楊雅鑫　李琰　石文鳳　李金桃　杜松　劉鵬　王毅

摘要：在原有平板光催化反應(yīng)器的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種新型折流式光催化反應(yīng)器。選擇甲醛（HCHO）為目標污染物，利用環(huán)境測試艙，結(jié)合計算流體力學（computational fluid dynamics， CFD）軟件，分析了折流式光催化反應(yīng)器降解HCHO的動力學特性。結(jié)果表明：相較于平板反應(yīng)器，折流式反應(yīng)器增加了光催化反應(yīng)面積、延長了氣體停留時間，降解HCHO的總衰減常數(shù)是平板反應(yīng)器的3倍；通過CFD模擬發(fā)現(xiàn)，在反應(yīng)器內(nèi)增設(shè)導流片可以減小反應(yīng)器內(nèi)的局部渦流，使流速場和濃度場更加均勻，有助于平衡光催化劑表面的傳質(zhì)-反應(yīng)特性；通過正交實驗發(fā)現(xiàn)，對反應(yīng)器潔凈空氣量（clean air delivery rate， CADR）影響最大的因素為空氣流速，其次為HCHO初始濃度，最后是催化劑負載量。

關(guān)鍵詞：光催化；折流式反應(yīng)器；計算流體力學；甲醛

中圖分類號：O643；X511文獻標志碼：A目前，建筑物的氣密性越來越高，導致部分建筑內(nèi)部通風率不足，建材所散發(fā)的揮發(fā)性有機化合物（volatile organic compounds， VOCs）濃度過高［1］，難以滿足國家標準《室內(nèi)空氣質(zhì)量標準》GB/T 18883—2022的限值要求。低劣的室內(nèi)空氣質(zhì)量不僅容易使人患上病態(tài)建筑綜合征（sick building syndrome，SBS）［2］，還會引發(fā)哮喘甚至癌癥［3］。甲醛（HCHO）是室內(nèi)普遍存在的VOCs，光催化氧化法（photocatalytic oxidation， PCO）是去除室內(nèi)HCHO等VOCs的有效方法，光催化劑在紫外光源照射下，產(chǎn)生電子-空穴對，能將絕大部分的VOCs轉(zhuǎn)化為CO₂和H₂O。PCO技術(shù)具有使用安全、反應(yīng)條件溫和催化活性高等優(yōu)點，受到了國內(nèi)外學者的廣泛關(guān)注［4-5］。Lin等［6］制備了一種納米TiO₂膠體材料，通過實驗和密度泛函理論模擬，探究了TiO₂膠體材料吸附和光催化降解HCHO的特性。李宇涵等［7］采用一步煅燒法制備了含大量表面氧空位的TiO₂，并研究了其對HCHO的凈化效果，結(jié)果表明，在流動的測試環(huán)境中，HCHO的最大有效去除率可達95.05%，是本底樣品（72.52%）的1.31倍。

高活性的光催化劑需要反應(yīng)器作為載體，研制高性能的反應(yīng)器與制備高活性的催化劑具有同等重要的地位［8］。Wu等［9］將蜂窩型反應(yīng)器與光纖型反應(yīng)器進行了整合，設(shè)計出一種新型的光催化反應(yīng)器，并將其應(yīng)用于間二甲苯的光催化降解，光催化反應(yīng)器在室溫下對間二甲苯的去除效率很高。劉鵬等［10］在原有管狀反應(yīng)器內(nèi)增設(shè)帶有工藝缺口的直肋片，增加了反應(yīng)面積，延長了氣體停留時間，平衡了光催化劑表面的傳質(zhì)-反應(yīng)能力，從而使反應(yīng)速率提高了約1倍。PCO反應(yīng)涉及表面吸附、化學分解、紫外輻射等多個過程，而計算流體力學（computational fluid dynamics，CFD）軟件能模擬濃度場、速度場和紫外輻射場，是研究PCO反應(yīng)的有效工具［11］。

本文從PCO反應(yīng)器設(shè)計優(yōu)化的角度出發(fā)，結(jié)合實驗測試和CFD模擬，以傳統(tǒng)平板光催化反應(yīng)器為基礎(chǔ)，研發(fā)了一種新型折流式光催化反應(yīng)器。選擇HCHO為目標污染物，通過正交實驗分析了HCHO在反應(yīng)器內(nèi)的降解效率，以期為光催化反應(yīng)器的設(shè)計優(yōu)化提供理論依據(jù)，為室內(nèi)空氣品質(zhì)的改善提供參考。

1實驗方法

1.1實驗系統(tǒng)

