具有分形结构的微通道板、光催化反应器及其应用的制作方法

本发明属于化学工程光催化领域，特别是涉及一种具有分形结构的微通道板、光催化反应器及其应用。

背景技术：

CO₂是造成温室效应以及全球气候变暖的最主要原因，在京都议定书框架下各国都在积极开展低碳绿色的发展路线研究。根据丁铎尔中心“全球碳计划”年度研究成果和最新研究数据，我国已经超过美国成为世界上碳排放量最大的国家。所以积极地开展CO₂减排与CO₂转化利用的研究是很有必要的。

目前，对CO₂减排的处理方式有CCS(CO₂捕获封存)和CCUS(CO₂捕获封存及利用)等等，然而在这个过程中往往是以消耗能源作为代价的，在CO₂减少的同时可能会造成另外的环境污染或能源消耗。太阳能作为地球上最丰富也是一种十分清洁的能源，利用太阳能将CO₂通过光催化剂来进行光催化还原制得甲醇等化工原料是一种十分绿色环保的CO₂资源化利用方式。

现在用于CO₂光催化还原催化剂通常为TiO₂，其禁带宽度为3.2ev。在有水存在的条件下根据电子转移的数目以及转化成不同产物的还原电势，能将CO₂还原成CH₄、CH₃OH、HCOOH、HCHO和CO等。目前，对光催化剂进行改性来提高光催化还原CO₂反应的产率和选择性的研究较多。但是现有的釜式反应器不能很好地控制光照渗透、停留时间以及副反应的发生，且釜式光催化反应器不利于进行工业放大。目前文献中的报道了微通道结构的进料采用的是气体和胶体经三通后混合，在微通道内会形成类似于弹状流的流动，不利于反应气与催化剂颗粒的接触，从而不利于传质，降低反应效率。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种具有分形结构的微通道板、光催化反应器及其应用，用于解决现有技术中釜式反应器存在的光照无法控制且不均匀、停留时间无法控制、难以工业放大以及气液接触不充分反应效率低下的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种具有分形结构的微通道板，所述具有分形结构的微通道板包括相对的第一表面及第二表面；所述具有分形结构的微通道板的第一表面及第二表面均设有主管路微通道及与所述主管路微通道一端相连接的多级H型分形分叉微通道，且所述具有分形结构的微通道板第一表面的所述H型分形分叉微通道与所述具有分形结构的微通道板第二表面的所述H型分形分叉微通道通过连接通孔相连通。

作为本发明的具有分形结构的微通道板的一种优选方案，位于所述具有分形结构的微通道板第一表面的所述主管路微通道的自由端与位于所述具有分形结构的微通道板第二表面的所述主管路微通道的自由端相对设置。

作为本发明的具有分形结构的微通道板的一种优选方案，所述连接通孔位于末级所述H型分形分叉微通道的末端。

作为本发明的具有分形结构的微通道板的一种优选方案，自所述主管路微通道至末级所述H型分形分叉微通道的宽度依次减小。

作为本发明的具有分形结构的微通道板的一种优选方案，所述H型分形分叉微通道每次分叉的角度均为90°。

作为本发明的具有分形结构的微通道板的一种优选方案，所述具有分形结构的微通道板为由3D打印光敏树脂材料制备获得。

作为本发明的具有分形结构的微通道板的一种优选方案，所述具有分形结构的微通道板第一表面及第二表面均设有凹槽，所述凹槽位于所述主管路微通道及所述H型分形分叉微通道的外围。

作为本发明的具有分形结构的微通道板的一种优选方案，所述具有分形结构的微通道板内设有第一安装通孔。

本发明还提供一种光催化反应器，所述光催化反应器包括：

如上述任一方案中所述的具有分形结构的微通道板；

第一石英盖板，位于所述具有分形结构的微通道板的第一表面，所述第一石英盖板对应于所述主管路微通道的位置设有第一出口通孔；

第一金属盖板，位于所述第一石英盖板表面；所述第一金属盖板为环形盖板，所述第一金属盖板内侧区域与所述具有分形结构的微通道板第一表面的所述H型分形分叉微通道的分布区域相对应；所述第一金属盖板对应于所述第一出口通孔的位置设有第二出口通孔；

