一种多通道光催化反应装置的制作方法

专利名称：一种多通道光催化反应装置的制作方法
技术领域：
本发明属于多通道反应装置领域，特别涉及一种用于光催化反应的多通道反应
直O
背景技术：
在光催化领域，如光催化降解有害的有机物等领域，常常需要对多种催化剂进 行筛选，寻找活性较高的催化剂，另一方面，在对某一确定的催化剂进行研究时，也常 需要对其具体的反应条件进行研究，以发现其内在的规律并达到优化反应条件的目的。 传统上对这些研究一般采用在同一个反应器中逐一进行反应的方法，这种方法最大的缺 点是费时费力，浪费资源，而且每次反应的条件很难控制到完全一致，反应的重现性较 差。随着组合化学的出现，这一问题得到了很好的解决。组合化学高通量反应装置 可以在相同的反应条件下同时进行多个化学反应，大大提高了研究的效率，同时也提高 了研究的准确性。近些年来，随着光催化降解研究在空气污染和水污染中的广泛应用， 对光催化反应的研究也成为了催化研究领域的热点，为高通量的光催化研究方法带来了 更大的需求。中国专利申请《一种光催化剂制氢性能快速评价的多通道反应装置》(申请号为 200710099875.1)公开了一种多通道的光催化反应装置，该装置只有单一的管式光源，构 成反应系统的多个石英管均勻分布在管式光源的周围，通过与管式光源连接的电机的旋 转来保证反应管的受光均勻。但该装置只适用于液固相催化反应，对于固定床反应器， 由于固定床中催化剂阻挡了光线的通过，反应器中与光源相对的另一侧则得不到充足的 光照，使得光催化反应不能很好的进行。中国专利申请《可见光敏化光催化剂及列灯式填充床反应装置》(申请号为 200510063617.9)公开了一种列灯式填充固定床光催化反应装置，其采用列灯式紫外灯排 布方法，催化剂填充于灯管组成的列管间隙中。该方法虽然能使催化剂得到较充足的 光照，但其灯置于玻璃套管内然后排布于反应器中，没有采取任何的冷却措施，在催化 反应的测试过程中很难排除热催化对反应所带来的影响；而且它一次只能测试一种催化 剂。

发明内容
本发明的目的在于提供一种应用于光催化反应的多通道反应装置，该装置可以 适用于多种不同类型的催化反应，能够为反应提供均勻且足够强度的光照。为实现上述目的，本发明的多通道光催化反应装置，包括光源系统、反应系统 和冷却系统，其种光源系统由N个管式光源组成，N为大于1的整数，反应系统由M个 透光的反应管组成，M为大于1的整数，N个管式光源均勻围绕在M个透光的反应管周 围。
根据不 同的反应需求，可以选择不同的光源，也可以通过在光源系统与反应系 统之间设置滤光片来达到对光源的选择。为了方便滤光片的更换，在光源系统与反应 系统连接的位置设计有多个卡槽，其大小、厚度与滤光片的大小、厚度相符，将每个卡 槽都放置相同的滤光片后，能够使到达反应系统的所有由光源发出的光都必须经过滤光 片。为了实现相同的目的，也可以采用一个圆筒形的水套，水套中装入可以吸收特定 波长光的溶液来达到滤光的效果，比如亚硝酸钠溶液可以过滤掉400nm波长以下的紫外 光。管式光源可以根据反应的需求来选择，比如汞灯、氙灯等，通常，管式光源优选用 汞灯。由于光源系统中包含了 N个管式光源，所以在反应过程中光源会产生大量的 热，一方面为了尽量降低高温可能引起的热催化对光催化反应的影响，另一方面太高的 温度也可能会给管式光源(如汞灯)的使用带来危险，所以需要冷却系统将管式光源产生 的大部分热量带走。冷却系统可以为分布在光源系统和反应系统下方的L个风扇(L为 正整数)，此时，光源系统和反应系统的上下方都为非封闭状态(比如上下面板上分布有 许多透气的孔)，以利于空气的流通。如果只使用一个风扇，其可以置于光源系统和反 应系统下方的中央位置；如果使用多个风扇，则均勻地布置在光源系统和反应系统的下 方。当然，也可以使用其他任何能产生风的装置来代替风扇，比如直接使用压缩空气进 行吹风。冷却系统也可以为分布在管式光源周围的循环液体冷却装置，通过冷却液体的 循环来达到降低反应装置内温度的目的。