新型光催化反應器設計與降解甲醛性能分析

溫惠敏，丘婷婷，鐘建權，周棣楊，趙俊峰，楊慧晴

(廣東省綠色產(chǎn)品認證檢測中心有限公司，廣東 廣州 510440)

光催化氧化(PCO)技術是近年來一種新型的主要用于減少室內揮發(fā)性有機物(VOCs)的高級氧化技術。PCO的優(yōu)勢主要有2點：1)降低我們對新風量要求的標準；2)降低室內取暖能耗和空調使用能耗。與其他氧化技術相比，PCO主要有3個優(yōu)點：1)催化活性高；2)反應條件溫和；3)使用過程安全無危險。因此，高效采用PCO技術來凈化室內VOCs，已成為全世界學者專家競相研究的熱門話題[1-6]。

本文設計了一種新型管狀泡沫鎳光催化空氣凈化器，應用于供熱通風與空氣調節(jié)系統(tǒng)，同時研究了室內甲醛濃度的降解，以確定凈化器的應用潛能。考察了外質量傳遞的影響，分析了反應動力學和能量效率，以確定在相同劑量催化劑條件下，新型光催化反應器的應用潛能。

1 載體選擇和結構設計

1.1 載體與催化劑

催化劑的載體采用金屬泡沫鎳網(wǎng)[孔隙率=95%，w(Ni)=0.999]，催化劑采用DegussaP25型TiO2。光催化劑通過Dip-coating鍍膜方法[7]涂覆于10cm×4.5cm×1.0 mm的泡沫鎳網(wǎng)上。

1.2 反應器的結構設計

反應器的結構設計見圖1。反應器的上端布置功率為8W的紫外(UV)燈，數(shù)量為2只，由鎳網(wǎng)呈不同角度并聯(lián)得到(鎳網(wǎng)尺寸：10 cm×4.5 cm×1.0 mm)，紫外光主波長是254 nm。實驗依據(jù)薄板拼接、鎳網(wǎng)和紫外燈夾角的不同，將反應器的形式布置為4類：平板型、L型、90°型和45°型。空氣沿軸向從一端入口進入，然后沿徑向流到外面。其中L型、90°型、45°型反應單元結構迎面流速的降低通過增加迎風面積來實現(xiàn)，這樣凈化器的阻力比較低，污染物滯留時間得到相對的延長。

圖1 不同結構的反應器

2 實驗裝置

實驗裝置如圖2所示。將干潔的空氣分為2條路線：1)第1條路線的空氣通過盛有甲醛溶液的密閉容器瓶，這股空氣可帶出甲醛飽和蒸汽；2)第2條路直接與第1條路線混合，得到含甲醛的混合氣體。2條路線制得的混合氣體流入反應器在紫外燈的照射下發(fā)生光催化反應。分別在反應器的入口和出口布置采樣點進行采樣。樣品采用甲醛測試儀(型號：英國PPM公司生產(chǎn)的Formaldemeter HTV)測定。采用的光源為紫外燈，功率為8 W，波長為254 nm，數(shù)量為2根[2]。

圖2 甲醛降解實驗裝置示意圖

3 反應器對甲醛降解性能的影響

甲醛氣體與二氧化鈦在兩相界面上發(fā)生光催化反應，得到如(1)的計算公式。

(1)

式中：r是光催化反應速率(mol/m2·s)；c0是甲醛氣體的初始質量濃度(mg/m3)；K是物質吸附平衡系數(shù)(m3/mg)；k是反應速率常數(shù)(mol/m2·s)。求得反應速率常數(shù)k和吸附平衡系數(shù)K，具體數(shù)值如表1所示。

由甲醛氣體的衰減曲線，得到計算公式。

(2)

式中：ε是甲醛氣體的降解效率(%)；ke是有凈化器時的衰減常數(shù)(1/h)；kn是無凈化器時的衰減常數(shù)(1/h)；V是反應器的容積(m3)；G為氣體的流量(m3/h)。

根據(jù)相關專家和學者研究的結果[8-13]，得到式(3)計算公式。

(3)

式中：NTUVm是傳質單元數(shù)(%)；A/Ac表示反應器的結構特性。η表示反應的有效度(%)；Stm表示傳質斯坦頓數(shù)(%)；A表示物質的反應面積(m2)；Ac表示過流斷面面積(m2)。

在光催化反應中，反應和傳質的強弱關系通常用反應有效度η表示。一般分為兩種情況：1)η值趨于數(shù)值1，反應和傳質的強弱關系是反應能力遠大于傳質能力；2)η值趨于數(shù)值0，反應和傳質的強弱關系是傳質能力遠大于反應能力。傳質斯坦頓數(shù)Stm表示的是反應器實際傳質能力與理想傳質能力的差距，表1列出的是4種折板反應器的實驗數(shù)據(jù)。

表1 4種折板反應器的實驗數(shù)據(jù)

由表1可見，平板型反應器的Stm值和K值最高，分別為82.91%和0.075m3/mg，但它的η值和k值卻較小，分別為20.2%和0.357 mol/(m2·s)，這說明平板型反應器雖然有較強的對流傳質能力，但反應有效度卻不理想。90°型和45°型折板反應器的傳質能力雖然有所下降，但反應有效度明顯比平板型反應器大，折板反應器的傳質-反應能力也更加趨于平衡。這是因為，90°型和45°型折板反應器幾何結構的反應面積和紫外光的入射角度都增大了，這能更好地吸收光能。同時，在折板上的反射光在相鄰薄板間多次發(fā)生來回折射，大大地提高了Stm、η和A/Ac三個參數(shù)間的乘積，即大大增強了光催化反應能力。45°型與90°型折板反應器相比，因兩者槽截面尺寸和總反應面積不同，光催化降解甲醛氣體的效率也不一樣，45°型折板反應器的光催化降解甲醛氣體效率比90°型大，總降解甲醛氣體的效率也高。

4 結論

本文提出的光催化空氣凈化器能在有限的橫斷面上提供較大的反應面積，降低迎面風速，從而降低凈化器的阻力，并增加了污染物的滯留時間。折板反應器可以使反應面積和紫外光入射角增大，與平板型相比，折板反應器的平衡傳質和反應效率也有所提高。