第二石英盖板，位于所述具有分形结构的微通道板的第二表面，所述第二石英盖板对应于所述主管路微通道的位置设有第一入口通孔；

第二金属盖板，位于所述第二石英盖板表面；所述第二金属盖板为环形盖板，所述第二金属盖板内侧区域与所述具有分形结构的微通道板第二表面的所述H型分形分叉微通道的分布区域相对应；所述第二金属盖板对应于所述第一入口通孔的位置上设有第二入口通孔。

作为本发明的光催化反应器的一种优选方案，所述光催化反应器还包括密封圈，所述密封圈位于所述具有分形结构的微通道板与所述第一石英盖板及所述第二石英盖板之间。

作为本发明的光催化反应器的一种优选方案，所述第一石英盖板及所述第二石英盖板内均设有第二安装通孔，所述第一金属盖板及所述第二金属盖板内均设有第三安装通孔。

本发明还提供一种如上述任一方案中所述的光催化反应器的应用，所述光催化反应器适用于CO2光催化还原反应制备甲醇。

本发明还提供一种光催化反应系统，所述光催化反应系统包括：如上述任一方案中所述的光催化反应器、供气系统、供液系统、三通、光源、冷却循环水系统及动力系统；

所述光催化反应器经由所述三通与所述供气系统及所述供液系统相连通；所述光源位于所述光催化反应器的上下两侧；所述冷却循环水系统包括供水装置及与所述供水装置相连通的石英水槽，所述光催化反应器位于所述石英水槽内；所述动力系统与所述供液系统及所述冷却循环水系统相连接，适于驱动反应液及冷却水的流动。

作为本发明的光催化反应系统的一种优选方案，还包括尾气分析系统，所述尾气分析系统与所述光催化反应器相连接。

作为本发明的光催化反应系统的一种优选方案，所述三通及所述光催化反应器的数量均为多个，且所述光催化反应器的数量与所述三通的数量相同。

如上所述，本发明的具有分形结构的微通道板、光催化反应器及其应用，具有以下有益效果：

本发明通过在所述具有分形结构的微通道板上下两表面设置分形结构的微通道，即可以有效地分布气液固三相，加强传热传质，又可以有效地解决分形分布的反应物的收集问题，同时还可以增加微通道的长度，更有利于控制反应流量以及反应物停留时间；

采用3D打印技术打印所述具有分形结构的微通道板，可以精确、快速经济的制造出相对复杂的微通道结构；

本发明的光催化反应器可以与微流控技术相结合，可以有效快速地控制原料液的流量，从而控制反应物的停留时间，进而减小副反应物的生产；同时，本发明的光催化反应器还可以有效地控制光照时间和光渗透率。

附图说明

图1显示为本发明实施例一中提供的具有分形结构的微通道板的第一表面俯视结构示意图。

图2显示为本发明实施例一中提供的具有分形结构的微通道板的第二表面的俯视结构示意图。

图3显示为本发明实施例二中提供的光催化反应器的结构示意图。

图4显示为本发明实施例二中提供的光催化反应器中第一石英盖板的俯视结构示意图。

图5显示为本发明实施例二中提供的光催化反应器中的第一金属盖板的俯视结构示意图。

图6显示为本发明实施例二中提供的光催化反应器中第二石英盖板的俯视结构示意图。

图7显示为本发明实施例二中提供的光催化反应器中的第二金属盖板的俯视结构示意图。

元件标号说明

1 具有分形结构的微通道板

11 主管路微通道

12 H型分形分叉微通道

13 连接通孔

14 凹槽

15 第一安装通孔

2 第一石英盖板

21 第二安装通孔

22 第一出口通孔

3 第一金属盖板

31 第三安装通孔

32 第二出口通孔

4 第二石英盖板

41 第一入口通孔

5 第二金属盖板

51 第二入口通孔

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1至图7，需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，虽图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。

实施例一

请参阅图1至图2，本发明提供一种具有分形结构的微通道板1，所述具有分形结构的微通道板1包括相对的第一表面及第二表面，其中，图1为所述具有分形结构的微通道板1的第一表面俯视结构示意图，图2为所述具有分形结构的微通道板1的第二表面俯视结构示意图；所述具有分形结构的微通道板1的第一表面及第二表面均设有主管路微通道11及与所述主管路微通道11一端相连接的多级H型分形分叉微通道12，且所述具有分形结构的微通道板1第一表面的所述H型分形分叉微通道12与所述具有分形结构的微通道板1第二表面的所述H型分形分叉微通道12通过连接通孔13相连通。