如果管式光源数量比较多时，产生的热量比较 大，为了达到最佳的冷却效果，冷却系统可以是分布在光源系统和反应系统下方的L个 风扇(L为正整数)和分布在管式光源周围的循环液体冷却装置的结合。为了能给反应器提供均勻且足够强度的光，管式光源的个数N优选大于2。为了能给反应器提供均勻且足够强度的光，管式光源的个数N优选等于M的整 数倍。本发明的多通道光催化反应装置中反应系统为M个透光的反应管，反应管可以 为上下开口的固定床管式反应器或流化床管式反应器，可以为下端封闭的管式反应器。 为了达到较好的透光效果，通常选用石英管反应器。为了获得更好的光均勻性，可以采用围绕着反应系统勻速转动的光源系统。将 N个管式光源均勻地固定在一个环形的圆轨上(管式光源的电源通过电刷连接)，圆轨由 最少三个均勻分布的滚轮支撑，其中一个滚轮上连有电机，通过电机带动滚轮进而带动 固定有N个管式光源的圆轨旋转，获得一个勻速旋转的光源系统。为了避免较强的光线对人体以及反应装置外的其他物件造成不必要的影响，在 光源系统和反应系统外围有一不透光的桶形外壳，其可以为圆捅形状、方桶形状或其他 形状，为了保证空气的流通以获得较好的冷却效果，桶形外壳的下方为敞开状态，桶形 外壳的上方可以为完全敞开状态，也可以使用带有多孔的顶盖来减少光的外漏。为了达 到更好的冷却效果，桶形外壳采用导热效果较好的金属材料制成。本发明还涉及一种多通道光催化反应装置，包括光源系统、反应系统、冷却系 统和分流系统，其特征在于光源系统由N个管式光源组成(N为大于1的整数)，反应系 统由M个透光的反应管组成(M为大于1的整数，此时反应管为上下开口的固定床管式反 应器或流化床管式反应器)，N个管式光源均勻分布在M个透光的反应管周围，分流系统为一个M通道的分流器，分流器的M个出口分别与M个透光的反应管的入口相连接。上述分流器包括顶盖、M个分流柱体、底板、流体导出管及紧固密封件，每个 分流柱体中都有单独的流量调节机构，流量调节机构包括多孔板、弹性填料以及压缩弹 性填料的压缩装置，所述的压缩装置可以为中空螺杆、中空推杆构成，所述弹性填料优 选弹性小球。当采用固定床或流化床管式反应管进行连续反应时，将流体反应物引入M通道 的分流器的入口，经过分流器分为M路流体，每路流体的流速可以通过每个分流柱体中 流量调节机构进行调节，从分流器的M个出口出来的流体再进入M个反应管进行光催化 反应。这样就可以实现在不同条件(比如不同流速，不同浓度等)下对光催化反应进行 同时测试。与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果一、本发明的多通道光催化反应装置能够使反应器获得均勻且足够强度的光 照，使不同反应管能在相同的光照条件下同时进行反应，非常适合光催化剂的高通量筛 选以及光催化反应的条件优化等应用；
二、本发明的多通道光催化反应装置可适用于多种不同的光催化反应器，对固 定床管式反应器、流化床管式反应器和釜式反应器都能达到较好的效果；三、本发明的多通道光催化反应装置结构简单，操作方便，能够快速实现光催 化反应的高通量测试。


图Ι-a是本发明的一种多通道光催化反应装置示意图；图Ι-b是图Ι-a所示的多通道光催化反应装置的俯视图；图2是本发明的另一种多通道光催化反应装置示意图；图3是本发明的另一种多通道光催化反应装置示意图；图4是本发明的另一种多通道光催化反应装置示意图；图5_a是本发明的另一种多通道光催化反应装置示意图；图5_b是图5_a中圆轨、滚轮等的示意图；图6是本发明实施例1中V205-9.1wt% /MgF2催化剂降解丙酮反应平行性实验关 系图。101-管式光源，102-石英管反应器，103-滤光片，104-风扇，105-催化剂， 106-卡槽，107-反应管入口，108-反应管出口，109-外壳，110-反应装置上面板， 111-冷却水套，112-分流器，113-分流器的入口，114-支架，115-圆轨，116-滚轮， 117-电机。