實驗系統(tǒng)如圖1所示，主要包括環(huán)境艙、光催化反應(yīng)器、揮發(fā)箱和吸收池4部分。干潔空氣分為兩條氣路，一條通過增濕瓶，另一條經(jīng)過計量后進入HCHO揮發(fā)箱，兩條氣路在緩沖瓶中充分混合后，形成一定濕度和濃度的HCHO氣體。該氣體通過閥門流入環(huán)境艙，在循環(huán)泵的作用下形成艙內(nèi)均勻的濃度場。光催化反應(yīng)器置于環(huán)境艙內(nèi)，實驗開始時關(guān)閉閥門，開啟紫外燈，污染氣體在循環(huán)泵作用下反復(fù)流經(jīng)反應(yīng)器，從而被降解。環(huán)境艙外壁設(shè)有采樣口，實驗前60 min內(nèi)每5 min測定1次艙內(nèi)HCHO濃度，之后每10 min采樣1次，直至光催化反應(yīng)結(jié)束。實驗結(jié)束后，僅向環(huán)境艙內(nèi)通入新風，艙內(nèi)剩余HCHO氣體流入吸收池內(nèi)。

實驗所用環(huán)境艙型號為FD-1A，尺寸1 m×1 m×1 m，內(nèi)部溫度、濕度、循環(huán)風速可自動控制，實物圖如圖2所示。實驗時，艙內(nèi)溫濕度分別控制在（20.0±2）℃和（50±10）%。實驗所用光催化反應(yīng)器為本研究設(shè)計的折流式光催化反應(yīng)器，外觀尺寸400 mm×240 mm×200 mm，實物圖如圖3所示，內(nèi)部由6塊催化劑負載平板（300 mm×200 mm）形成Z型氣體流道，彎角處設(shè)有導流片；Z型流道內(nèi)放置3根300 mm長的紫外光源；反應(yīng)器內(nèi)壁面也涂敷光催化劑。Z型流道可增大光催化反應(yīng)面積，延長氣體停留時間，優(yōu)化紫外光入射角，從而平衡傳質(zhì)-反應(yīng)能力，提升HCHO降解性能。實驗所用紫外光源為波長254 nm的紫外殺菌燈。光催化劑采用Degussa P25型TiO₂，該催化劑是70%銳鈦型和30%金紅石型共存的混晶型TiO₂，光催化活性高，化學性質(zhì)穩(wěn)定，無毒無害，吸附能力強［12］。

1.2測量儀器

實驗過程中所使用的主要實驗儀器及參數(shù)如表1所示。環(huán)境艙內(nèi)HCHO濃度的檢測方法符合國家標準《民用建筑工程室內(nèi)環(huán)境污染控制標準》（GB50325—2020）中簡便取樣檢測方法的規(guī)定。

2結(jié)果與討論

2.1反應(yīng)器的設(shè)計優(yōu)化

為提高光催化反應(yīng)器的傳質(zhì)-反應(yīng)能力，本研究在所設(shè)計的折流式反應(yīng)器內(nèi)增設(shè)了導流片，以期優(yōu)化反應(yīng)器內(nèi)的流速場和濃度場，從而設(shè)計出更為高效合理的反應(yīng)器。本研究利用CFD中的Fluent軟件，分析了增設(shè)導流片前后HCHO降解過程中的流速分布和濃度分布。光催化反應(yīng)數(shù)值模擬選擇帶化學反應(yīng)的多組分運輸模型（species transport），使用阿倫尼烏斯公式計算化學源項，利用層流有限速率模型分析光催化反應(yīng)速率［13］。模擬分析時，采用以下簡化假設(shè)：1） 假設(shè)反應(yīng)器內(nèi)的流體為不可壓縮流體；2） 光催化反應(yīng)無催化副產(chǎn)物；3） 忽略反應(yīng)器內(nèi)壁對HCHO的吸附作用。氣體流動采用標準k-epsilon湍流模型，在模擬過程中使用二階迎風格式。各邊界類型及參數(shù)設(shè)置如表2所示，模擬時監(jiān)測殘差曲線，當其值小于10-6且趨于穩(wěn)定時，則認定模擬結(jié)果收斂。

圖4為無導流片時，光催化反應(yīng)器水平斷面處的氣體流速分布和HCHO濃度分布云圖。圖5為增設(shè)導流片后，反應(yīng)器水平斷面處的氣體流速和HCHO濃度分布云圖。設(shè)置的反應(yīng)溫度為20 ℃，相對濕度為50%，入口速度為1.65 m/s，入口HCHO濃度為0.8 mg/m³。