作为示例，位于所述具有分形结构的微通道板1第一表面的所述主管路微通道11的自由端与位于所述具有分形结构的微通道板1第二表面的所述主管路微通道11的自由端相对设置，即如图1及图2所示，位于所述具有分形结构的微通道板1第一表面的所述主管路微通道11的自由端位于所述具有分形结构的微通道板1第一表面的上部，位于所述具有分形结构的微通道板1第二表面的所述主管路微通道11的自由端位于所述具有分形结构的微通道板1第二表面的下部。优选地，位于所述具有分形结构的微通道板1第一表面的所述主管路微通道11在所述具有分形结构的微通道板1第二表面的投影与位于所述具有分形结构的微通道板1第二表面的所述主管路微通道11位于同一直线上。

作为示例，所述连接通孔13位于末级所述H型分形分叉微通道12的末端，所述连接通孔13可以位于部分末级所述H型分形分叉微通道12的末端，也可以位于所有末级所述H型分形分叉微通道12的末端，其中，图1及图2以所述连接通孔13位于所有末级所述H型分形分叉微通道12的末端作为示例。

作为示例，自所述主管路微通道11至末级所述H型分形分叉微通道12的宽度依次减小；譬如，在一示例中，所述主管路微通道11的宽度可以为4mm，后续各级所述H型分叉微通道12的宽度可以依次为3.5mm、3mm、2.5mm、2mm、1.5mm、1mm等等。

作为示例，所述具有分形结构的微通道板1的厚度可以根据实际需要进行设定，在一示例中，所述具有分形结构的微通道板1的厚度可以为但不仅限于4mm。所述主管路微通道11及所述H型分叉微通道12的深度可以根据实际需要进行设定，在一示例中，所述主管路微通道11及所述H型分叉微通道12的深度可以为但不仅限于1mm。

作为示例，所述H型分形分叉微通道12每次分叉的角度均为90°。

作为示例，所述具有分形结构的微通道板1为由3D打印光敏树脂材料制备获得，采用3D打印技术打印所述具有分形结构的微通道板1，可以精确、快速、经济地制造出相对复杂的微通道结构。

作为示例，所述具有分形结构的微通道板1第一表面及第二表面均设有凹槽14，所述凹槽14位于所述主管路微通道11及所述H型分形分叉微通道12的外围。所述凹槽14作为密封圈的安装槽，适于在所述具有分形结构的微通道板1与其他结构密封组装时放置密封圈。所述凹槽14的深度可以根据实际需要进行设定，在一示例中，所述凹槽14的深度可以为但不仅限于0.7mm。

作为示例，所述具有分形结构的微通道板1内设有第一安装通孔15，所述第一安装通孔15用于在所述具有分形结构的微通道板1与其他结构进行安装时进行安装固定。

作为示例，所述具有分形结构的微通道板1及所述主管路微通道11及所述H型分形分叉微通道12分布区域的尺寸可以根据实际需要进行设定，在一示例中，所述具有分形结构的微通道板1的总体尺寸为120mm×100mm×4mm，所述主管路微通道11及所述H型分形分叉微通道12分布区域的尺寸为80mm×60mm。

本发明通过在所述具有分形结构的微通道板1上下两表面设置分形结构的微通道，即可以有效地分布气液固三相，加强传热传质，又可以有效地解决分形分布的反应物的收集问题，同时还可以增加微通道的长度，更有利于控制反应流量以及反应物停留时间。

实施例二

请参阅图3至图7，本发明还提供一种光催化反应器，所述光催化反应器包括：如实施例一中所述的具有分形结构的微通道板1，所述具有分形结构的微通道板1的具体结构请参阅实施例一，此处不再累述；第一石英盖板2，所述第一石英盖板2位于所述具有分形结构的微通道板1的第一表面，所述第一石英盖板2对应于所述主管路微通道11的位置设有第一出口通孔22；第一金属盖板3，所述第一金属盖板3位于所述第一石英盖板2表面；所述第一金属盖板3为环形盖板，所述第一金属盖板3内侧区域与所述具有分形结构的微通道板1第一表面的所述H型分形分叉微通道12的分布区域相对应；所述第一金属盖板3对应于所述第一出口通孔22的位置设有第二出口通孔32；第二石英盖板4，所述第二石英盖板4位于所述具有分形结构的微通道板1的第二表面，所述第二石英盖板4对应于所述主管路微通道11的位置设有第一入口通孔41；第二金属盖板5，所述第二金属盖板5位于所述第二石英盖板4表面；所述第二金属盖板5为环形盖板，所述第二金属盖板5内侧区域与所述具有分形结构的微通道板1第二表面的所述H型分形分叉微通道12的分布区域相对应；所述第二金属盖板5对应于所述第一入口通孔41的位置上设有第二入口通孔51。

