轉(zhuǎn)化成甲醇的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及能源與環(huán)境領(lǐng)域，具體地，涉及一種光纖式光催化反應(yīng)器和將CO2轉(zhuǎn)化成甲醇的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]大量溫室氣體如C02、CH4等的排放引起的溫室效應(yīng)已成為全球關(guān)注熱點(diǎn)。近年來，人類生產(chǎn)活動(dòng)引起的大氣中C02濃度的增加已加速了溫室效應(yīng)對(duì)全球氣候的影響，如何有效地控制CO2排放已成為各國的當(dāng)務(wù)之急。由于煤炭是我國最主要的一次能源，我國0)2的排放主要來自于燃煤，這其中又以燃煤電廠為主，因此，找到一種有效控制電廠CO2排放的技術(shù)迫在眉睫。
[0003]目前，燃煤CO2排放控制技術(shù)主要分為三大類:一類是燃后控制技術(shù)，包括化學(xué)方法、物理方法等；一類是燃前控制技術(shù)，主要是煤氣化技術(shù);一類是富氧燃燒技術(shù)。各種CO2控制方法存在的問題有:能耗高、成本高、回收的(》2利用率低。
[0004]利用光催化還原的方法將富氧燃燒煙氣中的高濃度CO2轉(zhuǎn)化為甲醇等燃料是一種頗具潛力的減排并同時(shí)利用CO2的有效辦法。它采用半導(dǎo)體材料(一般是銳鈦礦型的T12)作為催化劑，當(dāng)能量高于半導(dǎo)體禁帶寬度的光照射到催化劑表面時(shí)，就會(huì)激發(fā)半導(dǎo)體內(nèi)的電子從價(jià)帶躍迀至導(dǎo)帶，形成具有很強(qiáng)活性的電子空穴對(duì)，使得CO2的還原反應(yīng)得以進(jìn)行。該方法能耗低、成本低、無污染，在降低CO2排放的同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了 CO2的資源化利用。
[0005]其中，光催化反應(yīng)器對(duì)光催化還原CO2的效率及甲醇產(chǎn)率有重要影響，但是現(xiàn)有光反應(yīng)器，例如懸浮液反應(yīng)器、常規(guī)固定床反應(yīng)器存在催化劑光利用率低、比表面積小、難以回收等缺點(diǎn)，不利于光催化反應(yīng)的進(jìn)行。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)中的上述缺陷，提供一種光纖式光催化反應(yīng)器和一種將C02轉(zhuǎn)化成甲醇的方法。
[0007]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，第一方面，本發(fā)明提供了一種光纖式光催化反應(yīng)器，該光纖式光催化反應(yīng)器包括光源和反應(yīng)桶，所述反應(yīng)桶上設(shè)置有物料進(jìn)口和物料出口，在反應(yīng)桶中沿長(zhǎng)度方向設(shè)置有負(fù)載有稀土改性的二氧化鈦的光纖，所述反應(yīng)桶的兩端均設(shè)置有密封板，且至少一端的密封板上設(shè)置有石英玻璃片，所述光源設(shè)置在設(shè)有石英玻璃片的反應(yīng)桶的至少一端的外部，用于將光束通過所述石英玻璃片射入反應(yīng)桶內(nèi)，其中，所述負(fù)載有稀土改性的二氧化鈦的光纖包括光纖和包覆于光纖外表面的摻雜有稀土的二氧化鈦層。
[0008]第二方面，本發(fā)明提供了一種將⑶2轉(zhuǎn)化成甲醇的方法，所述方法包括:將含有⑶2的物料供給至本發(fā)明所述的光纖式光催化反應(yīng)器中，進(jìn)行光催化還原反應(yīng)以將CO2轉(zhuǎn)化成甲醇。
