可见光敏化光催化剂及列灯式填充床反应装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种掺氮可见光敏化二氧化钛光催化剂的制备方法及其列灯式填充固定床光催化流体处理方法和装置。通过碳酸氢铵的热分解反应在体系内同时均匀产生的水和氨，使四氯化钛发生均匀的水解和氨解反应，生成掺氮的偏钛酸类前驱体，在氮气气氛中于低温下处理得到可见光敏化的掺氮纳米二氧化钛膜或粉末。列灯式反应器内均布有玻璃管紫外灯套管，套管间的空隙内以乱堆方式填充负载型光催化剂。本发明专利技术的掺氮二氧化钛光催化剂的制备方法具有反应条件温和与热处理温度低等优势。光催化反应器具有能连续运行、操作方便、效率高、易于工业放大应用等优点，可成为污水处理、饮用水深度净化、废气处理以及室内空气净化等实用方法和装置。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种用于光催化水处理及空气净化的可见光敏化的光催化剂制备方法和列灯式填充固定床光催化反应装置。
技术介绍
光催化水处理和空气净化技术是极具开发前景的环境污染治理技术，已经有一些实际应用。目前广泛研究并认为最具应用价值的光催化剂是TiO2。在光的激发下，TiO2光催化剂的价带电子被激发至其导带，在价带和导带分别产生光生空穴和电子，这些光生载流子迁移至TiO2颗粒的表面并被表面物种(如-OH，吸附水和氧气等)捕获，生成羟基自由基等氧化性极强、反应活性很高的活性氧物种，并通过这些活性氧物种将污染物(主要是有机污染物)氧化成CO2、H2O和简单的无机酸，达到净化水和空气的目的。TiO2被普遍认为是最有可能大规模应用的光催化剂，但TiO2光催化剂可吸收利用的光波波长短于388纳米，处于紫外光区。太阳光中紫外光所占比例较低(约5％左右)，因此充分利用可见光的光催化剂的研制是光催化实用技术开发的关键。著名的《Science》杂志(Science，2001，293(5528)269-271)发表了关于在TiO2中掺氮可以有很好的可见光敏化效果的学术论文，JP200304621 A2中也揭示了一种通过在氨气或氨气与氮气的混合气的气氛中高温下(一般在600-800℃)处理TiO2制成掺氮的可见光敏化的光催化剂的方法。光催化应用技术可概括地分为两大类，一是悬浮体系，即将超细(纳米)TiO2光催化剂分散到被处理的水体中形成悬浮状态。虽然很多的研究表明悬浮体系的效率较高，但是由于光在TiO2悬浮体系中传播距离极其有限，另外将超细TiO2从处理后的水或空气中分离回收过程极其繁杂，一般认为这种体系的工业应用面临较大困难。二是固定体系，即将超细(纳米)TiO2光催化剂固载在紫外灯、反应器器壁以及各种载体材料上(如玻璃纤维布、石英砂、硅胶颗粒、玻璃板等)形成固定体系。为了达到较高的光催化效率，固定体系必须就以下几个参数或性能进行优化(1)单位体积反应器中有效的光照光催化剂表面的最大化；(2)被处理的物质与光催化剂表面良好的接触，即尽量消除待处理的流体(空气或水)中污染物的传质影响；(3)光在反应器中的合理分布；(4)易于工业放大。日本专利JP 2002166176A2将光催化剂负载在粒度为0.3～5mm的玻璃珠等载体上，然后构造成紫外灯置于内管中心的同心圆环型填充床反应器，这种反应器允许的环隙宽度很窄，很难给出放大应用的方案。日本专利JP 2001239257A2将光催化剂涂覆在玻璃管内壁，然后将这些玻璃管组成列管式反应器，待处理的流体(废气或废水)流经管内，这类反应器的缺点是光催化剂比表面积很低，流体与催化剂表面的接触效果(即传质)较差，均匀辐照的光源供给也存在问题。为了解决传质等问题，日本专利JP 2000176469A2和美国专利US 5069885A提出了将环型反应器的内管外壁设计成波纹状或螺旋状，或者在环隙中安置整体式螺旋状物体增加流体的湍动，并且可以将光催化剂负载在这类整体螺旋结构的物体上。日本专利JP2001029946A2采用在环型反应器中的环隙内加一组排列成之字型的挡板，挡板上涂光催化剂，以增加传质和光催化剂比表面积。美国专利US 5683589A设计了一种较为复杂的同心管环型光催化反应器，在环隙中安置了一些倾斜的圆锥型蓝框，而且每个蓝框又被涂有光催化剂的玻璃纤维布覆盖，以达到较大的光催化剂比表面积和较好的传质效果。
技术实现思路