作为示例，所述光催化反应器还包括密封圈(未示出)，所述密封圈位于所述具有分形结构的微通道板1与所述第一石英盖板2及所述第二石英盖板4之间，且位于所述具有分形结构的微通道板1第一表面及第二表面的所述凹槽14内。所述密封圈可以增强所述具有分形结构的微通道板1与所述第一石英盖板2及所述第二石英盖板4之间的密封效果，可以避免在工作时反应液的泄露。

作为示例，所述第一石英盖板2及所述第二石英盖板4的厚度可以根据实际需要进行设定，在一示例中，所述第一石英盖板2及所述第二石英盖板4的厚度均为2mm。

作为示例，所述第一金属盖板3及所述第二金属盖板5可以为但不仅限于不锈钢盖板，优选地，所述第一金属盖板3及所述第二金属盖板5均由304不锈钢非标定做。

作为示例，所述第一金属盖板3及所述第二金属盖板5的厚度可以根据实际需要进行设定，在一示例中，所述第一金属盖板3及所述第二金属盖板5均为10mm。

作为示例，所述第一石英盖板2及所述第二石英盖板4内均设有第二安装通孔21，所述第二安装通孔21沿所述第一石英盖板2及所述第二石英盖板4的周向分布，且与所述第一安装通孔15上下对应设置；所述第二安装通孔21的数量及宽度可以根据实际需要设定，优选地，本实施例中，所述第二安装通孔21的数量为10，直径为10mm。

所述第一金属盖板3及所述第二金属盖板5内均设有第三安装通孔31，所述第三安装通孔31沿所述第一金属盖板3及所述第二金属盖板5的周向分布，且与所述第二安装通孔21上下对应设置；所述第三安装通孔31的数量及宽度可以根据实际需要设定，优选地，本实施例中，所述第三安装通孔31的数量为10，直径为10mm。

作为示例，所述第一安装通孔15、所述第二安装通孔21及所述第三安装通孔31可以为但不仅限于3/8英制的螺纹。

本发明的所述光催化反应器的工作原理为：催化剂(可以为但不仅限于TiO₂)溶于水中形成的胶体经蠕动泵在三通处与CO₂汇合后形成的气液固三相混合物，所述三相混合物经由所述第一入口通孔41及所述第二入口通孔51之后流入所述光催化反应器中的所述具有分形结构的微通道板1第二表面的所述主管路微通道11内；随后，所述三相混合物在所述具有分形结构的微通道板1第二表面沿所述主管路微通道11流经各级所述H型分形分叉微通道12之后，经由位于最末级所述H型分形分叉微通道12末端的所述连接通孔13流到所述具有分形结构的微通道板1第一表面的最末级所述H型分形分叉微通道12，并沿所述具有分形结构的微通道板1第一表面流经各级所述H型分形分叉微通道12之后流至所述主管路微通道11，并经由所述第二出口通孔32及所述第一出口通孔22流出所述光催化反应器；反应物中CO₂、TiO₂以及水经过上述所述主管路微通道11及所述H型分形分叉微通道12之后形成比较均匀、接触充分的三相混合物形成了比较均匀、接触充分的三相混合物；待流动稳定后，打开位于所述光催化反应器上下两侧的两只氙灯光源，使稳定的光催化CO₂反应一段时间后进行产物收集分析。

本发明的所述光催化反应器适用于CO₂光催化还原反应制备甲醇，但不排除其他生物、化工、环境等方面具体的反应体系的应用。

实施例三

本发明还提供一种光催化反应系统，所述光催化反应系统包括：如实施例二中所述的光催化反应器、供气系统、供液系统、三通、光源、冷却循环水系统及动力系统；所述光催化反应器经由所述三通与所述供气系统及所述供液系统相连通；所述光源位于所述光催化反应器的上下两侧；所述冷却循环水系统包括供水装置及与所述供水装置相连通的石英水槽，所述光催化反应器位于所述石英水槽内；所述动力系统与所述供液系统及所述冷却循环水系统相连接，适于驱动反应液及冷却水的流动。

