第40卷第4期贵州大学学报(自然科学版)Vol.40No.42023年 7月JournalofGuizhouUniversity(NaturalSciences)Jul.2023文章编号 1000 5269(2023)04 0020 06DOI:10.15958/j.cnki.gdxbzrb.2023.04.03新型折流式光催化反应器降解甲醛特性
杨雅鑫 1,李 琰1,石文凤1,李金桃1,杜 松1,刘 鹏2,王 毅3(1.贵州中建建筑科研设计院有限公司,贵州贵阳550006;2.贵州大学土木工程学院,贵州贵阳550025;
3.贵州燃气热力设计有限责任公司,贵州贵阳550001)
摘 要:在原有平板光催化反应器的基础上,设计了一种新型折流式光催化反应器。选择甲醛(HCHO)为目标污染物,利用环境测试舱,结合计算流体力学(computationalfluiddynamics,CFD)软件,分析了折流式光催化反应器降解HCHO的动力学特性。结果表明:相较于平板反应器,折流式反应器增加了光催化反应面积、延长了气体停留时间,降解HCHO的总衰减常数是平板反应器的3倍;通过CFD模拟发现,在反应器内增设导流片可以减小反应器内的局部涡流,使流速场和浓度场更加均匀,有助于平衡光催化剂表面的传质 反应特性;通过正交实验发现,对反应器洁净空气量(cleanairdeliveryrate,CADR)影响最大的因素为空气流速,其次为HCHO初始浓度,最后是催化剂负载量。
关键词:光催化;折流式反应器;计算流体力学;甲醛
中图分类号:O643;X511 文献标志码:A
目前,建筑物的气密性越来越高,导致部分建
筑内部通风率不足,建材所散发的挥发性有机化合
物(volatileorganiccompounds,VOCs)浓度过高[1],
难以满足国家标准《室内空气质量标准》GB/
T18883—2022的限值要求。低劣的室内空气质
量不仅容易使人患上病态建筑综合征(sickbuild
ingsyndrome,SBS)[2],还会引发哮喘甚至癌症[3]。
甲醛(HCHO)是室内普遍存在的VOCs,光催化氧
化法(photocatalyticoxidation,PCO)是去除室内
HCHO等VOCs的有效方法,光催化剂在紫外光源
照射下,产生电子 空穴对,能将绝大部分的VOCs
转化为CO
2和H
2
O。PCO技术具有使用安全、反
应条件温和催化活性高等优点,受到了国内外学者
的广泛关注[4 5]。Lin等[6]制备了一种纳米TiO
2
胶体材料,通过实验和密度泛函理论模拟,探究了
TiO
2
胶体材料吸附和光催化降解HCHO的特性。李宇涵等[7]采用一步煅烧法制备了含大量表面氧
空位的TiO
2
,并研究了其对HCHO的净化效果,结果表明,在流动的测试环境中,HCHO的最大有效去除率可达95 05%,是本底样品(72 52%)的1 31倍。
高活性的光催化剂需要反应器作为载体,研制高性能的反应器与制备高活性的催化剂具有同等重要的地位[8]。Wu等[9]将蜂窝型反应器与光纤型反应器进行了整合,设计出一种新型的光催化反应器,并将其应用于间二甲苯的光催化降解,光催化反应器在室温下对间二甲苯的去除效率很高。刘鹏等[10]在原有管状反应器内增设带有工艺缺口的直肋片,增加了反应面积,延长了气体停留时间,平衡了光催化剂表面的传质 反应能力,从而使反应速率提高了约1倍。PCO反应涉及表面吸附、化学分解、紫外辐射等多个过程,而计算流体力学(computationalfluiddynamics,CFD)软件能模拟浓度场、速度场和紫外辐射场,是研究PCO反应的有效工具[11]。
本文从PCO反应器设计优化的角度出发,结合实验测试和CFD模拟,以传统平板光催化反应器为基
础,研发了一种新型折流式光催化反应器。选择HCHO为目标污染物,通过正交实验分析了HCHO在反应器内的降解效率,以期为光催化反应器的设计优化提供理论依据,为室内空气品质的改善提供参考。
收稿日期:2023 02 25
基金项目:贵州省科技计划项目(黔科合支撑[2021]一般361,黔科合基础 ZK[2023]一般067);贵州大学实验室开放项目(SYSKF2023 084)
作者简介:杨雅鑫(1993—),女,工程师,硕士,研究方向:建筑节能和室内空气品质,E mail:yangyaxin37@qq.com.
