综述：水处理用悬浮液光催化膜反应器的设计路线图、多物理场建模与放大

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Design Roadmap, Multi-Physics Modelling, and Scale-Up of Slurry Photocatalytic Membrane Reactors for Water Treatment

　　

•反应器几何结构和光子管理对SPMR效率有强烈影响
•流体力学和膜污染仍是SPMR大规模部署的主要障碍
•多物理场模型可改善对SPMR性能及放大的预测
•在更大规模下，能耗和热效应变得日益重要
•提出了一个系统性的设计路线图，将实验室研究与工业应用联系起来

**引言**

光催化作为一种高级氧化工艺（AOP），已成为水处理领域的一种有前景的方法，因为半导体光催化剂在光照下可以产生活性氧物种（ROS），从而降解各种有机污染物和微生物污染物[1]、[2]。然而，由于传质受限、光利用效率低、催化剂回收困难，以及随规模扩大而产生的流体动力学和光学限制，将光催化性能从实验室研究转化为实际处理系统仍然具有挑战性[3]、[4]。这些挑战凸显了除光催化剂性能外，还需考虑反应器工程以实现高效、可扩展处理的重要性。

在开发的用于应对这些挑战的反应器系统中，光催化膜反应器（PMR）将光催化与膜分离相结合，实现了污染物降解与催化剂-水分离的同时进行。PMR一般分为固定化PMR（IPMR）和悬浮式PMR（SPMR）[5]。固定化系统便于催化剂回收，但可能限制可及的催化表面积；而悬浮式PMR保持光催化剂处于悬浮状态，利用膜截留催化剂，同时允许处理后的水被提取。后者可提供良好的催化剂可及性和传质条件，同时实现连续操作和催化剂保留[6]、[7]。更广泛地说，膜反应器研究表明，通过掺入或沉积光催化剂，膜可以被设计为多功能反应-分离界面，而不仅仅充当被动的分离屏障[8]、[9]、[10]。然而，光催化和膜分离也引入了各自独特的运行限制。悬浮式光催化容易受到催化剂流失、团聚、催化剂浓度增加时光子衰减的影响，并且需要下游的固液分离步骤来回收催化剂，以防止其随处理后的水排放[3]、[6]。相反，仅靠膜过滤主要分离污染物，而非有效降解溶解性有机微污染物，并且在复杂水质基质中容易受到污染影响[5]、[11]。因此，二者的结合创建了一个耦合的反应-分离环境，其中一个过程的优点可以抵消另一个过程的限制，但同时也引入了光子传输、流体力学、反应动力学、催化剂负载和膜操作之间的相互作用，这些因素必须综合考虑。

多项研究展示了这种结合带来的潜在优势。一种浸没式SPMR，将悬浮的氮掺杂TiO?与陶瓷微滤膜结合使用，在180分钟内实现了84.18%的双氯芬酸去除率，而单独光催化的去除率仅为58%，同时TOC减少了36.6%[12]。类似地，一种UV-C驱动的PMR在水力停留时间为140分钟时实现了97%的菲去除率和79%的TOC减少，而未与膜集成时的去除率约为70%[13]。在另一项研究中，单独膜过滤对苯扎贝特的去除率不到30%，而与TiO?光催化联用后，去除效率提高至约80%[14]。除降解性能改善外，反应器构型也会影响膜的产水性能：垂直过滤设计报告的通量约为200 L m?2 h?1，而传统浸没式配置（膜组件直接浸没在光催化容器中，没有优化的交叉流通道或专门的液压增强功能）的通量约为40 L m?2 h?1[11]、[15]、[16]。这些发现表明，SPMR性能并非仅由光催化活性或膜渗透性决定，而是源于反应、传输、辐照和分离过程之间的相互作用。

尽管存在上述优势，SPMR的工程放大仍受到若干耦合现象的制约。浑浊悬浮液中的光子衰减会限制有效辐照体积，据报道穿透深度约为1-3 cm，具体取决于催化剂浓度和粒径分布[17]、[18]。流体动力学不均匀性造成死区和回流区，相对于理想平推流等价情况，降解速率降低30-60%[19]、[20]。膜污染来自催化剂沉积和有机物积累，降低了渗透液通量并增加了跨膜压力，从而提高了能耗，并需要频繁的化学清洗循环[21]、[22]。这些限制之间高度相互依赖：增加催化剂负载可以在增加活性位点浓度的同时加剧光子衰减和膜污染；增加辐照强度可以提高反应速率，但同时增加能耗和热负荷；增加膜通量可以提高产水率，但会加速浓度极化和污染。因此，SPMR设计本质上是一个多物理场问题，需要耦合考虑光子传输、流体动力学、反应动力学、膜传输和能量管理。