作为示例，所述供气系统可以包括气瓶、减压阀及气体质量流量计，所述气瓶、所述减压阀及所述气体质量流量计经由导气管依次串接，所述气体质量流量计与所述三通相连通；所述光源可以为但不仅限于氙灯灯源；所述动力系统可以为但不仅限于蠕动泵。

作为示例，所述光催化反应系统还包括尾气分析系统，所述尾气分析系统与所述光催化反应器相连接。

作为示例，所述三通及所述光催化反应器的数量均可以为多个，且所述光催化反应器的数量与所述三通的数量相同，每个所述光催化反应器与与其相对应的所述三通相连通。将所述三通及所述光催化反应器的数量设置为多个，只需要根据增设的所述三通及所述光催化反应器的数量加大进气流量及进液流量就可以增加产能。

本发明的所述光催化反应系统的工作原理为：打开供气系统中的气路开关及蠕动泵，控制气体流量及催化剂(可以为但不仅限于TiO₂)溶于水中形成的液体的液体流量，在一示例中，所述气体流量可以为100ml/min，所述液体的流量可以为35ml/min，CO₂气体从气瓶经减压阀及气体质量流量计控制输出后，与催化剂(可以为但不仅限于TiO₂)溶于水中形成的液体在三通处汇合后形成的气液固三相混合物，所述三相混合物经由所述光催化反应器中的所述第一入口通孔41及所述第二入口通孔51之后流入所述光催化反应器中的所述具有分形结构的微通道板1第二表面的所述主管路微通道11内；随后，所述三相混合物在所述具有分形结构的微通道板1第二表面沿所述主管路微通道11流经各级所述H型分形分叉微通道12之后，经由位于最末级所述H型分形分叉微通道12末端的所述连接通孔13流到所述具有分形结构的微通道板1第一表面的最末级所述H型分形分叉微通道12，并沿所述具有分形结构的微通道板1第一表面流经各级所述H型分形分叉微通道12之后流至所述主管路微通道11，并经由所述第二出口通孔32及所述第一出口通孔22流出所述光催化反应器；待流动稳定后，且在打开所述光源之前，将所述光催化反应器置于所述石英水槽中，打开循环冷却水开关使冷却水流动起来；打开所述光源，使稳定的光催化CO₂反应一段时间后进行产物收集分析；使稳定的光催化CO₂反应的时间可以为但不仅限于15min。

本发明的光催化反应系统将光催化反应器可以与微流控技术相结合，可以有效快速地控制原料液的流量，从而控制反应物的停留时间，进而减小副反应物的生产；同时，本发明的光催化反应器即可以有效地控制光照时间和光渗透率，又可以使得所述光催化反应系统的压降更低，促进传热传质过程的进行。此外，在光催化反应过程中，将所述光催化反应器置于石英水槽中使用冷却水带走光照及反应产生的热量，一方面可以更好地控制反应在合适的温度下进行，另一方面也可以起到防止温度过高，保护所述光催化反应器的作用。

综上所述，本发明提供一种具有分形结构的微通道板、光催化反应器及其应用，所述具有分形结构的微通道板包括相对的第一表面及第二表面；所述具有分形结构的微通道板的第一表面及第二表面均设有主管路微通道及与所述主管路微通道一端相连接的多级H型分形分叉微通道，且所述具有分形结构的微通道板第一表面的所述H型分形分叉微通道与所述具有分形结构的微通道板第二表面的所述H型分形分叉微通道通过连接通孔相连通。本发明通过在所述具有分形结构的微通道板上下两表面设置分形结构的微通道，即可以有效地分布气液固三相，加强传热传质，又可以有效地解决分形分布的反应物的收集问题，同时还可以增加微通道的长度，更有利于控制反应流量；采用3D打印技术打印所述具有分形结构的微通道板，可以精确、快速经济的制造出相对复杂的微通道结构；本发明的光催化反应器可以与微流控技术相结合，可以有效快速地控制原料液的流量，从而控制反应物的停留时间，进而减小副反应物的生产；同时，本发明的光催化反应器还可以有效地控制光照时间和光渗透率。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。