[0009]本發(fā)明的光纖式光催化反應(yīng)器，為一種能夠提高甲醇產(chǎn)率、內(nèi)部設(shè)置有負(fù)載稀土改性的納米T12層的光纖的結(jié)構(gòu)緊湊型光纖式光催化反應(yīng)器，用于將含有CO2的物料(如富氧煙氣)中的CO2轉(zhuǎn)化成甲醇，甲醇產(chǎn)率高(本發(fā)明的甲醇產(chǎn)率均在200ymol/h/g(即每克催化劑每小時(shí)制備得到200μηιο1甲醇)以上，可高達(dá)500ymol/h/g，而現(xiàn)有方法中甲醇產(chǎn)率一般低于ΙΟΟμπιοΙ/h/g)、光利用率高、催化劑比表面積大、易回收、能耗低、成本低、無污染，在降低CO2排放的同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了CO2的資源化利用。具體地，在本發(fā)明中，⑴在光纖外表面負(fù)載稀土改性的納米T12層，使得催化劑在CO2轉(zhuǎn)化甲醇的光催化還原反應(yīng)中具有更高的催化活性。(2)催化劑直接負(fù)載在光纖表面，避免了傳統(tǒng)的固定式光催化反應(yīng)器中存在的反應(yīng)介質(zhì)對(duì)光的吸收和散射，光利用率大大提高;催化劑的表面積也大大提高，增強(qiáng)了反應(yīng)器的處理能力。(3)根據(jù)本發(fā)明的一種優(yōu)選的實(shí)施方式，本發(fā)明中采用雙光源，能夠提供更強(qiáng)、更均勻的側(cè)面發(fā)光強(qiáng)度。(4)根據(jù)本發(fā)明的一種優(yōu)選的實(shí)施方式，本發(fā)明中反應(yīng)器的內(nèi)壁設(shè)置有鋁箔反光層，提高了光利用率;反應(yīng)器的外部包覆有加熱帶，便于控制反應(yīng)器溫度及產(chǎn)物收集。(5)根據(jù)本發(fā)明的一種優(yōu)選的實(shí)施方式，本發(fā)明采用光纖固定架固定光纖，能夠使光纖均勻地布置于反應(yīng)器中，也使得光纖拆卸更為靈活、方便;另外，光纖固定架還能夠促進(jìn)CO2氣流與光纖外表面的稀土改性的二氧化鈦充分接觸，提高傳質(zhì)效果和反應(yīng)速率。
[0010]本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)將在隨后的【具體實(shí)施方式】部分予以詳細(xì)說明。
【附圖說明】
[0011]圖1是本發(fā)明實(shí)施例1中光纖式光催化反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0012]圖2是本發(fā)明實(shí)施例1中的光纖固定架的俯視圖。
[0013]附圖標(biāo)記說明
[0014]I為光源;2為反應(yīng)桶;21為物料進(jìn)口 ；22為物料出口；3為負(fù)載有稀土改性的二氧化鈦的光纖;4為光纖固定架;41為圓形架體;42為隔板;43為光纖固定孔;5為密封板;6為石英玻璃片。
【具體實(shí)施方式】
[0015]以下結(jié)合附圖1-2對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解的是，此處所描述的【具體實(shí)施方式】?jī)H用于說明和解釋本發(fā)明，并不用于限制本發(fā)明。
[0016]第一方面，本發(fā)明提供了一種光纖式光催化反應(yīng)器，如圖1所示，該光纖式光催化反應(yīng)器包括光源I和反應(yīng)桶2，所述反應(yīng)桶2上設(shè)置有物料進(jìn)口 21和物料出口 22，在反應(yīng)桶2中沿長(zhǎng)度方向設(shè)置有負(fù)載有稀土改性的二氧化鈦的光纖3，所述反應(yīng)桶2的兩端均設(shè)置有密封板5，且至少一端的密封板5上設(shè)置有石英玻璃片6，所述光源I設(shè)置在設(shè)有石英玻璃片6的反應(yīng)桶2的至少一端的外部，用于將光束通過所述石英玻璃片6射入反應(yīng)桶2內(nèi)，其中，所述負(fù)載有稀土改性的二氧化鈦的光纖3包括光纖和包覆于光纖外表面的摻雜有稀土的二氧化欽層。
[0017]本發(fā)明的光纖式光催化反應(yīng)器中，優(yōu)選情況下，密封板5和石英玻璃片6均為圓形，且石英玻璃片6的直徑小于密封板5的直徑。其中，對(duì)于密封板5和石英玻璃片6的具體大小，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，此為本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知，在此不再贅述。