近期的综述已经推进了对光催化反应器、光催化膜系统、反应器建模以及膜集成催化过程的理解[8]、[23]、[24]、[25]。然而，一个将SPMR构型选择与反应器几何结构、催化剂负载、光子分布、流体动力学、膜操作、多物理场建模、放大和技术经济评估相连接的综合性工程框架仍未得到充分发展。本综述旨在弥补这一空白，从工程设计和放大的角度批判性地审视SPMR。该综述评估了反应器构型和操作变量如何控制耦合的反应-传输行为；考察了计算流体力学（CFD）、辐射传输和反应动力学模型的应用与局限性；比较了量化性能、能耗和经济指标；并将这些发现综合为一个统一的设计与放大路线图。所提出的路线图作为基于文献的工程综合成果，将报告的量化性能和操作标准与工程判断相结合，将所识别的反应器、建模、放大和经济考虑因素转化为一个集成的设计流程。特别关注了催化剂负载、光照、流体动力学和膜操作的耦合作用，因为这些变量同时影响光催化活性、光利用效率、膜污染、产水性能、能耗和放大可行性。

本综述的结构从反应器选择逐步推进到定量设计和放大。首先，对比分体式与一体化SPMR构型，为构型选择建立工程基础。然后考察反应器几何结构、催化剂负载、光照以及流体动力学和膜设计变量与处理性能和污染行为的关系。这些考虑因素随后与量化放大、能耗和技术经济评估以及中试及以上规模系统的证据联系起来。本综述还评估了多物理场建模方法，并利用由此获得的见解制定了连接实验室尺度表征、基于模型的优化和实验验证与未来中试及工业化实施的设计与放大路线图。最后，确定了主要挑战和研究优先方向。随文提供的补充材料列出了用于支持工程分析的 governing equations、无量纲判据、污染模型、CFD公式以及能耗和经济指标。

**分章节摘要**

**SPMR构型与对比评估：分体式与一体化**

SPMR可根据光催化反应区和膜分离区的空间排列方式进行大致区分。如图1所示，主要构型包括分体式SPMR和一体化SPMR，而不同的反应器几何结构（包括环形、平板式和管式布置）可在这两种构型中实施。这种架构上的区别决定了光催化、流体动力学和膜传输之间的耦合程度，以及……

**反应器几何结构与光程优化**

反应器几何结构在决定光子分布方面起着核心作用，进而影响SPMR中光催化反应的整体效率。因此，高效的反应器设计需要在保持足够光子强度以维持快速表面反应的同时，最大化被照明的反应体积。然而，几何结构无法独立于催化剂浓度、光学性质、水力条件和辐照强度进行优化。一种能够……

**放大挑战**

将SPMR从实验室放大到工业应用仍是一个重大挑战，因为反应器性能不会随反应器尺寸的增大而线性放大。放大的主要挑战在于控制SPMR性能的物理现象的非线性缩放。虽然反应器体积与特征长度的立方成正比，但表面积与特征长度的平方成正比，这造成了比表面积比的根本性下降，影响了光子管理和热……

**多物理场建模**

多物理场建模已成为SPMR设计和优化的重要工具，因为反应器性能受流体流动、光子传输、反应动力学和膜分离等强烈耦合现象的控制。与经验方法不同，集成的计算模型能够定量揭示这些相互作用如何影响降解效率、光子利用效率、污染行为和放大性能。然而，模型复杂度并不……

**设计路线图**

SPMR的开发需要同时对光子传输、流体动力学、膜分离、污染控制和热管理进行优化。由于这些现象强烈耦合，反应器性能某一方面的改进往往会影响其他方面。因此，本综述提出的设计路线图提供了一个包含五个相互关联阶段的系统框架，指导从概念设计到中试验证，并最终实现……

**研究空白与未来方向**

尽管SPMR开发取得了显著进展，但仍有若干挑战阻碍其从实验室规模验证向可靠且经济可行的处理系统转化。主要研究空白在于对光催化、光子传输、流体动力学、膜分离、污染、热效应和能耗在真实运行条件下如何相互作用的理解有限。因此，实验室规模报告的高污染物去除率并不……

**结论**

悬浮式光催化膜反应器将光催化降解和膜分离结合在一个过程中，为去除持久性有机污染物提供了显著优势，同时实现了催化剂回收和水资源回用。然而，其实用性能受光子传输、流体动力学、反应动力学、膜分离、污染和热效应等强烈耦合因素的制约，而非仅由光催化活性决定。

本综述重点指出了……

**CRediT作者贡献声明**

Maxwell Katambwa Mwelwa：撰写——初稿撰写，概念构思。Charmaine Sesethu Tshangana：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿撰写，概念构思。Ilunga Kamika：撰写——审阅与编辑。Alex Tawanda Kuvarega：撰写——审阅与编辑。Adolph Anga Muleja：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿撰写，概念构思。

**利益冲突声明**

作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，这些关系可能影响本文所报告的工作。

**致谢**

作者衷心感谢南非大学科学与工程学院（CSET）纳米技术与水可持续性研究所（iNanoWS）的资金支持。本工作部分得到南非国家研究基金会（NRF）的支持（参考/资助编号：SRUG210421596477）。

**利益冲突**

作者声明不存在利益冲突。

Maxwell Katambwa Mwelwa | Charmaine Sesethu Tshangana | Ilunga Kamika | Alex Tawanda Kuvarega | Adolph Anga Muleja