第 50 卷 第 4 期
2021 年 4月
Vol.50 No.4Apr.2021
Technology & Development of Chemical Industry
徐春华，邹晓娜，张梦薇，吴文荣，唐庆杰
（河南理工大学化学化工学院，河南 焦作 450000）
摘 要：光催化技术在污水处理领域的广泛应用，促使光催化反应器的设计及研发日趋加快。本文就光催化反应器及其发展史进行了概述，归纳总结了各类典型光催化反应器的优势与不足之处，着重讨论了目前研究比较普遍的管式和环式光催化反应器，以及膜组件耦合技术、磁化技术在光催化反应器设计领域的应用。分析表明，多技术联合光催化反应器的设计与研发是未来发展的方向，对于光催化技术在环境保护领域的应用具有重要的意义。
关键词：光催化反应器；类型；膜耦合技术；磁化技术
中图分类号：TQ 052； TQ 031 文献标识码：A 文章编号：1671-9905(2021)04-0029-04
基金项目：2020年河南省高校国家级大学生创新创业训练计划项目（202010460098）
通信联系人：唐庆杰（1969-），男，博士，副教授，硕士生导师，主要从事水环境材料修复与固体废弃物再生利用领域的研究。E-mail:
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收稿日期：2021-01-14
光催化技术在有毒、有害的污染物质降解方面具有巨大的应用前景，但在实际工业和生活污水处理等方面的应用仍存在很大的局限性。催化效率低、回收利用过程难、催化反应器造价高、光源利用成本高等问题，是造成其局限性的根本原因，事实上这些问题均与其相对应的催化反应器的设计有所关联。本文介绍了光催化反应器的发展史，对其已有类型展开详细综述，并对目前常用的高效催化反应器进行了归纳整理和讨论。
1 光催化反应器的发展史
1.1 光催化反应器
1972年，日本光化学家Fujishima 和Honda [1]通过实验，得出“利用TiO 2单晶可将水光催化分解”的结论，这是世界性范围内的光催化氧化技术应用研究的开端，此后该技术在污染物降解、气体净化、杀菌消毒等方面的研究成果显著[2-3]。光催化技术应用于空气和水处理等领域时，需要与一定的承载系统相结合，这种承载系统被称为光催化反应器。
光催化反应器是指用来负载、分离催化物质，决定光源吸收率的一类承载设备的统称，目的是给光催化氧化反应提供不易波动的反应场所，从而促成整个化学作用历程对光源的高效能吸收，以及对污
染物的高效能降解。研制高性能的反应器，与制备高性能的催化剂具有同等重要的地位。一个设计较好的反应器，不仅能够提高光催化反应的效率，还可以扩展其作用领域，实现其工业化应用。1.2 光催化反应器的特点 能够促成化学反应的承载系均可称为化学反应器。在反应器中可添加不同类型的催化剂以促进反应的进行，能促进物质分解的反应属于催化反应，相应的反应容器就是催化反应器。光催化反应器因利用光为催发源，而区别于普通的催化反应器。1.3 光催化反应器的发展史
初期的光催化研究大都是在一些很简陋的实验环境下完成的。比如在液相光催化反应中，化学家一般
用人工通过玻璃棒搅拌的方式，来完成催化剂与污染物溶液的混合。由于人为操作造成的误差难以消除，实验结果的准确性和实验数据的再现性难以得到保障[4]。为了使反应历程具有高效能性、强平稳性和精简节能性，光催化反应器的设计理念也在日益更新，且愈来愈趋向于自动化和高效化。现在常用的光催化反应器按催化剂的存在形式，可分为悬浮式、固定床与膜组件耦合的光催化反应器。悬浮式光催化反应器中，催化剂与溶液完全混合，这与初期光催化反应研究中所用的人工搅拌式催化反
30化工技术与开发第 50 卷
马蹄去皮机应的催化剂原理相似[5]。但因存在催化剂难以回收
等问题，后期出现了固定床光催化反应器，即催化剂
固定在一定的载体和模板上，从而实现催化剂的重
复利用，但存在催化剂与被处理污水的接触面积小、
催化效率低等问题。膜组件耦合的光催化反应器
具有将催化剂从悬浮体系中分离出来的膜体系[2]，
可以稍微弥补前2种催化反应器的缺陷。但膜组件
属于一类膜，可能会出现膜堵塞、膜老化等问题，且
制作成本略显高昂。根据反应器的外形，可将光催
化反应器分为管式、板式、釜式和环状催化反应器[6]
等。
整体来说，现阶段我国光催化反应器的研究仍
