一种光催化固氮反应装置

1.本发明属于催化反应设备技术领域，具体涉及一种光催化固氮反应器。


背景技术：

2.氨是现代工农业生产必不可缺少的一种重要原料。特别是在农业领域，氨作为化肥的消费量巨大。目前工业合成氨的主要方式为哈勃-博世法，需要在高温高压下进行，耗能十分严重，并会生成大量的二氧化碳对环境的友好性极差。
3.相较于传统制氨，光催化制氨反应在常温常压下进行、不产生温室气体、没有能耗、利用催化剂还可实现同时合成两种产物。光催化是新型固氮研究的重点，许多研究者对此进行了深入的研究。
4.传统的光催化气体固氨的催化剂反应装置存在光照获取能力差、无法自动捕捉阳光、无法对催化剂进行更换、反应速率低、无法用于实际生产中等问题。因而对于氮气的催化剂的转化效率低，不利于推广到实际农田等问题。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种光催化固氮反应器，解决传统的光催化气体固氨的催化剂反应装置存在光照获取能力差、无法自动捕捉阳光、无法对催化剂进行更换、反应速率低、无法用于实际生产的技术问题。
6.为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
7.一种光催化固氮反应器，包括反应箱和底座；
8.所述反应箱包括箱体和箱盖，所述箱体内设有用于催化的薄膜组件、用于气体输入的气体输入装置、用于水流通过的进水口和出水口；所述箱盖上设有气压平衡装置；所述薄膜组件转动连接在所述箱体内；所述箱体相对于底座的一侧中心固设有连接杆，所述连接杆四周环设有多个磁性材料；
9.所述底座中心设有的连接部，所述连接部与所述连接杆铰接；所述连接部四周环设有与所述磁性材料对应的沉孔，所述沉孔内安设有控制反应箱偏转的电磁铁，所述电磁铁与所述磁性材料在高度上间隔设置；所述部分电磁铁通过吸附对应的所述磁性材料相互靠近，使所述反应箱上下偏转。
10.进一步，所述连接杆远离反应箱的一端设有球头，所述连接部为镶嵌在底座上的球套，所述球套与球头铰接。
11.进一步，所述薄膜组件包括中空框架和固定在中空框架内的催化薄膜；所述中空框架两端设有连接孔，所述连接孔与所述箱体的侧壁通过连杆转动连接，并通过设置在箱体上驱动器驱动旋转。
12.进一步，所述气体输入装置包括输气口、与输气口连通的主管道、与所述主管道垂直连通的多根输气支管、以及设置在输气支管上的出气位；
13.所述输气口贯穿所述箱体后与主管道连通；所述主管道沿所述箱体侧壁横向设
置，所述输气支管均匀间隔的铺设在所述箱体的底部；所述出气位由多个出气孔组成，所述出气孔朝向薄膜组件开设。
14.进一步，所述输气支管设有11根，每根输气支管间隔设有3个出气位。
15.进一步，所述气压平衡装置设置在所述箱盖一侧边，所述气压平衡装置上设有多个排气口。
16.进一步，所述磁性材料为磁铁。
17.进一步，所述磁铁设有6个，呈正六边形排列；所述底座上的沉孔也设有6个，呈正六边形排列，所述沉孔之间还设有可供电路线安装的凹槽。
18.进一步，所述反应箱为透明亚克力板。
19.本发明的有益效果在于：
20.1、箱体利用电磁驱动，使得在底部不开孔的前提下实现箱体的转动。提升装置的密封性和安全性。
21.2、催化薄膜利用中空框架摆动和箱体的转动可实现对太阳光的全方位追踪，提升能源利用率，提高反应催化效率。
22.3、气体输入采用多管道、多方向气孔，提高反应物于催化剂的接触面积，提高光催化固氮转化率。
23.4、使用薄薄膜组件的设计，实现了催化薄膜的更换，提高产品的实际应用能力，保障反应装置与物料独立，提高反应装置寿命。
24.本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
25.为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
26.图1为一种光催化固氮反应器的爆炸视图；
27.图2为一种光催化固氮反应器的底座示意图；
28.图3为一种光催化固氮反应器的箱体示意图；
29.图4为气体输入装置的管路分布图；
30.图5为输气支管上的出气孔分布图；
31.图6为一种光催化固氮反应器安装示意图。
32.附图标记：底座1、箱体2、箱盖3、薄膜组件4、气压平衡装置5、进水口6、输气口7、出水口8、驱动器9、球套101、沉孔102、凹槽103、球头201、磁铁202、中空框架401、连接孔402、主管道601、输气支管602、出气孔603。