[0018]本發(fā)明的光纖式光催化反應(yīng)器中，優(yōu)選情況下，在反應(yīng)桶2兩端的密封板5上均設(shè)置有石英玻璃片6，且光源I的個(gè)數(shù)為2個(gè)，分別設(shè)置在反應(yīng)桶2的兩端的外部。
[0019]本發(fā)明的光纖式光催化反應(yīng)器中，優(yōu)選情況下，密封板5為不銹鋼板。
[0020]本發(fā)明的光纖式光催化反應(yīng)器中，優(yōu)選情況下，光源I為人造光源和/或自然光源。根據(jù)實(shí)際情況，光源可在人造光源和自然光源之間替換，對(duì)于人造光源沒有特別的限定，可以根據(jù)催化劑的種類選擇不同光源，包括氙燈、汞燈等。
[0021]本發(fā)明的光纖式光催化反應(yīng)器中，優(yōu)選情況下，光源I通過聚光透鏡將光束射入反應(yīng)桶2內(nèi)。
[0022]本發(fā)明的光纖式光催化反應(yīng)器中，優(yōu)選情況下，反應(yīng)桶2內(nèi)設(shè)置有光纖固定架4，所述光纖固定架4包括分別設(shè)置在反應(yīng)桶2兩端的圓形架體41和連接兩個(gè)所述圓形架體41的隔板42，在所述圓形架體41上設(shè)置有光纖固定孔43(如圖2所示)，用于將光纖3進(jìn)行固定。
[0023]本發(fā)明的光纖式光催化反應(yīng)器中，優(yōu)選情況下，圓形架體41的直徑不大于石英玻璃片6的直徑。
[0024]本發(fā)明的光纖式光催化反應(yīng)器中，優(yōu)選情況下，反應(yīng)桶2的內(nèi)壁設(shè)置有鋁箔反光層。
[0025]本發(fā)明的光纖式光催化反應(yīng)器中，優(yōu)選情況下，反應(yīng)桶2的外部設(shè)置有加熱帶。
[0026]本發(fā)明的光纖式光催化反應(yīng)器中，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解的是，負(fù)載有稀土改性的二氧化鈦的光纖3包括光纖和包覆于光纖外表面的摻雜有稀土的二氧化鈦層，其中，負(fù)載有稀土改性的二氧化鈦的光纖3中包括的光纖為未包覆摻雜有稀土的二氧化鈦層的光纖。
[0027]第二方面，本發(fā)明提供了一種將⑶2轉(zhuǎn)化成甲醇的方法，所述方法包括:將含有⑶2的物料供給至本發(fā)明所述的光纖式光催化反應(yīng)器中，進(jìn)行光催化還原反應(yīng)以將CO2轉(zhuǎn)化成甲醇。
[0028]本發(fā)明的方法中，優(yōu)選情況下，光催化還原反應(yīng)的條件包括:溫度為15_180°C，光照強(qiáng)度為10-25mW/cm2，含有CO2的物料的流量為5-20ml/min，進(jìn)一步優(yōu)選地，在含有CO2的物料中，CO2的含量為85-90體積％，H20的含量為5-12體積％。其中，在含有⑶2的物料中，除了COdPH2O外，其余組分主要為氧氣和氮?dú)狻?br>[0029]本發(fā)明的方法中，含有CO2的物料可以為含有水和高濃度CO2的各種來源的含有CO2的物料，如來自燃煤電廠的富氧煙氣。
[0030]本發(fā)明的方法中，優(yōu)選情況下，該方法還包括通過以下方法制備負(fù)載有稀土改性的二氧化鈦的光纖，該制備負(fù)載有稀土改性的二氧化鈦的光纖的方法包括:去除光纖表面的有機(jī)包覆層，將去除了有機(jī)包覆層的光纖全部浸入摻雜有稀土的二氧化鈦溶膠中，靜置，然后取出光纖并依次進(jìn)行成膜處理、干燥處理和煅燒處理。
[0031]本發(fā)明的方法中，對(duì)于去除光纖表面的有機(jī)包覆層的方法沒有特別的限定，可以為本領(lǐng)域常用的各種方法，例如可以通過灼燒的方式去除光纖表面的有機(jī)包覆層。
[0032]本發(fā)明的方法中，為了提高稀土改性的二氧化鈦在光纖外表面的負(fù)載效果，優(yōu)選情況下，靜置的時(shí)間為20-40min。
[0033]本發(fā)明的方法中，為了提高稀土改性的二氧化鈦在光纖外表面的負(fù)載效果，優(yōu)選情況下，取出光纖的方法包括:將光纖在摻雜有稀土的二氧化鈦溶膠中保持垂直狀態(tài)，以20-40mm/min的速度從摻雜