[发明专利]一种光催化还原CO2反应器

说明书

技术领域

本发明属于二氧化碳捕获相关设备领域，更具体地，涉及一种光催化还原CO₂反应器，其适于以高比表面积和高反应效率的方式来将CO₂转化为碳氢化合物，同时具备结构紧凑、便于操控的特点。

背景技术

近年来，大量温室气体如CO₂的排放引起的温室效应已成为全球关注热点，而人类生产活动引起的大气中CO₂浓度的增加也加速了温室效应对全球气候的影响。如何有效地降低CO₂浓度成为人们关注的重点。

利用光催化还原的方法将CO₂转化为碳氢化合物是一种颇具潜力的减排并同时利用CO₂的有效办法。它采用半导体材料作为催化剂，当能量高于半导体禁带宽度的光照射到催化剂表面时，就会激发半导体内的电子从价带跃迁至导带，形成具有很强活性的电子空穴对，使得CO₂的还原反应得以进行。该方法能耗低、成本低、无污染，在降低CO₂排放的同时还实现了CO₂的资源化利用。

现有技术中已经提出了一些光催化还原CO₂反应器。例如，CN201610159514.0公开了一种光催化二氧化碳反应装置，其中将反应器由两个对称的主体构成，并通过夹紧装置相互连接固定；又如，WO2011086402公开了一种还原二氧化碳的实施设备，其中采用封闭反应容器来执行处理过程。然而，进一步的研究表明，上述这些反应设备可包括悬浮液反应器、常规固定床反应器等类型，但不同程度地均存在催化剂光利用率低、比表面积小等缺点，并直接影响到最终的光催化反应效率和质量。相应地，本领域亟需对此作出进一步的完善，以便更好地满足大批量规模化光催化还原CO₂的应用需求。

发明内容

针对现有技术的以上不足或改进需求，本发明提供了一种光催化还原CO₂反应器，其中通过充分结合CO₂光催化还原反应的工艺特点来执行针对性设计，并对其关键组件的具体结构及其特定设置方式作出改进，相应与现有技术相比不仅能够显著延长反应物的停留时间，有利于与催化剂之间的充分接触，而且同时还可极大增加光催化剂的比表面积和承载量，并具备便于操控、反应充分和结构紧凑等特点，进而能够实现更为高效和高质的光催化还原处理过程，因而尤其适用于工业化大规模应用场合。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种光催化还原CO₂反应器，其特征在于，该光催化还原CO₂反应器整体呈圆筒体结构，并且从外到内依次包括加热层、反光层、反应管和光源，其中：

所述加热层呈空心圆柱体的形式，用于为整个光催化还原CO₂反应器的内部提供及保持所需的温度；所述反光层附在该加热层的内壁上，并用于将所述光源所发射的光执行多次反射；

所述光源与所述加热层保持同轴地延伸设置，用于提供光照辐射来执行光催化反应；

所述反应管呈中空管件的形式，并围绕所述光源呈螺旋状延伸穿过整个所述加热层；此外，该反应管的首尾两端分别具有物料进口和物料出口，且其内壁附有光催化剂，由此用于将待反应的CO₂经由此反应管的中空管件内部保持盘旋地输送及同步反应。

作为进一步优选地，所述光源为长弧灯管；并且其长度优选设定为1m。

作为进一步优选地，所述反应管的长度优选为3m，其外径和内径分别优选被设计为2cm～3.5cm和1.5cm～3cm。

作为进一步优选地，所述反应管的螺旋圈数优选为10～15，并且其回转半径优选为6cm～8cm。

作为进一步优选地，附在所述反应管内壁的光催化剂优选为TiO₂催化剂。

作为进一步优选地，所述反光层优选为铝箔层，并且其厚度为2mm～3mm。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1、通过对将整个反应器设置为圆筒状构造并对其内部组成部件的设置方式进行设计，特别是将反应管调整为螺旋状中空管件来始终围绕光源，同时布置有反光层和加热层，这样一方面能够显著延长反应物在反应管内的停留时间，同时增加光催化剂的比表面积，有利于反应物与催化剂之间的充分接触；另一方面还通过让光在一个相对狭小封闭的空间内不断反射，相应可极大提高光利用率，对于促进光催化还原的效率和质量都能起到明显的促进；