從圖4（a）中可以看出，無導流片光催化反應(yīng)器的進口處流速較為均勻，但氣體在轉(zhuǎn)向處出現(xiàn)明顯渦流，導致反應(yīng)器的流動阻力增大，不利于對流傳質(zhì)。對比圖4（a）和圖5（a）發(fā)現(xiàn)，增設(shè)導流片后，反應(yīng)器轉(zhuǎn)向處的流速趨于均勻，有利于提升催化劑表面的傳質(zhì)-反應(yīng)效率，也有利于減小反應(yīng)器能耗。從圖4（b）中可以看出，由于轉(zhuǎn)向處的氣體渦流，無導流片光催化反應(yīng)器內(nèi)的前半程HCHO濃度偏高，容易造成光催化反應(yīng)不充分，不僅降低反應(yīng)速率，還可能生成氣態(tài)副產(chǎn)物。增設(shè)導流片后（圖5（b）），HCHO濃度在流道內(nèi)逐漸降低，說明反應(yīng)器內(nèi)各區(qū)域的光催化反應(yīng)較充分，在保證反應(yīng)速率穩(wěn)定的同時，抑制光催化副產(chǎn)物的生成。

根據(jù)出口處HCHO濃度的模擬計算結(jié)果，可利用式（1）計算反應(yīng)器的一次通過效率ε。

ε=C_in-C_out/C_in（1）

式中，C_in為反應(yīng)器入口濃度，mg/m³；C_out為反應(yīng)器出口濃度，mg/m³。

經(jīng)計算，增設(shè)導流片前后的ε值分別為0.17和0.20，說明增設(shè)導流片有助于提升光催化反應(yīng)性能。

2.2運行條件優(yōu)化分析

影響光催化反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)速率的因素有溫度、濕度、流速、紫外光源、催化劑負載量、污染物初始濃度等。室內(nèi)溫濕度受人體熱舒適和建筑節(jié)能的限制，在其波動范圍內(nèi)對光催化反應(yīng)速率的影響不大；紫外光源受反應(yīng)器尺寸限制，選擇種類有限。因此，本研究選擇TiO₂負載量、HCHO初始濃度和空氣流速作為優(yōu)化對象，并根據(jù)現(xiàn)有實驗條件進行正交實驗設(shè)計。正交實驗選擇四因素、三水平的L9（3⁴）正交表，TiO₂負載量（A）的3個水平為1.0、1.6和2.2 mg/cm²；HCHO初始濃度（B）的3個水平為0.4、0.8和1.2 mg/m³；空氣流速（C）的3個水平為0.9、1.4和1.9 m/s。正交實驗結(jié)果如表3所示。

根據(jù)國家標準《空氣凈化器》GB/T 18801—2022，選擇潔凈空氣量（clean air delivery rate， CADR）作為光催化反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)速率的性能評價參數(shù)，并根據(jù)式（2）和（3）計算CADR。

Q=V·（k_e－k_n） （2）

式中，Q為CADR值，m³/h；V為環(huán)境艙容積，m³；kn和ke分別為自然衰減常數(shù)和總衰減常數(shù)，1/h。k_n和k_e需根據(jù)式（3），做ln C_t和t的線性擬合得到。

Ct=C₀e^－kt（3）

式中，C_t為t時刻的污染物濃度，mg/m³；C₀為t=0時的污染物濃度，mg/m³；k為衰減常數(shù)，1/h。

由表3可得，上述三因素中，按極差R的大小排列順序為：R_C＞R_B＞R_A。因此，可直觀判斷在上述反應(yīng)條件下，對光催化反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)速率影響最大的因素為空氣流速，其次為HCHO初始濃度，最后是TiO₂負載量。之所以TiO₂負載量的影響不大，可能是因為在本實驗條件下，TiO₂過量時，3種負載量均可提供充足的活性點位，光催化過程處于反應(yīng)控制階段，使得TiO₂負載量對反應(yīng)速率的影響不如HCHO初始濃度和空氣流速［14］。因此，從經(jīng)濟性的角度出發(fā)，本研究選擇1.0 mg/cm²作為較優(yōu)的TiO₂負載量。對于HCHO初始濃度和空氣流速兩個因素，從表3中可以看出，K₂₂>K₂₁>K₂₃，K₃₂>K₃₁>K₃₃，這可能是因為這兩個因素對降解過程中的吸附-傳質(zhì)-反應(yīng)-脫附作用存在綜合最大峰值。較優(yōu)的HCHO初始濃度和空氣流速分別取0.8 mg/m³和1.4 m/s，這也組成此次實驗理想的因素水平搭配。

2.3與傳統(tǒng)平板反應(yīng)器的性能對比分析

平板光催化反應(yīng)器的傳質(zhì)能力強，反應(yīng)條件易控，但反應(yīng)面積有限，且光照不均勻［15］；為克服其缺點，本研究研制了折流式光催化反應(yīng)器，并通過實驗對比分析了兩種反應(yīng)器降解HCHO的性能差異。