具体实施例方式以下结合说明书附图对本发明的多通道光催化反应装置作进一步的详细说明。本发明的技术方案是将管式光源均勻分布在反应管阵列的周围，使反应管能够 得到均勻且足够强度的光照，通过设置在光源与反应管之间的滤光片来实现对管式光源 波长的选择，装置配备了冷却系统，可以选择风冷、水冷或者两者的结合，冷却系统能够带走光源产生的大部分热量，尽量减少温度升高所带来的热催化对光催化反应的影 响，同时也保证管式光源能够安全工作。图Ι-a是本发明多通道光催化反应装置的一种实施方式，采用四通道设计，所示 装置包含光源系统、反应系统、冷却系统和外壳。光源系统由四个管式光源101和四个 滤光片103组成，反应系统由四个石英管反应器102组成，四个石英管反应器102对称排 布在中间，四个管式光源101均勻排布在四个石英管反应器102的外围，四个管式光源 101和四个石英管反应器102之间被四个滤光片103隔开，使管式光源发出的光必须经过 滤光片才能到达石英管反应器，四个滤光片103由上下面板上相对应的卡槽106固定。冷 却系统为置于光源系统和反应系统下方的风扇104，反应时通过向上鼓风将四个管式光源 101产生的大部分热量带走。整个装置由圆筒形的外壳109包围，起隔绝光外漏的作用， 外壳109由不锈钢制成，更好地促进散热。在进行反应时，将催化剂105装填在反应管的中间部位，上下由石英棉来固 定。先打开风扇104的电源开关，然后点亮四个管式光源101，反应气由反应管入口 107 导入，经过催化剂床层反应后由反应管出口 108导出，反应完成。图Ι-b是图Ι-a所示的四通道光催化反应装置的俯视图，该图可以非常清楚地看 出管式光源、反应管等的排布。反应装置上面板110主要起固定各个部件的作用，面板 110上除了固定管式光源和石英反应管的孔外还分布有许多的散热孔，面板110边缘与不 锈钢制成的外壳109连接。四个石英管反应器102完全对称地排布在面板中央，四个管 式光源103均勻排布在四个石英管反应器102的外围，使每 个管式光源到最接近的两个石 英管反应器的距离都相等。管式光源与石英管反应器中间是一个正方形的卡槽106，卡槽 中间插入滤光片，将管式光源与石英管反应器完全隔开。本发明的另一种实施方式如图2所示，采用四通道设计，所示装置包含光源系 统、反应系统、冷却系统和外壳。光源系统由四个管式光源101和四个滤光片103组成， 反应系统由四个石英管反应器102组成，四个石英管反应器102对称排布在中间，四个管 式光源101均勻排布在四个石英管反应器102的外围，四个管式光源101和四个石英管反 应器102之间被四个滤光片103隔开，使管式光源发出的光必须经过滤光片才能到达石英 管反应器，四个滤光片103由上下面板上相对应的卡槽106固定。冷却系统为置于光源 系统和反应系统下方的风扇104，反应时通过向上鼓风将四个管式光源101产生的大部分 热量带走。整个装置由圆筒形的外壳109包围，起隔绝光外漏的作用，外壳109由不锈 钢制成，更好地促进散热。在进行反应时，将催化剂105和反应物一起装入石英反应管102中。先打开风 扇104的电源开关，然后点亮四个管式光源101，反应开始进行。反应过程中可以从石英 反应管102中取样进行分析。本发明的另一种实施方式如图3所示，采用四通道设计，所示装置包含光源系 统、反应系统、冷却系统和外壳。光源系统由四个管式光源101和四个滤光片103组成， 反应系统由四个石英管反应器102组成，四个石英管反应器102对称排布在中间，四个管 式光源101均勻排布在四个石英管反应器102的外围，四个管式光源101和四个石英管反 应器102之间被四个滤光片103隔开，使管式光源发出的光必须经过滤光片才能到达石英 管反应器，四个滤光片103由上下面板上相对应的卡槽106固定。