[实用新型]负载二氧化钛光子晶体薄膜的光纤式光催化反应器

说明书

技术领域

本实用新型属于光催化技术范围，涉及一种用于去除废气、废水中有机污染物的装置，尤其是一种负载二氧化钛光子晶体薄膜的光纤式光催化反应器。 

背景技术

光催化技术采用在外加光源辐照下具有光催化活性的半导体材料，由于其光生空穴及其被俘获后形成的具有强氧化能力的羟基自由基，可诱导一系列氧化还原反应的进行，从而达到去除污染物的目的。大量研究证明，众多难降解有机物在半导体光催化氧化的作用下可有效得以去除或降解。光催化剂是光催化氧化过程中的关键影响因素，常用TiO₂、CdS、CdSe、ZnO、ZnS、AgI等半导体材料。其中，TiO₂具有化学性质及光学性质较为稳定、光催化活性较高、无毒以及价格便宜等特点，因而成为光催化降解有机污染物中最具潜力的光催化剂。 

对二氧化钛光催化降解的研究一般采用悬浮体系或传统的固定床体系。前者尽管具有较高的活性，但细小的半导体粉末难以分离，运行费用高，难以大规模推广应用。固定床体系相比之下实用性更高，然而，在传统的固定床反应器构型中，光催化剂被负载在反应器内壁上、支持的基底上或者被固定在包含有光源的回转壳上，其吸附性能大大降低，稳定性也较差，光催化反应中经常出现传质限制。此外，由于反应介质对光的吸收和散射，导致光利用率低。Marinangeli和Ollis首先提出用光纤作为光的传播介质及光催化剂的载体，由此得到的光纤式光催化反应器具有许多突出的优点。例如，将光纤传导光与光纤负载催化剂两者相结合，可以有效地提高光的传输效率和利用效率；光纤极细的半径(＜0.5mm)又可大大提高催化剂的负载面积和光催化效率等。然而，在以往的光纤型反应器中，光纤表面负载的多为无定形态的纳米二氧化钛薄膜，薄膜结构和厚度难以控制，吸附性能和光催化活性难以优化。此外，绝大部分的传输光在靠近光输入端的侧面被折射出光纤，光在光纤中的轴向传输距离较短，减小了反应器的有效光催化面积，降低了反应器的处理能力。 

发明内容

本实用新型提供一种薄膜结构可控、光利用率和光催化效率高的负载二氧化钛光子晶体薄膜的紧凑型光纤式光催化反应器。 

本实用新型采用如下技术方案： 

一种去除废气、废水中有机污染物的负载二氧化钛光子晶体薄膜的光纤式光催化反应器，包括光源和光催化反应桶，在反应桶上设有待处理气、液进口和气、液出口，光源通过聚光透镜及光纤束与光催化反 应桶连接，光源可在人造光源和太阳光间替换。光纤束由光纤芯和塑料包层组成，塑料包层包覆于光纤芯上。光催化反应桶包含弥散型光纤，光催化剂二氧化钛光子晶体薄膜包覆于弥散光纤的光纤芯上。光催化反应桶内壁衬有铝箔反光层，反应桶呈“U”形，在“U”形的两端连接光催化反应所需的UVA紫外光源或太阳光。光催化反应桶内设有光纤定位架和流体格栅。 

与现有技术相比，本实用新型具有如下优点： 

1.本实用新型中，负载于光纤表面的二氧化钛薄膜为反蛋白石结构、三维有序的二氧化钛光子晶体薄膜，薄膜孔径和厚度可控。 

2.本实用新型中，光纤表面负载的二氧化钛光子晶体薄膜存在光子带隙。通过调控二氧化钛光子晶体薄膜结构，可以改变光子带隙位置并使其与二氧化钛电子能带隙位置耦合。在紧邻光子带隙上下限的波段处，光子速率大大降低，从而形成“慢光子”。慢光子的存在延长了光子与催化剂的接触时间，能使催化剂生成更多电子空穴对，从而提高其催化活性和能量利用效率。此外，这一特定波长的光在薄膜表面产生全反射，轴向传输距离增长，大大提高了反应器的有效光催化面积和处理能力。 

3.本实用新型中光催化反应桶呈“U”形并采用双光源，提供了更强、更均匀的侧面发光强度，且便于光源在人造光源和太阳光间替换。 

4.本实用新型中光催化反应桶内壁衬有铝箔反光层，提高了光利用率。 

5.本实用新型采用光纤定位架固定光纤，使光纤能够均匀、紧凑地分布于反应器中，也使光纤装卸更为机动、方便。 

6.本实用新型中光催化反应桶设有流体格栅，流体格栅孔洞垂直对应光纤定位架上的光纤固定孔，促进了流体中有机污染物和光纤表面二氧化钛的接触效率，提高了传质效果和反应速率。 

附图说明

图1是本实用新型实施例的结构示意图。 

图2是本实用新型光纤定位架的实施例结构示意图。 

图3是本实用新型流体格栅的实施例结构示意图。 

图4是本实用新型光纤定位架和流体格栅垂直叠加的实施例结构示意图。 

具体实施方式

本实用新型为一种去除废气、废水中有机污染物的负载二氧化钛光子晶体薄膜的光纤式光催化反应器，包括光源1和光催化反应桶4，在反应桶4上设有待处理气、液进口41和气、液出口42，光源1通过聚光透镜2及光纤束3与光催化反应桶4连接。光催化反应桶4包含表面负载二氧化钛光子晶体薄膜的弥散型光纤5，二氧化钛光子晶体薄膜呈三维有序的反蛋白石结构，包覆于弥散光纤5的石英光纤芯上。 光催化反应桶4内壁衬有铝箔反光层，反应桶呈“U”形，在“U”形的两端连接光催化反应所需的UVA紫外光源。连接光源1和光催化反应桶4的光纤束3由石英光纤芯和塑料包层组成，塑料包层包覆于光纤芯上。光催化反应桶4内设有光纤定位架6，弥散光纤5通过光纤定位架6固定。同时，光催化反应桶4内设有流体格栅7，流体格栅7孔洞垂直对应光纤定位架6上的光纤固定孔，促进待处理气、液中有机污染物和光纤表面二氧化钛催化剂的接触效率。