本发明专利技术公开了属于光催化反应设备领域的一种聚光光催化还原二氧化碳装置。该装置包括菲涅尔聚光器阵列、复合光纤阵列、陶瓷蜂窝、密闭玻璃反应容器、风扇；以太阳光作为光源，通过多个小型菲涅尔透镜聚光到光纤入射端面，光线经过复合光纤的导光光纤段传输后进入侧光光纤段，由侧光光纤段侧壁面输出。侧光光纤通过蜂窝反应器上的多个通道阵列安装在空腔内，作为传输介质将光导入反应器中，通道内壁面涂覆的光催化剂在光的激发下将来流二氧化碳还原成乙醇、一氧化碳等燃料；所述菲涅尔聚光器阵列与光纤设计成可活动的部件，可以通过调节固定光纤的光纤支撑部件来使光线的光斑准确对准光纤端面。所述复合光纤阵列由于其材料具有的柔性特征，固定光纤的光纤支撑部件可以在一定范围内旋转、平移以适应不同朝向的反应容器，使被催化物质所受光照强度均匀，保证较大的光通量和比表面积，使被催化物质所受光照强度均匀，保证了较高的反应速率，提高光催化还原二氧化碳装置使用过程中的易用性，灵活性；玻璃反应容器密闭，容器底部风扇加速反应进行速率。速率。速率。
【技术实现步骤摘要】
一种基于小型菲涅尔透镜的光催化二氧化碳还原装置
[0001]本专利技术属于光催化反应设备领域，特别涉及一种光催化二氧化碳还原的反应过程。
技术介绍
[0002]随着世界工业化快速发展，化石燃料消耗排放过量的二氧化碳严重威胁地球生态环境的平衡，光催化技术有效吸收CO2 的同时， 主要产物为CH4、HCOOH、HCHO 和CH3OH 等燃料，无有毒副产物的生成，由此成为一种重要的二氧化碳减排手段，应用在各种光催化反应设备中。光的转化效率受到很多因素的影响，其中，催化反应器结构所影响的传热传质特性、反应动力学特性以及光照分布特性是影响光催化反应器效率的主要方式。因此，合理的催化反应器结构对于为了光转化效率的有效提高意义重大。此类技术的核心思想是利用小型菲涅尔透镜组聚光式布置将自然光源的光线利用几何光学原理 汇聚到复合光纤入射端面，通过复合光纤将光线传输到光催化场所， 光线经过涂有催化剂的大量的平行通道内壁面和光纤外壁面，进而提高光催化效率。这种光催化反应设备的技术特点是结构灵活简单，材料成本低，误差可控。目前的相关专利提出的光催化反应装置分为两大类：一类是利用气液混合的方式，（申请号：CN200910111279.X）较多的光催化剂颗粒在重力作用下沉降在容器底部，导致光线分布不均， 反应强度降低，催化效率低下。另一类是利用气固光催化反应装置（申请号：CN201920970907.9），催化剂实验用量大，催化剂利用效率低，固体材料粉末易造成催化剂污染，不容易回收。
技术实现思路
[0003]本专利技术的目的是：针对国内外光催化反应装置的缺陷，提出一种新型的聚光光催化还原二氧化碳装置，以提高光催化二氧化碳还原效率，降低光催化剂用量，满足国家二氧化碳减排需求。
[0004]本专利技术的原理是：采用聚光效果较好的菲涅尔透镜实现太阳光的聚焦。将太阳光聚焦为光斑照射在光纤的端口，实现太阳光的传导。采用蜂窝光纤反应器作为催化反应的载体。通过其中涂有催化剂的大量的平行通道内壁面和光纤外壁面提供较高的表面体积比，保证反应物流体的压降较小，可以高速流动，易于光催化反应的正向进行，进而提高光催化还原效率，降低催化剂用量。
[0005]本专利技术的技术方案是：一种气固光催化二氧化碳还原装置。包括菲涅尔聚光器阵列、光纤阵列、陶瓷蜂窝。