冷却系统为置于光源系统和反应系统下方的风扇104和设置在四个管式光源101周围的环形冷却水套111的结 合，环形冷却水套111中通有循环冷却水。整个装置由圆筒形的外壳109包围，起隔绝 光外漏的作用，外壳9由不锈钢制成，更好地促进散热。在进行反应时，将催化剂105和反应物一起装入石英反应管102中。先打开风 扇104的电源开关，打开环形冷却水套111的循环冷却水，然后点亮四个管式光源101， 反应开始进行。反应过程中可以从石英反应管102中取样进行分析。本发明的另一种实施方式如图4所示，采用四通道设计，所示装置包含光源系 统、反应系统、冷却系统、分流系统和外壳。光源系统由四个管式光源101和四个滤光 片103组成，反应系统由四个石英管反应器102组成，四个石英管反应器102对称排布在 中间，四个管式光源101均勻排布在四个石英管反应器102的外围，四个管式光源101和 四个石英管反应器102之间被四个滤光片103隔开，使管式光源发出的光必须经过滤光片 才能到达石英管反应器，四个滤光片103由上下面板上相对应的卡槽106固定。冷却系统 为置于光源系统下方的四个风扇104，反应时通过向上鼓风将四个管式光源101产生的大 部分热量带走。四个石英管反应器102的入口 107与分流器112的四个出口分别连接， 整个装置由圆筒形的外壳109包围，起隔绝光外漏的作用，外壳109由不锈钢制成，更好 地促进散热。在进行反应时，将催化剂105装填在反应管的中间部位，上下由石英棉来固 定。先打开风扇104的电源开关，然后点亮四个管式光源101，反应气由分流器112的入 口 113导入，经过分流器分流后由反应器入口 107进入石英管反应器102，经过催化剂床 层反应后由石英反应管出口 108导出，反应完成。本发明的另一种实施方式如图5_a所示，采用四通道设计，所示装置包含光源系 统、反应系统、冷却系统、分流系统和外壳。光源系统由四个管式光源101、环形圆轨 115、四个滚轮116、电机117和四个滤光片103组成，四个管式光源101均勻地固定在 一个环形的圆轨115上，圆轨由四个均勻分布的滚轮116支撑，滚轮116固定在外壳109 上，其中一个滚轮与电机117连接，通过电机带动滚轮进而带动固定有管式光源101的圆 轨115旋转；反应系统由四个石英管反应器102组成，四个石英管反应器102对称排布在 中间，四个管式光源101和四个石英管反应器102之间被四个滤光片103隔开，使管式光 源发出的光必须经过滤光片才能到达石英管反应器，四个滤光片103由上下面板上相对 应的卡槽106固定。由反应管以及滤光片构成的系统通过支架114固定在装置的下面板 上。冷却系统为置于光源系统下方的四个风扇104，反应时通过向上鼓风将四个管式光 源101产生的大部分热量带走。整个装置由圆筒形的外壳109包围，起隔绝光外漏的作 用，外壳109由不锈钢制成，更好地促进散热。图5-b是图5-a中圆轨的示意图，如图所示，四个管式光源101均勻排布在环形 的圆轨115上，圆轨115放置在四个滚轮116上。在进行反应时，将催化剂105装 填在反应管的中间部位，上下由石英棉来固 定。先打开风扇104的电源开关，然后点亮四个管式光源101，打开电机117开关，使光 源开始旋转，向反应管102中通入反应物开始反应。以下以V205-9.1wt% /MgF2催化剂降解丙酮为例对本发明进行详细的说明。 采用如图5所示的四通道光催化反应装置进行测试，管式光源采用四个高压汞灯，功率为375W，反应管采用石英玻璃反应管(ID 9.0mm, OD 14mm)。催化剂采用自制的 V205-9.1wt%/MgFjI化剂，装填于石英玻璃反应管的中间部位，上下用石英棉填塞， 装填量为5.0g。使用滤光片过滤掉波长在320nm以下的光。每个反应管的旁边都设置 有热电偶，实时检测反应的温度，控制反应温度在5度范围内进行。反应物丙酮以鼓 泡的方式用恒定流量的氧气将其带入反应管，将装有丙酮的具支试管放在恒温的冰水浴 中，控制丙酮的浓度恒定。