[实用新型]一种微通道内接枝纳米结构的光催化装置

说明书

本实用新型公开一种微通道内接枝纳米结构的光催化装置，该装置由进料泵、微反应器、外接光源构成。所述的微反应器包括具有微通道的金属基底，在微通道内负载接枝纳米结构的光催化材料层，且通过膜密封、盖透光板，微通道的入口和出口对应的透光板上有与反应区域进出口连通的进料口和出料口，用于连续微通道光催化反应，在与基底对应的透光板正上方设置入射光源，入射角度垂直于微反应器平面。该微反应器便于拆卸，可以反复使用，具有很高的光利用效率，与传统釜式反应器相比，在达到同一降解率的条件下，反应所需时间大大缩短，长时间使用保持稳定的降解率；为大规模有机污水的处理提供了可行方案。

技术领域

本实用新型涉及光催化技术、纳米材料及微反应器技术的交叉领域，具体涉及一种微通道内接枝纳米结构的光催化装置。

背景技术

城市污水是我国经济社会高速发展、人口数量增加所带来的副产品，随着国家对水资源问题的重视程度日益提高，污水处理，水资源的循环利用进入快速发展阶段。以太阳能作为直接驱动力的光催化技术具有绿色环保、清洁高效等特点，在污水处理领域具有广阔的应用前景，尤其在染料类的有机污染物处理方面具有独特的优势，其作用机制是通过人造光源或太阳光照射，激发催化剂产生大量的活性氧物种，如超氧自由基，羟基自由基等，通过攻击染料的发色团，使得染料发生脱色，降解为易于去除的、无毒或低毒的小分子化合物。这一多相催化过程多采用间歇技术，其过程中存在着传质效率低，光照衰减验证，催化剂需定期回收及活性成分的浸出问题均直接影响该技术的推广应用。

微通道反应器由于其安全高效的特点已经被应用于化学及化工领域。微通道反应器简称为微反应器，由于其微米级的通道结构，在通道内部流体的混合，传热等方面有着明显的优势，此外，还能够有效实现连续化操作以及放大生产。近年来，使用连续化进行的反应的数量和类型已经大幅增加，尤其在制药、精细化工、绿色化学、催化反应和高分子化学中更是如此(Chem Soc Rev,2017,46,6675-6686)。通过融合微流控学和光学、光电子学等技术，在微纳加工的基础上合成具有特定功能的器件和系统，在光学检测、生物医学领域及能量转换及光催化领域均取得了前沿性成果，尤其在连续光催化反应和有机合成领域显示出巨大的应用前景(Angew Chem Int Edit,2017,56,9847-9850；J Org Chem,2017,82,2249-2256.)

高活性光催化剂的研发是光催化技术的核心。金属有机框架材料(MOFs)作为一种功能性无机有机杂化材料，是由金属离子或金属簇与有机配体通过配位自组装构筑的一类具有纳米孔道的晶体材料，目前MOF材料因其较大的比表面积，易于功能化修饰以及高度可控的结构，其在光催化领域也受到了越来越多的关注。一方面，很多MOFs材料(包括MOF-5，MIL-53和MIL-100等)能够表现出类半导体的行为(Inorganic ChemistryCommunications, 2014,49,159-162，高等学校化学学报,2019,40(5):855-866)，具有另一方面，大的比表面积和较大的孔隙率使MOF更容易引入额外的光催化活性位点，从而增强光催化活性(Journal of Materials Chemistry A,2013,1,11473-11482)。目前，将MOF与光敏剂进行复合构造异质结构被认为是提高光催化活性的一种有效方法(Crystal GrowthDesign,2017,17, 2309-2313；Chemistry-A European Journal,2017,23(16),3931-3937)。

多相光催化微反应器为连续高效的处理有机污染物提供了契机(MicroelectronEng,2011, 88，2797-2799)。目前多相光催化微反应器的相关专利有：中国专利201720843528.4公开了光纤型反应器，由多根液芯光纤组成，每一根液芯光纤的内壁上都涂覆有二氧化钛催化剂，液芯光纤束固定在反应器内部。以光纤作为催化剂负载基底及紫外光的传输媒介，直接将光传导至反应物中，极大地增加了光照比表面积，令光分布更为均匀，减少了传质限制，使光的利用率得到显著提高。