矩形微通道反應(yīng)器的設(shè)計(jì)和材料對(duì)有機(jī)污染物光催化分解的影響

光催化是一種潛在的降解水中有機(jī)污染物的技術(shù)，如對(duì)環(huán)境有潛在危害的芳香族化合物。光催化可將水中殘留的微量有機(jī)污染物礦化并除去微生物，這使得光催化技術(shù)成為一種非常適用的廢水處理技術(shù)，也是一種有價(jià)值的替代傳統(tǒng)飲用水處理技術(shù)和用于制藥行業(yè)的超純水生產(chǎn)技術(shù)。該文章的目標(biāo)是在反應(yīng)器的尺寸和材料方面找到矩形微通道反應(yīng)器的優(yōu)化設(shè)計(jì)，以提高光催化活性。并以固定化二氧化鈦(tio2)為光催化劑，設(shè)計(jì)、制備并測(cè)試了微通道反應(yīng)器，研究了微通道尺寸、材料對(duì)水楊酸光催化降解的影響。

1.微通道反應(yīng)器的設(shè)計(jì)

二氧化鈦(tio2)是最常用的半導(dǎo)體光催化劑，因?yàn)樗哂懈叨鹊墓饣钚浴⒐夥€(wěn)定性、生物和化學(xué)惰性且比較便宜。利用二氧化鈦光催化劑進(jìn)行水處理的光化學(xué)技術(shù)是一種非常潔凈的方法，考慮到經(jīng)濟(jì)和實(shí)際的原因，最有用的二氧化鈦光催化劑形式是在一個(gè)方便的載體上涂上薄膜或涂層。但是，傳統(tǒng)固定化系統(tǒng)存在規(guī)模化難度系數(shù)大、界面表面積小、傳質(zhì)受限等問題。微通道反應(yīng)器具有層流、分子擴(kuò)散距離短、比界面面積大和優(yōu)良的傳熱特性，且具有大的表面與體積比，即可使最大限度的試劑與催化劑接觸，從而彌補(bǔ)了與固定光催化劑相關(guān)的缺點(diǎn)，所以微通道反應(yīng)器可能被證明是適合的。特別是對(duì)于光化學(xué)反應(yīng)，與大型反應(yīng)器相比，微反應(yīng)器表現(xiàn)出更高的空間照明均勻性和更好的光穿透性。為了避免制造微納米反應(yīng)器的困難和在微納米尺度上光源的昂貴成本，該文章引入典型的特征尺寸在 500 μ m 和 2 mm 之間的矩形微通道反應(yīng)器。

在微通道反應(yīng)器的設(shè)計(jì)方面，通過適當(dāng)優(yōu)化反應(yīng)器的幾何尺寸和形狀以及使用不同的材料，可以得到一個(gè)有效的光催化微反應(yīng)器。在設(shè)計(jì)微通道反應(yīng)器時(shí)需要注意以下幾個(gè)方面：(1)保證整個(gè)光催化劑表面得到均勻和充分的照射;(2)達(dá)到反應(yīng)物與光催化劑表面的最高接觸，即大的表面體積比;(3)增加污染物從溶液到催化劑表面的傳質(zhì)，即高傳質(zhì)系數(shù)。此外，催化劑的載體材料在光催化性能中起著重要的作用。在微反應(yīng)器材料方面，以往的研究工作大多局限于少數(shù)幾 2 個(gè)反應(yīng)器作為支撐材料，如陶瓷、硅片和玻璃。有研究表明，聚合物材料和金屬基板作為微通道反應(yīng)器的制作材料具有重大意義。因此，該文章測(cè)試了用不同材料制作的微反應(yīng)器，從而確定了環(huán)氧聚合物，聚碳酸酯和鋁作為有價(jià)值的光催化微器件材料。

2.微通道反應(yīng)器的制備

該研究制造了矩形微通道反應(yīng)器，在其中沉積二氧化鈦?zhàn)鳛楣獯呋瘎２捎貌煌牧现苽湮⑼ǖ婪磻?yīng)器。環(huán)氧聚合物微通道反應(yīng)器是用立體光刻技術(shù)制造的，而鋁和聚碳酸酯微通道反應(yīng)器是用機(jī)械加工技術(shù)制造的。該文章利用自制的立體光刻儀，在環(huán)氧樹脂上制備了不同尺寸的聚合物矩形微通道反應(yīng)器。立體光刻技術(shù)是基于光聚合的過程，其中液體樹脂在激光照射下轉(zhuǎn)化為固體聚合物。模型是通過連續(xù)固化樹脂材料層，直到三維物體形成，聚合物微反應(yīng)器如圖所示。

圖 1 聚合物微通道反應(yīng)器示意圖

該研究在自制的鋁和聚碳酸酯矩形微通道反應(yīng)器上進(jìn)行了光催化降解實(shí)驗(yàn)。反應(yīng)器的材料由一塊厚的長(zhǎng)方形鋁板或聚碳酸酯板組成。反應(yīng)器的頂部機(jī)械地開有一個(gè)矩形微通道的槽。微通道的寬度為 1 mm，高度為 0.5 mm，長(zhǎng)度為 70 mm。根據(jù) Furman 等的方法，將 tio2 樣品沉積在微通道反應(yīng)器的通道內(nèi)表面上。將二氧化鈦的水溶液懸浮液倒在微通道上，去除多余的部分，把濕潤(rùn)的通道在 50°C 下干燥 1 小時(shí)。根據(jù)構(gòu)成反應(yīng)器的材料的性質(zhì)，這種涂層過程重復(fù)了幾次:鋁反應(yīng)器重復(fù)了 15 次，環(huán)氧聚合物反應(yīng)器重復(fù)了 20 次，聚碳酸酯反應(yīng)器重復(fù)了 23 次。為了除去松散的顆粒，在運(yùn)行的蒸餾水下漂洗后，沉淀物的數(shù)量通過稱量沉淀物前后的干燥反應(yīng)器來確定。這個(gè)制備過程可以控制涂覆催化劑的質(zhì)量，并在通道的整個(gè)表面獲得均勻的一層。在催化劑沉積之后，用環(huán)氧樹脂膠將微反應(yīng)器密封在玻璃頂板上。

3.微通道反應(yīng)器的優(yōu)化

為了優(yōu)化微通道反應(yīng)器的設(shè)計(jì)，該文章以光催化降解水楊酸為實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，研究了微通道尺寸和材料對(duì)光催化效率的影響。研究表明所有的微通道反應(yīng)器表現(xiàn)出相同的行為，當(dāng)污染物濃度和流量較低時(shí)，可以觀察到較高的降解率。從數(shù)據(jù)中沒有證據(jù)表明，反應(yīng)器的組成元素的性質(zhì)影響光催化過程，微通道反應(yīng)器材料對(duì)光催化活性的影響幾乎為零。微通道尺寸對(duì)降解率有一定影響：在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，通道寬度最大，通道高度最低的反應(yīng)器具有最高的光催化活性;相反，隨著微通道長(zhǎng)度的增加，降解率有相當(dāng)規(guī)律的增加。因此，在存在傳質(zhì)限制的情況下，可以利用相關(guān)經(jīng)驗(yàn)來優(yōu)化微通道的幾何尺寸，以達(dá)到理想的光催化性能。