新型光催化反应器设计与降解甲醛性能分析

温惠敏，丘婷婷，钟建权，周棣杨，赵俊峰，杨慧晴

(广东省绿色产品认证检测中心有限公司，广东 广州 510440)

光催化氧化(PCO)技术是近年来一种新型的主要用于减少室内挥发性有机物(VOCs)的高级氧化技术。PCO的优势主要有2点：1)降低我们对新风量要求的标准；2)降低室内取暖能耗和空调使用能耗。与其他氧化技术相比，PCO主要有3个优点：1)催化活性高；2)反应条件温和；3)使用过程安全无危险。因此，高效采用PCO技术来净化室内VOCs，已成为全世界学者专家竞相研究的热门话题[1-6]。

本文设计了一种新型管状泡沫镍光催化空气净化器，应用于供热通风与空气调节系统，同时研究了室内甲醛浓度的降解，以确定净化器的应用潜能。考察了外质量传递的影响，分析了反应动力学和能量效率，以确定在相同剂量催化剂条件下，新型光催化反应器的应用潜能。

1 载体选择和结构设计

1.1 载体与催化剂

催化剂的载体采用金属泡沫镍网[孔隙率=95%，w(Ni)=0.999]，催化剂采用DegussaP25型TiO2。光催化剂通过Dip-coating镀膜方法[7]涂覆于10cm×4.5cm×1.0 mm的泡沫镍网上。

1.2 反应器的结构设计

反应器的结构设计见图1。反应器的上端布置功率为8W的紫外(UV)灯，数量为2只，由镍网呈不同角度并联得到(镍网尺寸：10 cm×4.5 cm×1.0 mm)，紫外光主波长是254 nm。实验依据薄板拼接、镍网和紫外灯夹角的不同，将反应器的形式布置为4类：平板型、L型、90°型和45°型。空气沿轴向从一端入口进入，然后沿径向流到外面。其中L型、90°型、45°型反应单元结构迎面流速的降低通过增加迎风面积来实现，这样净化器的阻力比较低，污染物滞留时间得到相对的延长。

图1 不同结构的反应器

2 实验装置

实验装置如图2所示。将干洁的空气分为2条路线：1)第1条路线的空气通过盛有甲醛溶液的密闭容器瓶，这股空气可带出甲醛饱和蒸汽；2)第2条路直接与第1条路线混合，得到含甲醛的混合气体。2条路线制得的混合气体流入反应器在紫外灯的照射下发生光催化反应。分别在反应器的入口和出口布置采样点进行采样。样品采用甲醛测试仪(型号：英国PPM公司生产的Formaldemeter HTV)测定。采用的光源为紫外灯，功率为8 W，波长为254 nm，数量为2根[2]。

图2 甲醛降解实验装置示意图

3 反应器对甲醛降解性能的影响

甲醛气体与二氧化钛在两相界面上发生光催化反应，得到如(1)的计算公式。

(1)

式中：r是光催化反应速率(mol/m2·s)；c0是甲醛气体的初始质量浓度(mg/m3)；K是物质吸附平衡系数(m3/mg)；k是反应速率常数(mol/m2·s)。求得反应速率常数k和吸附平衡系数K，具体数值如表1所示。

由甲醛气体的衰减曲线，得到计算公式。

(2)

式中：ε是甲醛气体的降解效率(%)；ke是有净化器时的衰减常数(1/h)；kn是无净化器时的衰减常数(1/h)；V是反应器的容积(m3)；G为气体的流量(m3/h)。

根据相关专家和学者研究的结果[8-13]，得到式(3)计算公式。

(3)

式中：NTUVm是传质单元数(%)；A/Ac表示反应器的结构特性。η表示反应的有效度(%)；Stm表示传质斯坦顿数(%)；A表示物质的反应面积(m2)；Ac表示过流断面面积(m2)。

在光催化反应中，反应和传质的强弱关系通常用反应有效度η表示。一般分为两种情况：1)η值趋于数值1，反应和传质的强弱关系是反应能力远大于传质能力；2)η值趋于数值0，反应和传质的强弱关系是传质能力远大于反应能力。传质斯坦顿数Stm表示的是反应器实际传质能力与理想传质能力的差距，表1列出的是4种折板反应器的实验数据。

表1 4种折板反应器的实验数据

由表1可见，平板型反应器的Stm值和K值最高，分别为82.91%和0.075m3/mg，但它的η值和k值却较小，分别为20.2%和0.357 mol/(m2·s)，这说明平板型反应器虽然有较强的对流传质能力，但反应有效度却不理想。90°型和45°型折板反应器的传质能力虽然有所下降，但反应有效度明显比平板型反应器大，折板反应器的传质-反应能力也更加趋于平衡。这是因为，90°型和45°型折板反应器几何结构的反应面积和紫外光的入射角度都增大了，这能更好地吸收光能。同时，在折板上的反射光在相邻薄板间多次发生来回折射，大大地提高了Stm、η和A/Ac三个参数间的乘积，即大大增强了光催化反应能力。45°型与90°型折板反应器相比，因两者槽截面尺寸和总反应面积不同，光催化降解甲醛气体的效率也不一样，45°型折板反应器的光催化降解甲醛气体效率比90°型大，总降解甲醛气体的效率也高。

4 结论

本文提出的光催化空气净化器能在有限的横断面上提供较大的反应面积，降低迎面风速，从而降低净化器的阻力，并增加了污染物的滞留时间。折板反应器可以使反应面积和紫外光入射角增大，与平板型相比，折板反应器的平衡传质和反应效率也有所提高。