具体实施方式
33.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。需要说明的是，以下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，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
34.其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
35.本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
36.请参阅图1-6，一种光催化固氮反应器，包括反应箱和底座1；反应箱包括箱体2和箱盖3，箱体2内设有用于催化的薄膜组件4、用于气体输入的气体输入装置、用于水流通过的进水口6和出水口8，箱盖3上设有气压平衡装置5。薄膜组件4转动连接在箱体2内；箱体2相对于底座1的一侧中心固设有连接杆，连接杆远离反应箱的一端设有球头201，连接杆四周环设有多个磁性材料；本实施例中的磁性材料为磁铁202，也可以优选为其他可被磁铁吸附的材料。底座1中心设有的连接部，连接部为镶嵌在底座1上的球套101，球套101与球头201铰接，通过球头201与球套101的铰接来实现反应箱体2的支撑与多向转动倾斜。底座1的连接部四周环设有与所述磁性材料对应的沉孔102，沉孔102内安设有控制反应箱偏转的电磁铁。本实施例中，磁铁202设有6个，呈正六边形排列；底座1上的沉孔102也对应设有6个，呈正六边形排列，且沉孔102之间还可供电路线安装的凹槽103。
37.反应箱通过一段伸出的连接杆铰接在底座1的连接部上，通过底座1上的电磁铁的的磁力通断或大小，来吸附反应箱底部的磁性材料靠近，使反应箱体2可以进行小角度的多向转动倾斜，进而捕捉阳光，使其适应不同农业环境，提高实际应用率。
38.具体的，薄膜组件4包括中空框架401和固定在中空框架401内的催化薄膜；中空框架401两端设有连接孔402，连接孔402与箱体2的侧壁通过连杆转动连接，并通过设置在箱体2上的驱动器9驱动旋转。其中，催化薄膜与中空框架401可拆卸连接，可以随时对催化薄膜进行更换。驱动器9驱动中空框架401进行转动，使其可以实现对太阳光的追踪。
39.气体输入装置包括输气口7、与输气口7连通的主管道601、与主管道601垂直连通的多根输气支管602、以及设置在输气支管602上的出气位；输气口7贯穿箱体2后与主管道601连通；主管道601沿箱体2侧壁横向设置。输气支管602均匀间隔的铺设在箱体2的底部；出气位由多个出气孔603组成，出气孔603朝向薄膜组件4开设。本实施例中输气支管602设有11根，每根输出气支管602间隔设有3个出气位。多个出气位以及出气位上设置的多个出气孔可以将气体均匀分散至反应箱各处，增大了反应物的接触面积，提高了反应速率。
40.气压平衡装置5设置在所述箱盖3一侧边，气压平衡装置5上设有多个排气口，当所述反应箱体2内的气压超过设定值时，排气口进行排气。
41.本实施例中的反应箱为透明亚克力板，也可以优选为其他透光材料。
42.工艺流程，通过进水口6将水灌入箱体2，当水填满箱体2的三分之二，通过底座1上的电磁铁202控制并调整箱体2的角度，使其正对太阳，然后驱动器9控制中空框架401旋转，让太阳光垂直照射到催化薄膜上，将n2依次通过输气口7、主管道601、和输气支管602上的出气孔603进入到箱体2内部，在箱体2内产生大量水泡，使反应物与催化剂充分接触，借助太阳光进行合成氨反应，箱盖3上的气压平衡装置5可以保持箱体2内部的气压恒定，反应完成后，通过出水口8将氨水排出。
43.本实施例中的光催化固氮装置充分考虑光照强度因素，是一种高效催化固氮的装置，装置采用可转动的薄膜组件4和带电磁铁202的底座1控制反应箱转动对太阳光进行实时追踪，大大提高了催化反应效率。还充分考虑应用场景带来的地形因素，在不同的地形下均可通过底座1调整箱体2，保持箱体2水平，极大地保证了反应安全，提升实际应用能力。
44.最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。