受到催化剂的回收利用、光能的利用、催化反应器造
价等因素的影响，除小部分用于景观水处理和生活
污水处理外，大部分仍处于实验室的污水处理实验
阶段，未能大规模投入工业污水处理应用。
2 光催化反应器的分类
2.1 按照催化剂的存在形式分类[7-10]
按催化剂的存在形式不同，可以将光催化反应
器分为悬浮式、固定床与膜组件耦合的光催化反应
器。
2.1.1 悬浮式光催化反应器
此类反应器将超细催化剂微粒加入到工业废液
中，并通过鼓气系统或隔板等方式，使催化剂颗粒散
布于反应器中。得益于粒径小、比表面积大的催化
剂微粒能与处理废液充分接触的优点，这类催化反
应器可提高污染物的吸附和降解效率，但也因微粒
过小，使得回收利用的难度增大。悬浮型光催化反
应器可分为泰勒旋涡式、挡板式以及鼓泡式反应器
等，不同类型的悬浮式光催化反应器的对比见表1。
表1 光催化反应器的对比
催化反应
器类型
结构特点优点缺点
泰勒旋涡式光照射的周期可
调，光源的利用
率增加
多变光源，提
升对光源的吸
收率催化剂微
粒过小，回
收困难，重
复利用难
度较大
鼓泡式底部利用鼓气系
统，催化剂微粒
悬浮度增加
减少光催化剂
的沉降，传质
效率高
挡板式加装有孔隔板，
催化剂可在溶液
中分布均匀
增加催化剂的
停留时间，降
走线槽发动机支撑架低其沉降率
2.1.2 固定式光催化反应器
该类催化反应器将催化剂固定在一定的载体和
模板上，待降解处理的工业污水流经催化剂表面，与
催化剂相接触并实现表面接触性催化氧化。虽然该
类型的光催化反应器可以在很大程度上解决纳米级
催化剂颗粒难以回收的问题，但是催化剂固定后，必穿孔塞焊
然会导致催化剂与待处理污水接触的局限性，催化
力度被削弱。在考量接触面积的同时，也需考虑选
择合适的载体、探究催化剂的固定方式、提高催化剂
固定后的稳固性等问题。传统的固定式光催化反应
器分为筒式、列管式和转盘式。不同类型的固定式
光催化反应器的对比见表2。
表2 光催化反应器对比
催化反应
器类型
结构特点优点缺点
转盘式
附着催化剂的盘
面浸入水中并搅
拌
具有较高的传
质效率及光能
利用效率
处理污水量
小，不易放
大
转筒式
催化剂膜附着在
转筒内壁，光源
居中
固液接触匀
实，光能的利
效率高
不易放大
列管式
光源经反射映射
在催化剂膜表面
光能的利用效
率高
设计复杂，
制作成本高
2.1.3 膜组件耦合的光催化反应器
膜组件耦合的光催化反应器可以看作是一种新
型的悬浮式光催化反应器，因具有分离催化剂的选
择膜而有别于一般的悬浮式光催化反应器。根据膜
组件所在位置的不同，膜组件光催化反应器分为沉
浸式和外置式。外置式膜系统的膜独立于光催化反
应器，内置式膜系统的膜沉浸在反应液中，并以负压
为膜驱动力。丁洁等人研究后发现[11]，内置膜系统
催化剂的回收度更高。
膜组件光催化反应器在一定程度上实现了催化
剂的回收利用，也实现了催化剂巨大比表面积的利
用，属于悬浮式光催化反应器和固定床式光催化反
应器的优势结合。但是膜组件光催化反应器也存在
自身的缺点，例如膜组件本身也属于膜的一种，存在
老化、堵塞等问题，需要经常检查、维修、更换，另外
膜组件光催化反应器的设计精密度高于悬浮式和固
定式光催化反应器，因此相应的成本也更高。
2.2 根据催化反应器的结构设计分类[12-17]
根据反应器的结构设计，可将光催化反应器分
为管式、板式和环状反应器等，具体对比见表3。
31第 4 期 徐春华等：光催化反应器的设计与应用研究进展
3 目前常使用的催化反应器设计工艺
目前常用的光催化反应器仍多为前面介绍的3种类型，但更注重多技术联用工艺，具体如下：1）在初期的环状悬浮式反应器的基础上进行技术更新。潘迪等人设计的环状多相催化反应器，在套管内添加金属导流板，可以使透过污水的紫外光反射后再次穿透污水，提高待降解污水对光的吸收率。胡昌等人[18]设计的溶胶凝胶法负载型催化剂，在空心轻质玻璃珠表面涂镀光催化薄膜后，应用于悬浮式光催化反应器中，同样可以提高光源吸收率，同时便于光催化剂的回收利用。
2）在初期的管状固定式反应器的基础上进行技术更新。在管状反应器的内部增设肋片，使其具有更大的表面积，可以涂敷更多的光催化反应剂，从而提高催化效率。刘鹏等人从高效、节能的角度出发，发明了区别于普通管状光催化反应器的新型折流式管状光催化反应器。新型催化反应器在内部增设了肋片，加大了内部表面积，并将光催化剂涂敷在内部肋片表面，加大了光催化剂的涂敷表面积，从而提高了催化效率。
