新型光催化反應(yīng)器設(shè)計(jì)與降解甲醛性能分析

溫惠敏，丘婷婷，鐘建權(quán)，周棣楊，趙俊峰，楊慧晴

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

光催化氧化(PCO)技術(shù)是近年來一種新型的主要用于減少室內(nèi)揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)的高級氧化技術(shù)。PCO的優(yōu)勢主要有2點(diǎn)：1)降低我們對新風(fēng)量要求的標(biāo)準(zhǔn)；2)降低室內(nèi)取暖能耗和空調(diào)使用能耗。與其他氧化技術(shù)相比，PCO主要有3個(gè)優(yōu)點(diǎn)：1)催化活性高；2)反應(yīng)條件溫和；3)使用過程安全無危險(xiǎn)。因此，高效采用PCO技術(shù)來凈化室內(nèi)VOCs，已成為全世界學(xué)者專家競相研究的熱門話題[1-6]。

本文設(shè)計(jì)了一種新型管狀泡沫鎳光催化空氣凈化器，應(yīng)用于供熱通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)，同時(shí)研究了室內(nèi)甲醛濃度的降解，以確定凈化器的應(yīng)用潛能。考察了外質(zhì)量傳遞的影響，分析了反應(yīng)動力學(xué)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(yīng)器的應(yīng)用潛能。

1 載體選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(yīng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見圖1。反應(yīng)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(shí)驗(yàn)依據(jù)薄板拼接、鎳網(wǎng)和紫外燈夾角的不同，將反應(yīng)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(jìn)入，然后沿徑向流到外面。其中L型、90°型、45°型反應(yīng)單元結(jié)構(gòu)迎面流速的降低通過增加迎風(fēng)面積來實(shí)現(xiàn)，這樣凈化器的阻力比較低，污染物滯留時(shí)間得到相對的延長。

圖1 不同結(jié)構(gòu)的反應(yīng)器

2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)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(yīng)器在紫外燈的照射下發(fā)生光催化反應(yīng)。分別在反應(yīng)器的入口和出口布置采樣點(diǎn)進(jìn)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(shí)驗(yàn)裝置示意圖

3 反應(yīng)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(yīng)，得到如(1)的計(jì)算公式。

(1)

式中：r是光催化反應(yīng)速率(mol/m2·s)；c0是甲醛氣體的初始質(zhì)量濃度(mg/m3)；K是物質(zhì)吸附平衡系數(shù)(m3/mg)；k是反應(yīng)速率常數(shù)(mol/m2·s)。求得反應(yīng)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(jì)算公式。

(2)

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

根據(jù)相關(guān)專家和學(xué)者研究的結(jié)果[8-13]，得到式(3)計(jì)算公式。

(3)

式中：NTUVm是傳質(zhì)單元數(shù)(%)；A/Ac表示反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)特性。η表示反應(yīng)的有效度(%)；Stm表示傳質(zhì)斯坦頓數(shù)(%)；A表示物質(zhì)的反應(yīng)面積(m2)；Ac表示過流斷面面積(m2)。

在光催化反應(yīng)中，反應(yīng)和傳質(zhì)的強(qiáng)弱關(guān)系通常用反應(yīng)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(yīng)和傳質(zhì)的強(qiáng)弱關(guān)系是反應(yīng)能力遠(yuǎn)大于傳質(zhì)能力；2)η值趨于數(shù)值0，反應(yīng)和傳質(zhì)的強(qiáng)弱關(guān)系是傳質(zhì)能力遠(yuǎn)大于反應(yīng)能力。傳質(zhì)斯坦頓數(shù)Stm表示的是反應(yīng)器實(shí)際傳質(zhì)能力與理想傳質(zhì)能力的差距，表1列出的是4種折板反應(yīng)器的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表1 4種折板反應(yīng)器的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表1可見，平板型反應(yīng)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(yīng)器雖然有較強(qiáng)的對流傳質(zhì)能力，但反應(yīng)有效度卻不理想。90°型和45°型折板反應(yīng)器的傳質(zhì)能力雖然有所下降，但反應(yīng)有效度明顯比平板型反應(yīng)器大，折板反應(yīng)器的傳質(zhì)-反應(yīng)能力也更加趨于平衡。這是因?yàn)椋?0°型和45°型折板反應(yīng)器幾何結(jié)構(gòu)的反應(yīng)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(shí)，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(gè)參數(shù)間的乘積，即大大增強(qiáng)了光催化反應(yīng)能力。45°型與90°型折板反應(yīng)器相比，因兩者槽截面尺寸和總反應(yīng)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(yīng)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(jié)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(yīng)面積，降低迎面風(fēng)速，從而降低凈化器的阻力，并增加了污染物的滯留時(shí)間。折板反應(yīng)器可以使反應(yīng)面積和紫外光入射角增大，與平板型相比，折板反應(yīng)器的平衡傳質(zhì)和反應(yīng)效率也有所提高。