通讯作者:杨雅鑫,E mail:yangyaxin37@qq.com.
1 实验方法
1 1 实验系统
实验系统如图1所示,主要包括环境舱、光催化反应器、挥发箱和吸收池4部分。干洁空气分为两条气路,一条通过增湿瓶,另一条经过计量后进入HCHO挥发箱,两条气路在缓冲瓶中充分混合后,形成
一定湿度和浓度的HCHO气体。该气体通过阀门流入环境舱,在循环泵的作用下形成舱内均匀的浓度场。光催化反应器置于环境舱内,实验开始时关闭阀门,开启紫外灯,污染气体在循环泵作用下反复流经反应器,从而被降解。环境舱外壁设有采样口,实验前60min内每5min测定1次舱内HCHO浓度,之后每10min采样1次,直至光催化反应结束。实验结束后,仅向环境舱内通入新风,舱内剩余HCHO
气体流入吸收池内。
图1 实验系统图
Fig.1 Schematicoftheexperimentalsystem
实验所用环境舱型号为FD 1A,尺寸1m×1m×1m,内部温度、湿度、循环风速可自动控制,实物
图如图2所示。实验时,舱内温湿度分别控制在(20 0±2)℃和(50±10)%。实验所用光催化反应器为本研究设计的折流式光催化反应器,外观尺寸400mm×240mm×200mm,实物图如图3所示,内部由6块催化剂负载平板(300mm×200mm)形成Z型气体流道,弯角处设有导流片;Z型流道内放置3根300mm长的紫外光源;反应器内壁面也涂敷光催化剂。Z型流道可增大光催化反应面积,延长气体停留时间,优化紫外光入射角,从而平衡传质 反应能力,提升HCHO降解性能。实验所用紫外光源为波长254nm的紫外杀菌灯。光催化
剂采用DegussaP25型TiO
2
,该催化剂是70%锐钛
型和30%金红石型共存的混晶型TiO
2
,光催化活性高,化学性质稳定,无毒无害,吸附能力强[12]
。
图2 环境舱实物照片
Fig.2 Photographoftheenvironmentalchambe
r
图3 光催化反应器实物照片
Fig.3 PhotographofthePCOreactor
1 2 测量仪器
实验过程中所使用的主要实验仪器及参数如表1所示。环境舱内HCHO浓度的检测方法符合国家标准《民用建筑工程室内环境污染控制标准》(GB50325—2020)中简便取样检测方法的规定。
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1
2
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第4期杨雅鑫等:新型折流式光催化反应器降解甲醛特性
表1 实验仪器及参数
Tab.1 Specificationsofdifferentmeasuringdevices
测量参数实验仪器名称 型号 产品参数
TiO
2负载量精密电子天平AL204范围:0 01~210g
分度值:0 0001g
HCHO浓度甲醛现场快速测定仪HNFY JQA范围:0~1 20mg/L精度:≤5%
温湿度温湿度记录仪DSR TH湿度测量范围:0~100%RH湿度解析率:0 1%RH
气流速度风速仪Fluke 925范围:0 40~25 00m/s分辨率:0 01m/s
2 结果与讨论
2 1 反应器的设计优化
为提高光催化反应器的传质 反应能力,本研究在所设计的折流式反应器内增设了导流片,以期优化反应器内的流速场和浓度场,从而设计出更为高效合理的反应器。本研究利用CFD中的Fluent软件,分析了增设导流片前后HCHO降解过程中的流速分布和浓度分布。光催化反应数值模拟选择带化学反应的多组分运输模型(speciestrans port),使用阿伦尼乌斯公式计算化学源项,利用层流有限速率模型分析光催化反应速率[13]。模拟分析时,采用以下简化假设:1)假设反应器内的流体为不可压缩流体;2)光催化反应无催化副产物;3)忽略反应器内壁对HCHO的吸附作用。气体流动采用标准k epsilon湍流模型,在模拟过程中使用二阶迎风格式。各边界类型及参数设置如表2所示,模拟时监测残差曲线,当其值小于10-6且趋于稳定时,则认定模拟结果收敛。
表2 边界类型及参数设置