3）膜组件耦合技术实现了光催化反应器与催化剂的分离。张宏忠等人[19]发明的错流式光催化膜反应器，将光催化与膜分离技术相结合，使膜分离和光催化交替运行，更好地解决了膜堵塞、膜污染等问题，但仍存在技术实施费用较高、难以应用于大规模工业污水处理等问题。李苗苗等[20]设计的一种
含有紫外灯、膜组件及曝气装置的膜分离系统，实现了多相结合反应，提高反应效率的同时也便于催化剂的回收利用。
4）光催化技术与磁化技术的联用。该技术与磁化技术的联用具有3大优势：一是在磁场作用下，水体稳定的性质发生改变，体系反应活跃度加大，反应速率加快；二是磁场可加强污水对光源的吸收度，促成·OH和H2O2的生成；三是磁分离技术与光催化技术联用，便于催化剂的分离及重复利用。郑坤等发明的旋转磁场光磁耦合多效废水处理装置，利用鼓气系统和搅拌磁棒，使得催化剂微粒的悬浮度增加，在提高体系反应活跃度的同时，也便于催化剂的回收和重复使用。
4 结论与展望
目前，光催化反应器的研究在原有单一设计类型的基础上，逐渐向多技术耦合的方向发展，以弥补单一设计的不足；同时，越来越注重催化反应器内部结构的研究，以增大催化剂的铺盖表面积与光能利用率，且越来越趋向于节能高效能源的利用。比如设计出了复合抛物面光催化反应器，以增大对太阳光能的利用率[21]，设计出了更有利于光源利用的LED灯等[22]。未来对于催化反应器的研究，可以从以下几个方面进行：
1）对光催化反应剂，可研究其反应性能与负载原理，使其更易与反应器相结合并发挥出最大化的催化性能。
2）对光催化反应器内部精密结构的研究，可与3D打印技术相结合，在提升设计品质的同时，降低制作成本。
3）光催化联用技术的发展。已有研究证明，联用技术可使各类型的光催化反应器优势互补，取长补短，未来可继续在此方面进行技术更新。
参考文献：
[1] Fujishima A, Honda K .Electrochemical Photocatalysis
of Water at a Semiconductor Electrode[J].Nature, 1972, 238(5358): 37-38.
[2]Olga Sacco, Vincenzo Vaiano, Diana Sannino. Main
parameters influencing the design of photocatalytic reactors for wastewater treatment: a mini review[J]. Journal of Chemical Technology & Biotechnology, 2020, 95(10).
[3] Caitlin Buck, Nathan Skillen, Peter K.J. Robertson, Jeanette
M.C. Robertson. Influence of bacterial, environmental and physical factors in design of photocatalytic
reactors for water disinfection [J]. Journal of Photochemistry & Photobiology A: Chemistry, 2018, 366(1): 136-141.
[4] 马瑶瑶，潘保宏，徐志杰，王珺婷.新型光催化水处理反
应器的研究进展及展望[J].建材世界，2018，39(1)：83-87.
[5] 王东亭.基于TiO2纳米复合/掺杂材料的制备及光催化
表3 光催化反应器对比
结构结构特点优点缺点
管式外观多为圆筒形，中
心轴为催化光源，轴
四周为循环管道，管
道内壁附着催化剂
可实现被催化
物的多管程流
动，降解效率高
催化反应器内
部结构复杂
板式催化剂在底层固定，
灯光固定于上层
结构简单，光能
的利用效率高
水力负载量较
低，难以承载
大流量污水
环状外观多为圆筒形，光
源居中，待处理污水
流经其周侧
可使催化剂吸
光率达到极限
膜催化负载量
有限
32化工技术与开发第 50 卷
性能研究[D].北京：北京化工大学，2012.
[6] 陈再东.薄层水膜光催化废水处理装置的开发及性能研
究[D].镇江：江苏大学，2018.
