基于气相和表面反应化学的乙醇在ZnO上光催化降解的CFD模拟

《Chemical Engineering Journal》：CFD simulations for the photocatalytic degradation of ethanol on ZnO based on gas-phase and surface reaction chemistry

本研究通过3D CFD模拟便携式空气净化器中还原ZnO涂层对乙醇光催化降解的影响，考虑表面反应和气相自由基反应机制，验证离散坐标系光强模拟方法，发现湿度升高导致降解率下降，优化紫外光分布可使乙醇转化率提升11%。

　　

Mohammad Rusydi Fatahillah | Alireza Ranjbari | Philippe M. Heynderickx | Dirk Poelman | Geraldine J. Heynderickx

Technologiepark 125, 9052, 根特, 比利时根特大学材料、纺织与化学工程系化学技术实验室

摘要

利用三维计算流体动力学（3D CFD）模拟了在便携式空气净化器单体壁涂覆的还原ZnO表面，在潮湿条件下乙醇的光催化降解过程。CFD模型包括由电子-空穴对驱动的表面反应，以及由自由基控制的气相反应。紫外光照射通过离散坐标模型在CFD中模拟，并通过光谱测量进行验证。为了考虑光照强度的空间变化，原始动力学模型中的反应速率系数根据局部紫外辐照度进行比例缩放，并应用于单程稳态CFD模拟中。该模型能够捕捉到乙醇转化率随湿度增加而降低的现象，并与实验观察到的降解路径分布定性一致。对紫外光照的分析表明，光催化性能受单体结构内紫外光分布的影响，模拟结果显示提高光照均匀性可使光催化剂利用率和乙醇转化率提高11%。

章节摘要

缩写说明

3D	三维
A	乙醛
CFD	计算流体动力学
DO	离散坐标
E	乙醇
HPC	高性能计算
LED	发光二极管
MAPE	平均绝对百分比误差
PCB	印刷电路板
RANS	雷诺平均纳维-斯托克斯
RH	相对湿度
RMSE	均方根误差
RTE	辐射传输方程
R-ZnO	还原ZnO催化剂（500°C时）
SIFT-MS	选离子流式质谱
SST	剪切应力传输
UDF	用户定义函数
UV	紫外线
UV-A	A型紫外线（315–400 nm）

实验装置描述

Ranjbari等人的研究[47]中详细描述了实验装置。简而言之，实验使用的是一款商用便携式空气净化器（LocknLock型号LHS002KEK），工作模式为批量模式。图1[47]展示了便携式空气净化器的示意图以及基于Ranjbari等人实验研究的完整实验装置。为了确保可重复性，光催化实验进行了两次。

控制方程和模拟设置

质量守恒方程表示为： $\frac{?\rho }{?t}+?\left(\rho \overrightarrow{u}\right)=0$

动量守恒方程（即雷诺平均纳维-斯托克斯方程）见方程2。雷诺应力贡献项表示为： $??\left(\rho {\overrightarrow{u}}^{\prime }{\overrightarrow{u}}^{\prime }\right)$ 应力张量表示为方程3。 $\stackrel{?}{\tau }$$\frac{?}{?t}\left(\rho \overrightarrow{u}\right)+?\left(\rho \overrightarrow{u}\overrightarrow{u}\right)=??p+?\stackrel{?}{\tau }??\left(\rho \overline{u_i^{\prime }}\overline{u_j^{\prime }}\right)$