平板反應(yīng)器與折流式反應(yīng)器的外部尺寸一致，區(qū)別在于平板反應(yīng)器內(nèi)氣體直流通過，無折流。兩種反應(yīng)器的實驗工況條件一致，且均采用圖1所示實驗系統(tǒng)。工況條件為上述正交實驗所得最優(yōu)因素水平搭配，即TiO₂負載量1.0 mg/cm²，HCHO初始濃度0.8 mg/m³，空氣流速1.4 m/s。兩種反應(yīng)器內(nèi)，HCHO濃度隨降解時間的變化規(guī)律如圖6所示。

從圖6中可以看出，在反應(yīng)開始的前60 min，環(huán)境艙內(nèi)HCHO濃度迅速下降。這主要是由于在紫外光源的照射下，TiO₂表面產(chǎn)生大量的羥基自由基（·OH），·OH具有極強的氧化能力，使得HCHO的降解速率提升。在反應(yīng)開始60 min后，由于HCHO濃度不斷降低，反應(yīng)器內(nèi)逐漸從傳質(zhì)控制變?yōu)榉磻?yīng)控制，反應(yīng)速率也開始變慢，直至HCHO濃度趨于穩(wěn)定。另外，圖6中折流式反應(yīng)器的HCHO降解速率明顯高于平板反應(yīng)器，尤其是在反應(yīng)的前60 min內(nèi)。利用式（3）進行擬合計算可知，折流式反應(yīng)器的ke值為0.623 4 h^-1，是平板反應(yīng)器的3倍（k_e=0.202 2 h^-1）。折流式反應(yīng)器降解性能優(yōu)于平板反應(yīng)器的原因主要是：折流式反應(yīng)器的反應(yīng)面積更大，氣體停留時間更長，強化了氣-固界面的吸附-傳質(zhì)-反應(yīng)-脫附性能，宏觀表現(xiàn)為降解速率大幅提升；另外，導流片使得反應(yīng)器內(nèi)的流速場和濃度場更加均勻，導致折流式反應(yīng)器降解HCHO的速率進一步提升。

3結(jié)論

1）折流式光催化反應(yīng)器增加了光催化反應(yīng)面積，延長了氣體停留時間，強化了氣-固界面的吸附-傳質(zhì)-反應(yīng)-脫附過程，降解HCHO的總衰減常數(shù)為0.623 4 h-1，是平板反應(yīng)器的3倍。

2）通過Fluent模擬發(fā)現(xiàn)，增設(shè)導流片可以減小反應(yīng)器內(nèi)的局部渦流，使流速場和濃度場更加均勻，有利于提升催化劑表面的傳質(zhì)-反應(yīng)效率，也有利于減小反應(yīng)器能耗。

3）通過正交實驗發(fā)現(xiàn)，對反應(yīng)器CADR值影響最大的因素為空氣流速，其次為HCHO初始濃度，最后是TiO₂負載量。最優(yōu)的因素水平搭配為空氣流速1.4 m/s，HCHO初始濃度0.8 mg/m3，TiO₂負載量1.0 mg/cm2。參考文獻：

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（責任編輯：曾晶）

Removal Performance of Formaldehyde with Novel

Baffling Photocatalytic Reactor

YANG Yaxin LI Yan SHI Wenfeng LI Jintao DU Song LIU Peng WANG Yi

（1.Guizhou CSCEC Architectural Research and Design Institute Co.， Ltd.， Guiyang 550006， China; 2.College of Civil Engineering，

Guizhou University， Guiyang 550025， China; 3.Guizhou Gas Thermal Design Co.， Ltd.， Guiyang 550001， China）Abstract： Based on the original flat photocatalytic reactor， a novel baffling photocatalytic reactor coated with TiO₂was proposed. In this reseach， formaldehyde was chosen as the target pollutant and the kinetic characteristics of the reactor were analyzed by using an environmental chamber and the computational fluid dynamics （CFD） software. The results show that compared with plate photocatalytic reactor， the baffling photocatalytic reactor enlarges the reaction area and increases the residence time.， the total decay rate constants of which increase more than three times. The CFD simulation results show that the local eddy currents in the reactor become smaller and the distribution of flow velocity and HCHO concentration become more even when adding deflectors in the reactor， which can balance the mass transfer-reaction capability of the photocatalyst surface . The results of orthogonal experiment show that the flow rate has the biggest impact on the CADR values of photocatalytic reactor， followed by HCHO initial concentration and catalysts loading in turn.

Key words： photocatalysis; baffling reactor; computational fluid dynamics （CFD）; formaldehyde