分流器采用自制的四通道流体分流器，经过标定四通道流量 相同，误差范围在士 以内。反应开始前，先通入氧气(未鼓入丙酮)，流量设定为 30mL/min,检查整个系统的气密性，无漏气现象存在。依次打开风扇，电亮四个高压汞 灯，将氧气(流量30mL/min)通入装有丙酮的具支试管，然后含一定浓度丙酮的氧气流 经分流器分流成四路，分别进入四个石英反应管进行反应。反应开始后定时取样分析丙 酮的降解率，使用气相色谱(HP-PLOT/Q柱)进行分析。由于高压汞灯在使用时会放出 少量的臭氧，整个反应在通风厨中进行。 反应过程中定时取样对丙酮的降解情况进行分析，图6给出了反应一小时和三 小时 时A、B、C、D四个反应管中丙酮降解率数据测试结果，从图中可以很清楚地看出 该装置的四个反应通道具有很好的一致性。因此，该装置完全可以满足在相同条件下对 不同催化剂进行筛选或对催化反应体系进行评价等的要求。
权利要求
1.一种多通道光催化反应装置，包括光源系统、反应系统和冷却系统，其特征在于 光源系统由N个管式光源组成(N为大于1的整数)，反应系统由M个透光的反应管组成 (M为大于1的整数)，N个管式光源均勻围绕在M个透光的反应管周围。
2.根据权利要求1所述的多通道光催化反应装置，其特征在于光源系统与反应系统之 间设置有滤光片。
3.根据权利要求2所述的多通道光催化反应装置，其特征在于管式光源为汞灯或氙灯。
4.根据权利要求1所述的多通道光催化反应装置，其特征在于光源系统为围绕着反应 系统勻速转动的光源系统。
5.根据权利要求1所述的多通道光催化反应装置，其特征在于冷却系统为分布在光源 系统和反应系统下方的L个风扇(L为正整数)。
6.根据权利要求1所述的多通道光催化反应装置，其特征在于冷却系统为分布在管式 光源周围的循环液体冷却装置。
7.根据权利要求1所述的多通道光催化反应装置，其特征在于冷却系统为分布在光源 系统和反应系统下方的L个风扇(L为正整数)与分布在管式光源周围的循环液体冷却装 置的结合。
8.根据权利要求1所述的多通道光催化反应装置，其特征在于N大于2。
9.根据权利要求1所述的多通道光催化反应装置，其特征在于N为M的整数倍。
10.根据权利要求1所述的多通道光催化反应装置，其特征在于光源系统和反应系统 外围有一不透光的桶形外壳。
11.根据权利要求1所述的多通道光催化反应装置，其特征在于所述反应管为上下开 口的固定床管式反应器或流化床管式反应器。
12.根据权利要求1所述的多通道光催化反应装置，其特征在于所述反应管为下端封 闭的管式反应器。
13.根据权利要求1-11任一项所述的多通道光催化反应装置，进一步包含分流系统， 所述分流系统为一个M通道的分流器，分流器的M个出口分别与M个反应管的入口相连接。
14.根据权利要求13所述的多通道光催化反应装置，其特征在于所述分流器包括顶 盖、M个分流柱体、底板、流体导出管及紧固密封件，每个分流柱体中都有单独的流量 调节机构，流量调节机构包括多孔板、弹性填料和用来压缩弹性填料的压缩装置。
15.根据权利要求14所述的多通道光催化反应装置，其特征在于所述的压缩装置包含 中空螺杆、中空推杆。
16.根据权利要求14所述的多通道光催化反应装置，其特征在于所述弹性填料为弹性 小球。
全文摘要
一种多通道光催化反应装置，包括光源系统、反应系统和冷却系统，其特征在于光源系统由N个管式光源组成(N为大于1的整数)，反应系统由M个透光的反应管组成(M为大于1的整数)，N个管式光源均匀围绕在M个透光的反应管周围。该多通道光催化反应装置还可以进一步包含与反应系统连接的分流系统。
文档编号A62D101/28GK102019161SQ20091015311
公开日2011年4月20日 申请日期2009年9月15日 优先权日2009年9月15日
发明者周小平, 易江平, 杰夫·徐, 陈飞 申请人:微宏动力系统(湖州)有限公司