光催化产业化整体解决方案

从1972年日本科学家藤岛昭发现光催化现象开始，光催化已经有五十年的发展历程。近些年，光催化研究也开始从实验室基础研究逐渐向产业化发展。由于传统的釜式反应器存在受光面积小，光催化剂受光不均匀，传热效率低且有放大效应等问题，难以实现光催化产业化应用。

不同于传统的釜式反应器，平板式光化学反应装置结构呈扁平状，催化剂可均匀分散在板式反应器中。具有受光面积更大，光催化剂的光照均匀性更高，反应物与光催化剂的传质效率更高，放大效应小等优势，是光催化反应体系向户外应用转化的不二之选。

但是当前大部分的研究工作都是在釜式反应器内完成，要实现釜式反应器向平板反应器的转化，需要考虑如下问题：

1、光催化剂的固定方式及用量

2、反应器的材质

3、反应液浓度

4、流速

5、平板反应器内的传热问题

6、床层厚度等

然而常规的平板反应器体积较大，单次实验探索消耗的原料较多，不适用于初期的条件摸索，尤其是更换催化剂固定方式，反应器材质以及床层厚度等条件。

 

PLR-SPRL实验级光化学反应装置用于早期实验阶段的条件摸索，它的反应器体积小巧，常规款工作面积仅10×10 cm²，可选5×5、15×15、20×20、25×25 cm²。实验者可根据实验情况更换不同的反应器，逐步增大反应面积，得到放大过程中的传质、传热以及反应动力学数据。

光催化剂固定方式对反应的影响

为了适用于不同类型的光催化剂以及反应，通常需要选择不同材质的基板去固定光催化剂。常用的光催化剂固定基材有无纺布、碳纸、碳布、高硼硅玻璃和有机玻璃等。

材质	性能特征
无纺布	具有优异的孔隙结构和高比表面积，与光催化剂结合能力较强，有较好的承载能力且能提供较大的活性表面积
碳纸、碳布	具有良好的导电性，有利于光催化中光生电荷的分离，也可以用于电辅助的光催化反应体系
高硼硅玻璃	具有较好的透明度和机械强度，使用寿命更长，光催化剂的光吸收效率更高，尤其适用于有一定腐蚀性的反应（酸，碱及强氧化性条件）
有机玻璃	可以加工成不同的形状和尺寸，用于研究工艺对反应的影响

 

PLR-SPRL实验级光化学反应装置通过支撑块的设计，可匹配上述多种基材的固定，满足不同的实验场景需求。

平板式反应器中的传质

反应液在流过平板反应器时，如图所示会有层流运动和湍流运动。为了增大反应液和催化剂之间的传质，需要增大流体的纵向流动的速率。

雷诺数Re是用于衡量流体流动状态的数值，对于非圆管流体流动，其计算公式如下：

当Re＞500时，流体开始由层流状态向湍流状态转变。

以水为例，将其运动粘度V=0.013 cm²/s代入10×10 cm²平板反应器计算可得，当v＞8000 mL/min后，Re＞500，即当平板反应器在正常实验条件下（0~200 mL/min）是处于层流运动状态。

 

为了改善平板反应器内部的传质问题，PLR-SPRL实验级光化学反应装置将流体层厚度d_L限定在3 mm以内，减小反应物向光催化剂床层的扩散距离。同时将平板反应器倾斜放置，流体从底部进入反应器内。一方面可以增大光催化剂的光照面积以及光照强度，另一方面通过流体向下的重力以及与床层的摩擦阻力来扰动流体，增大反应物向光催化剂床层扩散的概率，实现低流速下较高的传质效率。

 

对于传质效率低或者反应速率较低的光催化反应，PLR-SPRL实验级光化学反应装置还可进行密闭反应，或者通过储液罐和循环泵实现反应液多次流入平板反应器内，通过时间累计来计算光催化剂的活性，随着工艺的优化和产量的提高，可逐步切换为连续流模式进行光催化剂的活性计算。

平板式光催化反应的放大验证

在实验级平板反应器获得如光催化剂负载量的优化、流速的优化及反应器材质选择等合适的参数之后，还需要在大面积的平板式反应器上进行放大验证才能用于规模化量产。

但是在实际放大生产时还需要考虑如下问题：

1. 传热的影响

实验室所用的平板反应器可通过冷却系统，如循环水、冰浴等方式及时带走，对反应影响很小。但反应体系放大后，这种热量的及时移走就变得不容易，极易影响反应进行的方向；

2. 反应效率

平板反应器面积的增大会影响反应的总停留时长，传质效率也会变化，从而影响反应效率及产量；

3. 负载工艺

将反应工艺放大时，光催化剂负载基板面积会相应变大，其耐压性和稳定性都会发生相应的变化，光催化剂的负载工艺以及负载基板的固定结构都需要做出一定的调整以满足大尺寸的反应需求；

4. 动力循环系统

反应器体积增大也会同时增大单位时间内反应液的处理量，其相应匹配的动力循环系统如循环泵、输送管道及储液泵等都需要做出相应的放大处理，以保证足够的循环效率，减少结构上的动力损耗，降低成本。

 

PLR-SPRF小试级平板式光化学反应装置推出了三个尺寸（40×40、60×60和80×80 cm²）的大尺寸平板反应器，其最大有效受光面积可达0.5 m²，而且可以将两块平板反应器通过快速接头串联组成受光面积为1 m²的平板反应器。

针对不同尺寸的平板反应器，泊菲莱科技在反应器结构以及光催化剂基材固定结构上都做了相应的调整。

在传质效率的优化上，PLR-SPRF小试级平板式光化学反应装置在反应器的进液和出液口都设置了相应的扰流结构，反应器的流体层厚度也预留1~5 mm的可调空间，以减小反应器放大过程对传质效率的影响。

针对不同尺寸规格的反应器，PLR-SPRF小试级平板式光化学反应装置通过计算反应器的持液量，优化了其配套的储液罐、输液泵、流量计及输送管道的长度与尺寸。

平板式反应器的量产放大

在放大实验确认最终反应条件之后，就可以将最大尺寸（80×80 cm²，有效受光面积0.5 m²）的光反应器进行串联或者并联实现规模化的量产。

 

PLR-SPRG量产级光化学反应装置用于光催化规模化量产。该装置由反应模块、液体驱动模块、气-液分离模块和检测控制模块组成。采用PLC一体机控制，通过点击触控屏幕即可实现对反应过程量的监测和调节，可监测和调节参数包括反应体系溶液状态监测，如反应流量、反应压力、溶液pH、ORP（Oxidation-Reduction Potential）等。同时，兼具反应条件控制量监测，如反应液体总流量、反应单元流量、压力等。

 

PLR-SPR系列平板式光化学反应装置
参数	PLR-SPRL实验室级	PLR-SPRF小试级	PLR-SPRG量产级
反应器尺寸	10×10 cm ²，可选5×5、15×15、20×20、25×25 cm ²	0.1 m ²，可选0.25、0.5 m ²	0.5 m ²，可选5 m ²、10 m ²
反应流量	0~1 L/min	5~10 L/min	25~120 L/min
储液池	0.2~0.8 L	10 L	10~1000 L
支架单元	桌面型	落地型	户外型
管路	PU管、四氟管、不锈钢管、PPR管	不锈钢管	不锈钢管
应用场景	室内/户外	室内/户外	户外
所需面积	桌面2m ²	地面5~10m ²	地面10~100m ²
应用领域	光催化：光催化分解水、液态阳光、光催化污水降解 光电催化：光伏光电催化分解水