本专利技术的目的是为克服已有技术的不足，利用本专利技术主要专利技术人已授权的专利技术(ZL 00 1 19439.9)所揭示的具有螺旋弹簧结构的新颖负载型光催化剂，提出用掺氮的方法制备可见光敏化的光催化剂，以及一种“列灯式”填充固定床光催化水处理和空气净化的方法和装置。实现本专利技术目的的技术方案包括如下步骤本专利技术提出的掺氮可见光敏化的二氧化钛光催化剂制备方法，利用碳酸氢铵在受热(最好在50-90℃)下分解同时产生的水和氨，使钛原料在温和可控的条件下，同时发生均匀的水解和氨解反应生成掺氮的偏钛酸溶胶、凝胶或沉淀，经涂膜或直接过滤后，在温度为150-600℃下(最好在250-450℃)在氮气气氛中热处理得到纳米掺氮二氧化钛膜或粉末。本专利技术提出的“列灯式”填充床光催化反应净化流体的方法和反应器装置，采用“列灯”式紫外灯排布方法，在反应管中均匀排布紫外灯，填料式负载型光催化剂以乱堆的方式填充在由紫外灯套管所组成的列管间的间隙中，构成填充固定床反应器。紫外灯间的最大灯距由紫外光在光催化剂填充床中可透过的距离决定，紫外灯置于玻璃套管内，与待处理的流体和光催化剂分隔开，紫外灯内置于反应器中，紫外光都能被催化剂有效吸收。紫外灯可以在轴向方向通过串/并联方法组成紫外灯组件后置于套管中，反应器不但可在径向方向放大而且还可以在轴向进行高度放大。可以采用多级反应器串联的操作方式。本专利技术与现有技术相比具有如下的有益效果1.提出借助碳酸氢铵的分解反应，碳酸氢铵可以以分散较好的固态或分子水平溶解状态均布于整个反应体系，因而使得钛原料的水解和氨解反应在整个体系温和、可控和均匀地进行，并且碳酸氢铵分解释放水和氨的速度可通过反应温度和温度程序以及碳酸氢铵的加入方式等方法控制。2.在二氧化钛前驱体如偏钛酸的合成时，同时通过氨解反应在偏钛酸中引入了氮元素，因而大幅度地降低了后续热处理生成含氮二氧化钛时所需的温度，可以在较低的热处理温度下，得到一定金红石含量的掺氮的锐钛矿型的混品二氧化钛。3.制得的二氧化钛光催化剂由于掺杂了氮故能充分利用可见光，由于热处理温度低，较容易得到纳米量级的晶粒，并且晶粒是含可控金红石含量的混晶结构，从而具有优良的光催化活性。4.本专利技术采用“列灯式”填充固定床水(气)处理方法的光催化反应装置具有以下效果(1)采用具有优良填料性能的负载型光催化剂，为消除传质影响所需的空气量大幅下降，即在水处理时所需的气-液比低。(2)与颗粒状催化剂相比，床层的压降约降低一个数量级，因而供给空气和被处理的流体所需的动力显著下降，达到节省能耗，降低成本的目的。(3)由于紫外灯采用内置方式，紫外灯周围都是负载型光催化剂填充床层，因而紫外光能全部有效利用，同时能防止紫外线外泄造成的光污染。(4)由于避免了紫外线外泄，因而降低了对反应器装置的外壳材质要求，可以采用普通塑料等廉价材料，降低装置的造价。附图说明图1是列灯式填充固定床反应装置的侧面2是列灯式填充固定床反应装置的A-A剖面3是固定环套示意图具体实施方式下面结合实施例对本专利技术进一步描述。所举之例并不限制本专利技术保护范围。实施例1将碳酸氢铵充分研碎，以TiCl4为计量基准，取1份(摩尔)TiCl4，在冰浴下加入碳酸氢铵4份和异丙醇6份，搅拌分散，以每分钟2℃的速度升温至85℃，恒温2小时，然后于150℃下烘干，干粉研磨粉碎后，用去离子水浸泡洗涤3次，过滤烘干，于氮气气氛下在300℃热处理2小时，冷却后研磨粉碎得到粉末状掺氮二氧化钛基光催化剂。实施例2将碳酸氢铵充分研碎，以TiCl4为计量基准，取1份(摩尔)TiCl4，在冰浴下加入碳酸氢铵3份和异丙醇4份，搅拌分散，以每分钟1℃的速度升温至50℃，恒温1.5小时，然后于120℃下烘干，干粉研磨粉碎后，用去离子水浸泡洗涤2本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种列灯式填充固定床光催化反应装置，其特征在于采用“列灯”式紫外灯排布方法，在反应管中均匀排布紫外灯，填料式负载型光催化剂以乱堆的方式填充在由紫外灯套管所组成的列管间的间隙中，构成填充固定床反应器。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘伟，陈爱平，卢冠忠，邱玮，刘威，干大川，戴智铭，
申请(专利权)人：华东理工大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]