光催化反應器內污染物降解的數值模擬

于博

（上海建峰職業(yè)技術學院，上海 201999）

光催化反應器內污染物降解的數值模擬

于博

（上海建峰職業(yè)技術學院，上海 201999）

光催化氧化技術是一項處理有毒有害難降解環(huán)境污染物的有效技術，近年來，這一領域受到國內外學者的廣泛關注。然而，對光催化反應器的設計和應用研究尚處于實驗室階段，且有關反應器的基礎理論如反應器數學模型研究也不夠深入。本文根據光催化反應的特點，建立光催化反應器數學模型，在模擬污染物相關數據的基礎上，結合邊界條件對方程進行了求解，模擬計算出環(huán)狀反應器內的污染物降解情況，繪制出污染物降解的效果圖，討論了催化劑濃度對污染物降解效率的影響。

光催化 反應器模型 濃度分布

Photocatalytic oxidation process is an effective way for treating environmental pollutants which are poisonous and harmful. In this thesis，the mathematic model of photocatalytic reactor has been set up and solved the equations with numerical method associated with the boundary conditions on operating parameters according to the equations. The catalyst loading in the annular reactor was investigated to describe the influence on the concentration distribution.

【Keywords】photocatalytic reactor model concentration distribution

光催化反應器是光催化反應的場所，當前國內外對光催化反應器的設計研究尚處于實驗室階段，且有關反應器的基礎理論如反應器數學模型研究也不夠深入。本文通過對光催化反應器內污染物降解的數值模擬，討論分析了催化劑濃度對污染物降解效率的影響。

1 光催化反應器的數學描述

為了模擬污染物的降解情況，要建立光催化反應器的數學模型。模型的構建需要光輻射傳遞方程、質量守恒方程、動量守恒方程和濃度傳輸方程。為了建立動力學模型，我們進行了以下的假設：

圖2-1 環(huán)狀光催化反應器

圖2-2 網格劃分

圖2-3 催化劑濃度0.01g/L、0.02g/L、0.05g/L時污染物濃度分布等值圖（單位：mg/m3）

①僅有一種有害氣體參與光催化反應，且忽略中間產物的影響；

②光催化反應為一級動力學反應；

③光催化反應器內紫外光輻射強度不隨時間變化；

④反應器內氣體流動為層流。

在光催化反應中，根據上述方程，可得到模擬計算中普遍適用的污染物源項sS的降解計算方程：

其中，aK—污染物的吸附平衡常數；C—污染物濃度；LVREA—局部體積能量吸收率；rK—光催化劑表面反應的速率常數。

當KaC與1處于同一數量級時，降解速率與污染物濃度之間存在著復雜的關系，光催化反應級數介于零級和一級之間。本文只討論該情況下反應器內污染物的模擬降解，即非線性降解情況。

2 環(huán)狀光催化反應器內污染物降解的模擬

2.1 模型建立

圖2-1為環(huán)狀光催化反應器初始模型，反應器總長64.5cm，外徑為30cm。紫外光源置于環(huán)狀反應器中心線位置，燈管長66cm，在波長為253.7nm完全輻射。污染物在環(huán)形空間流動，進口處污染物的濃度10mg/m3，催化劑投入量為0.01g/L。

由于反應器是軸對稱的，所以采用二維軸對稱的模擬方式，如圖2-2，計算區(qū)域總共被劃分成2600個四邊形網格。為確保與模擬反應器的參數設置及物理狀態(tài)達成良好的一致性，編寫用戶自定義函數，并在物性參數中設置用戶自定義變量，同時結合光催化反應器光強分布和流場分布及污染物降解的動力學方程，使用FLUENT流體計算軟件，模擬出光催化反應器中污染物的降解情況。圖中左側壁面為反應器的進口，右側為出口，下壁為紫外光源。

2.2 計算結果及討論

設定污染物進口濃度10mg/m3，進口氣體流速0.01m/s，分別計算出催化劑濃度為0.01g/L、0.02g/L和0.05g/L時的污染物降解情況。光催化反應器中流場各點的氣體流速是解污染物濃度方程必需的，而流速與紫外輻射場分布和污染物濃度無關，可以獨立解出。通過計算，不同催化劑濃度條件下污染物濃度分布結果如圖2-3。

從圖2-3中觀察到，污染物從進入反應器內開始，由于受到光照的作用，發(fā)生光催化氧化反應，污染物濃度隨著反應器軸向距離的增加逐漸降低。然而，隨著催化劑濃度的增加污染物的降解效率不增反減，這與從光催化反應角度上所說的催化劑濃度增加可促進反應的理論產生了矛盾。但通過分析，我們不難解釋其原因。因為從光強分布情況上而言，催化劑的增加則起到了抑制反應的作用。在計算中，當催化劑濃度增加時，催化劑顆粒對于光的吸收、反射和折射等作用在反應系統中起主導作用，因此它的增加直接影響到了體系對于光能的吸收情況。

3 結語

本文通過建立光催化反應器的數學模型，并將對于紫外光輻射場分布的模擬和污染物降解的動力學方程結合起來，求解光催化反應器中的污染物降解濃度，討論了不同催化劑投加量條件下污染物的降解效率，計算表明：

由于在計算中催化劑濃度遠大于污染物的濃度，催化劑顆粒對于光的吸收、反射和折射等作用在反應系統中起主導作用，因此它的增加直接影響到了體系對于光能的吸收情況。當催化劑投加量超出某一范圍后，催化效率不僅不會提高，而且會有降低的趨勢，其原因是由于較高濃度的催化劑會對入射光起到遮蔽的作用，降低了光源反射的光子效率。因此，要得到最佳的降解效果，需要選擇合適的催化劑濃度范圍。

光催化反應器模型的建立是為反應器的放大設計提供準確的理論依據，后續(xù)還需要系統、深入地進行試驗和研究，使光催化反應器的數學模擬和設計更加完善。

［1］程剛，王超，王曉娟.光催化反應器數學模型研究進展.化工進展，2009，28（2）：181-186.

［2］黃鑫，倪晉仁，李敏，等.新型結構內循環(huán)生物流化床的流體力學特性試驗及數值模擬.環(huán)境污染與防治， 2006，28（2）：90-92.

［3］陳平，尤宏，羅薇楠.TiO2光催化反應器的研究.哈爾濱商業(yè)大學學報， 2003. 19（2）：238-244.

［4］Bo Yu， Baoqing Deng， Chang Nyung Kim. Performance Evaluation of P-1 Model in a Photocatalytic Reactor. Chemical Engineering Science.2008. （22）：5552-5558.

［5］Pareek， V.K. and A.A. Adesina， Light intensity distribution in a photocatalytic reactor using finite volume. AIChE Journal，2004.50（6）：1273-1288.