[0006]所述菲涅尔聚光器阵列包含m
×
n 个单位，其中每个单位包括小型菲涅尔透镜，透镜经夹具固定到左右双轴导轨，保证太阳光垂直入射于透镜，每对导轨放置m 个菲涅尔透镜，共n 个轨道组。
[0007]所述复合光纤阵列由多根复合光纤，所述复合光纤阵列是由多根复合光纤组成，裸露在陶瓷蜂窝外部的复合光纤段为导光光纤段，导光光纤段接收端位于聚光菲涅尔透镜
聚焦光斑处；插入陶瓷蜂窝孔道内部的复合光纤段为侧光光纤段，侧光光纤段相对固定于蜂窝内表面空腔通道，每个蜂窝孔道中固定一根或多根光纤。每根复合光纤由聚焦平面伸入到单个蜂窝通道内为光催化提供光源。
[0008]所述陶瓷蜂窝为陶瓷材料制成的端面均匀打多边形孔的圆柱状催化剂负载，内部有大量的平行通道，内壁面涂有催化剂。
[0009]一种光催化二氧化碳还原装置，包括如下步骤：1）检查装置气密性；2）抽气使反应器接近真空或者通入高浓度二氧化碳排气去除容器内残余气体；3）确保气密性良好后向装置内通入高浓度二氧化碳和水蒸气；4） 将装置放太阳光线充足的户外，改变菲涅尔透镜位置与角度，确保太阳光线垂直入射；5）调整复合光纤与透镜连接部分，确保复合光纤入射端面被镜面聚光光斑覆盖；6） 开始测试7）每隔一段时间通过采样孔抽取反应器中少量气体，通过测量气体中催化反应生成物有机分子的体积分数或质量分数，用体积分数或质量分数的变化率来衡量仪器的效率。
[0010]本专利技术的有益效果是利用菲涅尔聚光透镜与蜂窝光催化反应器的结合，反应器空腔上的光纤安装孔在水平方向与垂直方向的排列均匀，保证每个通道有较高光通量，使光照强度分布均匀；提高光催化还原反应装置使用过程中的易用性，灵活性，满足光催化领域的需求； 利用多孔陶瓷结构流动阻力小，传质性能良好的特点，保证反应效率。同时菲涅尔透镜对太阳光多倍聚焦，提高了催化剂利用效率，节能环保。
附图说明
[0011]图 1 为模拟光催化二氧化碳还原反应装置的结构示意图。
[0012]图 2 为光催化还原装置中光纤束的结构示意图。
[0013]图 3 为蜂窝反应器底部结构示意图。
[0014]图 4 为导光光纤束局部放大图。
具体实施方式
[0015]本专利技术提出一种模拟光催化二氧化碳还原装置。所述光催化装置以太阳光为自然光源，经多个小型菲涅尔透镜聚光到光纤阵列，光纤阵列作为传输介质将光导入蜂窝反应器腔体中，腔体中各个通道内壁均匀涂覆光催化剂，在反应器密封的条件下进行二氧化碳与水蒸气的氧化还原反应；所述菲涅尔透镜阵列由于其尺寸较小，可以在一定范围内平移，旋转，以适应光纤阵列的不同位置，更方便有效的进行光的传输；所述复合光纤阵列中导光光纤段由于其材料有良好的柔性、透明性、耐候性和化学稳定性，光衰减率较小，保证光线良好的传输；侧光光纤段由于其材料具有的通体发光特征，提高了在腔体内光分布的均匀性，从而提高氧化还原反应效率；下面结合附图对本专利技术的实施方式做进一步说明。
[0016]图 1 所示为模拟光催化二氧化碳还原装置的结构示意图。图中所示的模拟光催化二氧化碳还原装置包括透镜阵列 1，光纤束阵列 2 和反应容器 3，所述透镜阵列 1 中