产品样本制作[7] 方书起，曹奇，常春，陈俊英.以TiO2为光催化剂的反
应器结构研究进展[J].现代化工，2019，39(3)：45-50. [8] 刘振兴.光催化降解有机污染物技术现状及发展方向[J].
西部皮革，2018，40(19)：133.
[9] 郭飞，赵修建，殷官超.国内外光催化反应器的发展情
况[J].建材世界，2011，32(1)：65-67.
[10] 欧耳，王理明，郭雅妮，孙文，李书琪，马曼丽.柔
性纤维负载TiO2光催化反应器的设计[J].西安工程大
学学报，2018，32(1)：56-60.
[11] 丁洁.悬浮体系TiO2光催化处理两种炼化废水影响因
素与效果的实验研究[D].兰州：兰州交通大学，2017.
[12] 肖国生.管式光催化反应器的研发及其降解四环素废
水的性能研究[D].长春：吉林大学，2016.
[13] 潘迪.环状多相流化床光催化反应器设计研究[J].河南
科技，2018(25)：48-51.
[14] 郑洁，吴思奇，王小艳，宋雪瑞.管状光催化反应器保温系统
的设计及其净化效果分析[J].重庆大学学报，2016，39(2)：146-152.
[15] 杨武，朱遂一，霍明昕.内循环管式光催化反应器降
解水中喹啉的动力学研究[J].环境工程学报，2012(8)：2651-2655.
[16] 杨烨鹏，李懿舟，王家强，李国庆，罗智方，姜亮.光
催化技术在处理废水中的规模化应用[J].云南大学学
报(自然科学版)，2019，41(3)：565-571.
[17] 刘鹏，郑洁，周亚亚，周雪梅.新型管状光催化反应
器降解VOCs特性[J].环境工程学报，2018(7)：2010-
2017.
[18] 胡昌.基于吸附—光催化体系的悬浮型光催化反应
器的研究[D].上海：上海师范大学，2015.
[19] 张宏忠，张钰，王明花，张华林，邓瑞红.新型光
催化膜反应器的设计及性能研究[J].膜科学与技术，2017，37(2)：109-113.
[20] 李苗苗，解立平，莎莉，杜金山，费学宁，王嫚嫚.TiO2
纳米管光催化氧化-膜分离耦合工艺性能的研究[J].
工程科学与技术，2017，49(s1)：220-225.
[21] 陈作雁，安兴才，刘刚，韩立娟.多功能复合抛物
面太阳能光催化反应器研制[J].太阳能学报，2015，36(2)：447-451.
[22] 薛冬冬，郭震宁，林介本，张佳宁，陈中行，李建鹏.用
于光催化反应器的双面出光LED光源设计[J].照明工
程学报，2019，30(1)：32-37.
Research Progress on Design and Application of Photocatalytic Reactor XU Chunhua, ZOU Xiaona,ZHANG Mengwei,WU Wenrong,TANG Qingjie
(College of Chemistry and Chemical Engineering, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 450000, China) Abstract:With the wide application of photocatalytic technology in the field of sewage treatment, the design and development of photocatalytic reactor were speeding up. In this paper, the photocatalytic reactor and its development history were summarized, the advantages and disadvantages of various typical photocatalytic reactors were summarized, and the common tubular and ring photocatalytic reactors, as well as the application of membrane module coupling technology and magnetization technology in the design field of photocatalytic reactor were emphatically discussed. The analysis showed that the design and development of multi-technology photocatalytic reactor was the future development direction, which was of great significance to the application of photocatalytic technology in the field of environmental protection.
Key words: photocatalytic reactor; type; membrane coupling technology; magnetization technology
（上接第28页）
Research Progress on Scaling and Influence Factors of Oilfield Water
QIAN Huijuan1,2, LI Xuhongyu1, SHANG Lingling1, ZHU Minghui1, HOU Yuxing1, XU Dehong1, GAO Qinghe1 (1. College of Chemical Engineering, Daqing Normal University, Daqing 163712, China; 2. College of Chemistry and Chemical
Engineering, Northeast Petroleum University, Daqing 163318, China)
Abstract: Scaling of oilfield water became a major problem faced by oil fields in China and abroad. The formation of scaling mainly depended on the supersaturation of slightly soluble or insoluble salts and the growth process of salt crystallization. Different factors had different effects on scaling. This paper reviewed the influence of temperature, pressure, pH value, water quality composition, flow rate and pipeline surface condition on oilfield water scaling, which could provide theoretical support and corresponding countermeasures for scale prevention / inhibition.
Key words: oilfield water; scaling; influence factors
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
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