Tab.2 Boundarytypesandparametersettings
边界类型参数设置
反应器入口velocity inlet
反应器出口pressure out
无反应壁面无滑移、绝热且光滑
指前因子1 75×1011s-1
活化能47 5kJ/mol
图4为无导流片时,光催化反应器水平断面处的气体流速分布和HCHO浓度分布云图。图5为增设导流片后,反应器水平断面处的气体流速和HCHO浓度分布云图。设置的反应温度为20℃,相对湿度为50%,入口速度为1 65m/s,入口HCHO浓度为0 8mg/m3。
从图4(a)中可以看出,
无导流片光催化反应
图4 无导流片光催化反应器内气体流速
和HCHO分布云图
Fig.4 PredictedvelocityandHCHOconcentration
fieldsinthePCOreactorwithoutflowdeflecto
r
图5 带导流片光催化反应器内速度和HCHO分布云图Fig.5 PredictedvelocityandHCHOconcentrationfieldsinthePCOreactorwithflowdeflectors
器的进口处流速较为均匀,但气体在转向处出现明显涡流,导致反应器的流动阻力增大,不利于对流传质。对比图4(a)和图5(a)发现,增设导流片后,反应器转向处的流速趋于均匀,有利于提升催化剂表面的传质 反应效率,也有利于减小反应器能耗。从图4(b)中可以看出,由于转向处的气体涡流,无导流片光催化反应器内的前半程HCHO
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·贵州大学学报(自然科学版)第40卷
浓度偏高,容易造成光催化反应不充分,不仅降低反应速率,还可能生成气态副产物。增设导流片后(图5(b)),HCHO浓度在流道内逐渐降低,说明反应器内各区域的光催化反应较充分,在保证反应速率稳定的同时,抑制光催化副产物的生成。
根据出口处H
CHO浓度的模拟计算结果,可利用式(1)计算反应器的一次通过效率ε。
ε=
Cin-Cout
Cin
(1)
式中,Cin为反应器入口浓度,mg/m3
;Cout
为反应器出口浓度,
mg/m3
。经计算,增设导流片前后的ε值分别为0 17
和0 20,说明增设导流片有助于提升光催化反应性能。
2 2 运行条件优化分析
影响光催化反应器内反应速率的因素有温度、湿度、流速、紫外光源、催化剂负载量、污染物初始浓度等。室内温湿度受人体热舒适和建筑节能的限制,在其波动范围内对光催化反应速率的影响不大;紫外光源受反应器尺寸限制,选择种类有限。因此,本研究选择TiO2负载量、
HCHO初始浓度和空气流速作为优化对象,并根据现有实验条件进行正交实验设计。正交实验选择四因素、三水平的
L9(34
)正交表,TiO2负载量(A)的3个水平为1 0、1 6和2 2mg/cm2;HCHO初始浓度(B)的3个水平为0 4、0 8和1 2mg/m3;空气流速(C)的
3个水平为0 9、1 4和1 9m/s。正交实验结果如表3所示。
根据国家标准《空气净化器》GB/T18801—2022,选择洁净空气量(cleanairdeliveryrate,CADR)作为光催化反应器内反应速率的性能评价参数,并根据式(2)和(3)计算CADR。
Q=V·(ke-kn
)(2)
式中,
Q为CADR值,m3
/h;V为环境舱容积,m3
;kn和ke分别为自然衰减常数和总衰减常数,
1/h。kn和ke需根据式(3),做lnCt和t的线性拟合得到。
Ct=C0
e-kt
(3)
式中,Ct为t时刻的污染物浓度,mg/m3;C0为t=0时的污染物浓度,mg/m3
reactor软件;k为衰减常数,1/h。
表3 L9(34
)
正交实验表Tab.3 L9(34
)orthogonaltestresults
实验组号
TiO2负载量(A)/(mg·cm-2
)
HCHO初始浓度(B)/
(mg·m-3
)
空气流速(C)/
(m·s-1
)
空列CADR(Q)/