的菲涅尔透镜 4 将聚集的光照射进光纤束 10的入射端面上。所述菲涅尔透镜 4 通过接驳角码 6 与导轨 5 相固定，导轨 5 通过 L 型角码 7 与滑轨 8 相固定；光纤支撑部件 9 与滑轨 8相连接固定在透镜 4 正下方位置，光纤束 10 端面固定在光线支撑部件 9 中心点处，保证了菲涅尔透镜和光纤束相对位置固定；光纤束10 插入反应容器 3，所述反应容器 3 采用玻璃材质，利用硅胶将光纤束 10 与图二入口处通道 19 进行密封，保持反应容器具有良好的气密性。
[0017]图 2 所示的反应容器 3 包括玻璃外壳 11，采样孔 12，进气孔 20，支撑台 17，底座 18，以及陶瓷蜂窝 14，光纤阵列 13，以及图 3 所示风扇 16 和风扇轴 15，采样孔 12 为玻璃容器上斜开孔，每隔一段时间对容器内气体采样进行气体成分的测试，进气孔 20 用于测试装置的气密性并通入反应气体二氧化碳与水蒸气，风扇 16 采用聚合物塑料材质，保证反应气体的混合均匀，保证反应器壁面的生成物质运输效率，抑制逆反应的发生，支撑台 17，底座 18 与风扇轴 15 进行轴向连接，采用金属结构，光纤阵列束 13 中每根光纤放置于蜂窝孔道的中心位置，陶瓷蜂窝孔道内壁面均匀涂覆光催化剂，陶瓷蜂窝圆柱形外壁面粘附在玻璃外壳内壁面，保证相对位置不变。
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【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种光催化二氧化碳还原装置，其特征在于，所述光催化二氧化碳还原装置包括菲涅尔聚光器阵列、复合光纤阵列、陶瓷蜂窝、封闭玻璃容器、风扇；以太阳光作为光源，经菲涅尔透镜阵列聚焦到复合光纤端面，复合光纤阵列作为传输介质将光导陶瓷蜂窝孔道内部， 孔道壁面涂覆的催化剂在光的激发下，通入气体发生氧化还原反应，密闭的玻璃容器保证了反应气体二氧化碳与水蒸气的高浓度，底部的风扇加速气体流动，使反应更充分。2.所述菲涅尔聚光器阵列包含m
×
n 个单位，其中每个单位包括小型菲涅尔透镜，透镜为K9 玻璃材质，镜片表面一面是光面，另一面刻录了由小到大的同心圆，面积较大，厚度薄，具有良好的聚光效果； 透镜经夹具固定到左右双轴导轨，保证太阳光垂直入射于透镜，每对导轨放置m 个菲涅尔透镜，共n 个轨道组。3.根据权利要求 1 所述复合光纤阵列装置，其特征在于， 所述复合光纤阵列为多条复合光纤组成，裸露在陶瓷蜂窝外部的复合光纤段为导光光纤段，插入陶瓷蜂窝孔道内部的复合光纤段为侧光光纤段。4.导光光纤段通常可采用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），具有良好的透明性、耐候性和化学稳定性，光衰减系数较小，可广泛用于照明、光传输等；侧光光纤段通常为阶跃型聚合物光纤，芯材的折射率高于皮材折射率。5.芯材可采用石英、多组分玻璃和聚合物，皮材通常采用氟塑料，如聚四氟乙烯，在其外包层覆一层抗老化、抗紫外好的透明的材料，其目的是延长通体发光光纤使用寿命。6.每根复合光纤由聚焦平面伸入到单个蜂窝通...
【专利技术属性】
技术研发人员：张可心，孔艳强，佟锴，陶涵纲，马嘉凯，宋记锋，杨立军，段立强，
申请(专利权)人：华北电力大学，
类型：发明
国别省市：
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