光催化是一種潛在的降解水中有機(jī)污染物的技術(shù)，如對環(huán)境有潛在危害的芳香族化合物。光催化可將水中殘留的微量有機(jī)污染物礦化并除去微生物，這使得光催化技術(shù)成為一種非常適用的廢水處理技術(shù)，也是一種有價(jià)值的替代傳統(tǒng)飲用水處理技術(shù)和用于制藥行業(yè)的超純水生產(chǎn)技術(shù)。該文章的目標(biāo)是在反應(yīng)器的尺寸和材料方面找到矩形微通道反應(yīng)器的優(yōu)化設(shè)計(jì)，以提高光催化活性。并以固定化二氧化鈦(tio2)為光催化劑，設(shè)計(jì)、制備并測試了微通道反應(yīng)器，研究了微通道尺寸、材料對水楊酸光催化降解的影響。

1.微通道反應(yīng)器的設(shè)計(jì)

二氧化鈦(tio2)是最常用的半導(dǎo)體光催化劑，因?yàn)樗哂懈叨鹊墓饣钚?、光穩(wěn)定性、生物和化學(xué)惰性且比較便宜。利用二氧化鈦光催化劑進(jìn)行水處理的光化學(xué)技術(shù)是一種非常潔凈的方法，考慮到經(jīng)濟(jì)和實(shí)際的原因，最有用的二氧化鈦光催化劑形式是在一個方便的載體上涂上薄膜或涂層。但是，傳統(tǒng)固定化系統(tǒng)存在規(guī)模化難度系數(shù)大、界面表面積小、傳質(zhì)受限等問題。微通道反應(yīng)器具有層流、分子擴(kuò)散距離短、比界面面積大和優(yōu)良的傳熱特性，且具有大的表面與體積比，即可使最大限度的試劑與催化劑接觸，從而彌補(bǔ)了與固定光催化劑相關(guān)的缺點(diǎn)，所以微通道反應(yīng)器可能被證明是適合的。特別是對于光化學(xué)反應(yīng)，與大型反應(yīng)器相比，微反應(yīng)器表現(xiàn)出更高的空間照明均勻性和更好的光穿透性。為了避免制造微納米反應(yīng)器的困難和在微納米尺度上光源的昂貴成本，該文章引入典型的特征尺寸在 500 μ m 和 2 mm 之間的矩形微通道反應(yīng)器。

在微通道反應(yīng)器的設(shè)計(jì)方面，通過適當(dāng)優(yōu)化反應(yīng)器的幾何尺寸和形狀以及使用不同的材料，可以得到一個有效的光催化微反應(yīng)器。在設(shè)計(jì)微通道反應(yīng)器時需要注意以下幾個方面：(1)保證整個光催化劑表面得到均勻和充分的照射;(2)達(dá)到反應(yīng)物與光催化劑表面的最高接觸，即大的表面體積比;(3)增加污染物從溶液到催化劑表面的傳質(zhì)，即高傳質(zhì)系數(shù)。此外，催化劑的載體材料在光催化性能中起著重要的作用。在微反應(yīng)器材料方面，以往的研究工作大多局限于少數(shù)幾 2 個反應(yīng)器作為支撐材料，如陶瓷、硅片和玻璃。有研究表明，聚合物材料和金屬基板作為微通道反應(yīng)器的制作材料具有重大意義。因此，該文章測試了用不同材料制作的微反應(yīng)器，從而確定了環(huán)氧聚合物，聚碳酸酯和鋁作為有價(jià)值的光催化微器件材料。

2.微通道反應(yīng)器的制備

該研究制造了矩形微通道反應(yīng)器，在其中沉積二氧化鈦?zhàn)鳛楣獯呋瘎?。采用不同材料制備微通道反?yīng)器。環(huán)氧聚合物微通道反應(yīng)器是用立體光刻技術(shù)制造的，而鋁和聚碳酸酯微通道反應(yīng)器是用機(jī)械加工技術(shù)制造的。該文章利用自制的立體光刻儀，在環(huán)氧樹脂上制備了不同尺寸的聚合物矩形微通道反應(yīng)器。立體光刻技術(shù)是基于光聚合的過程，其中液體樹脂在激光照射下轉(zhuǎn)化為固體聚合物。模型是通過連續(xù)固化樹脂材料層，直到三維物體形成，聚合物微反應(yīng)器如圖所示。

圖 1 聚合物微通道反應(yīng)器示意圖

該研究在自制的鋁和聚碳酸酯矩形微通道反應(yīng)器上進(jìn)行了光催化降解實(shí)驗(yàn)。反應(yīng)器的材料由一塊厚的長方形鋁板或聚碳酸酯板組成。反應(yīng)器的頂部機(jī)械地開有一個矩形微通道的槽。微通道的寬度為 1 mm，高度為 0.5 mm，長度為 70 mm。根據(jù) Furman 等的方法，將 tio2 樣品沉積在微通道反應(yīng)器的通道內(nèi)表面上。將二氧化鈦的水溶液懸浮液倒在微通道上，去除多余的部分，把濕潤的通道在 50°C 下干燥 1 小時。根據(jù)構(gòu)成反應(yīng)器的材料的性質(zhì)，這種涂層過程重復(fù)了幾次:鋁反應(yīng)器重復(fù)了 15 次，環(huán)氧聚合物反應(yīng)器重復(fù)了 20 次，聚碳酸酯反應(yīng)器重復(fù)了 23 次。為了除去松散的顆粒，在運(yùn)行的蒸餾水下漂洗后，沉淀物的數(shù)量通過稱量沉淀物前后的干燥反應(yīng)器來確定。這個制備過程可以控制涂覆催化劑的質(zhì)量，并在通道的整個表面獲得均勻的一層。在催化劑沉積之后，用環(huán)氧樹脂膠將微反應(yīng)器密封在玻璃頂板上。

3.微通道反應(yīng)器的優(yōu)化

為了優(yōu)化微通道反應(yīng)器的設(shè)計(jì)，該文章以光催化降解水楊酸為實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，研究了微通道尺寸和材料對光催化效率的影響。研究表明所有的微通道反應(yīng)器表現(xiàn)出相同的行為，當(dāng)污染物濃度和流量較低時，可以觀察到較高的降解率。從數(shù)據(jù)中沒有證據(jù)表明，反應(yīng)器的組成元素的性質(zhì)影響光催化過程，微通道反應(yīng)器材料對光催化活性的影響幾乎為零。微通道尺寸對降解率有一定影響：在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，通道寬度最大，通道高度最低的反應(yīng)器具有最高的光催化活性;相反，隨著微通道長度的增加，降解率有相當(dāng)規(guī)律的增加。因此，在存在傳質(zhì)限制的情況下，可以利用相關(guān)經(jīng)驗(yàn)來優(yōu)化微通道的幾何尺寸，以達(dá)到理想的光催化性能。