螺旋式流体，增加扰动，强化传质。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。