(m3·h-1)11 00 40 910 229521 00 81 420 278131 01 21 930 198641 60 41 430 262251 60 81 910 234661 61 20 920 193872 20 41 920 207382 20 80 930 23289
2 21 21 410 2325Ki10 710 700 660 70Ki20 690 750 770 68K=2 07
Ki30 670 620 640 69
S
2i
0 0002
0 0025
0 0035
0 00006ST=
0 0062 由表3可得,上述三因素中,按极差R的大小排列顺序为:RC>RB>RA。因此,可直观判断在上述反应条件下,对光催化反应器内反应速率影响最大的因素为空气流速,其次为HCHO初始浓度,最后是TiO2负载量。之所以TiO2负载量的影响不大,可能是因为在本实验条件下,TiO2过量时,3种负载量均可提供充足的活性点位,光催化过程处于
反应控制阶段,使得TiO2负载量对反应速率的影
响不如HCHO初始浓度和空气流速[14]
。因此,从
经济性的角度出发,本研究选择1 0mg/cm2
作为较优的TiO2负载量。对于HCHO初始浓度和空气流速两个因素,从表3中可以看出,K22>K21>K23,K32>K31>K33
,这可能是因为这两个因素对降解过程中的吸附 传质 反应 脱附作用存在综合最大峰
·
32·第4期
杨雅鑫等:新型折流式光催化反应器降解甲醛特性
值。较优的HCHO初始浓度和空气流速分别取0 8mg/m3和1 4m/s,这也组成此次实验理想的因素水平搭配。
2 3 与传统平板反应器的性能对比分析
平板光催化反应器的传质能力强,反应条件易控,但反应面积有限,且光照不均匀[15];为克服其缺点,本研究研制了折流式光催化反应器,并通过实验对比分析了两种反应器降解HCHO的性能差异。
平板反应器与折流式反应器的外部尺寸一致,区别在于平板反应器内气体直流通过,无折流。两种反应器的实验工况条件一致,且均采用图1所示实验系统。工况条件为上述正交实验所得最优因素水平搭配,即TiO
2
负载量1 0mg/cm2,HCHO初始浓度0 8mg/m3,空气流速1 4m/s。两种反应器内,HCHO浓度随降解时间的变化规律如图6
所示。
图6 HCHO浓度变化
Fig.6 ThevariationofHCHOconcentration
从图6中可以看出,在反应开始的前60min,环境舱内HCHO浓度迅速下降。这主要是由于在
紫外光源的照射下,TiO
2
表面产生大量的羟基自由基(·OH),·OH具有极强的氧化能力,使得HCHO的降解速率提升。在反应开始60min后,由于HCHO浓度不断降低,反应器内逐渐从传质控制变为反应控制,反应速率也开始变慢,直至HCHO浓度趋于稳定。另外,图6中折流式反应器的HCHO降解速率明显高于平板反应器,尤其是在反应的前60min内。利用式(3)进行拟合计算
可知,折流式反应器的k
e
值为0 6234h-1,是平板
反应器的3倍(k
e
=0 2022h-1)。折流式反应器降解性能优于平板反应器的原因主要是:折流式反应器的反应面积更大,气体停留时间更长,强化了
气 固界面的吸附 传质 反应 脱附性能,宏观表现为降解速率大幅提升;另外,导流片使得反应器内的流速场和浓度场更加均匀,导致折流式反应器降解HCHO的速率进一步提升。
3 结论
1)折流式光催化反应器增加了光催化反应面积,延长了气体停留时间,强化了气 固界面的吸附 传质 反应 脱附过程,降解HCHO的总衰减常数为0 6234h-1,是平板反应器的3倍。
2)通过Fluent模拟发现,增设导流片可以减小反应器内的局部涡流,使流速场和浓度场更加均匀,有利于提升催化剂表面的传质 反应效率,也有利于减小反应器能耗。
3)通过正交实验发现,对反应器CADR值影响最大的因素为空气流速,其次为HCHO初始浓度,最后是TiO
2
负载量。最优的因素水平搭配为空气流速1 4m/s,HCHO初始浓度0 8mg/m3,
TiO
2
负载量1 0mg/cm2。
参考文献:
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