熊 平*

(成都工業(yè)學(xué)院 教務(wù)處，成都 611730)

由于室內(nèi)裝修大量使用膠合板、細(xì)木工板、中密度纖維板、刨花板等裝飾材料，導(dǎo)致甲醛成為室內(nèi)空氣污染的頭號(hào)殺手，被WHO確定為強(qiáng)致癌和致畸物質(zhì)［1］。據(jù)中國(guó)室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心統(tǒng)計(jì)，每年我國(guó)由于室內(nèi)污染引起的超額死亡數(shù)達(dá)11萬，超額門診數(shù)達(dá)22萬人次，超額急診數(shù)達(dá)430萬人次［2］。如何通過室內(nèi)空氣凈化治理設(shè)備和技術(shù)來提高室內(nèi)空氣質(zhì)量，已成為全社會(huì)關(guān)注的熱點(diǎn)，同時(shí)也成為環(huán)境污染治理研究迫切需要解決的問題。

光催化技術(shù)具有安全環(huán)保、無二次污染的特點(diǎn)，將其用于室內(nèi)空氣治理已成為國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)［3］。國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上已出現(xiàn)大量光觸媒空氣凈化器，如日本東芝公司研制出一種利用放電活化光觸媒技術(shù)的新型除臭器，該技術(shù)提高了家用冰箱所配備的“納米光等離子+O3”的殺菌、除臭功能。英國(guó)的玻璃制造公司Pilkington開發(fā)了一種Pilkington Active的玻璃，這種玻璃涂有一層TiO2為核心的催化劑，用其作為窗玻璃既透光又能利用陽光和雨水自動(dòng)凈化［4］。本研究將吸附材料的良好吸附性能與TiO2光催化活性結(jié)合起來降解室內(nèi)空氣中的甲醛，這方面的研究目前還較少報(bào)道。

1 實(shí)驗(yàn)部分

光催化反應(yīng)是以N型半導(dǎo)體材料TiO2為催化劑，利用紫外光對(duì)其進(jìn)行激發(fā)，吸附在催化劑表面的氧氣和微量水分別被光生電子和空穴還原或氧化為O2-和·OH，這2種物質(zhì)為甲醛的深度氧化提供了高活性氧化劑，氧化過程是經(jīng)過中間產(chǎn)物HCOOH而最終被氧化為CO2和H2O，其過程如下:

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器與試劑

實(shí)驗(yàn)儀器為:GDYK-201S型室內(nèi)空氣現(xiàn)場(chǎng)甲醛測(cè)定儀，空氣試驗(yàn)艙A、B。

實(shí)驗(yàn)試劑為:銳鈦礦型TiO2，活性炭，甲醛(37% ～40%分析純)，固體甲醛試劑、液體甲醛試劑。

1.2 納米TiO2光催化降解空氣中甲醛實(shí)驗(yàn)

1.2.1 實(shí)驗(yàn)方法

依據(jù)QB/T2761—2006《室內(nèi)空氣凈化產(chǎn)品凈化效果測(cè)定方法》，用2個(gè)空氣試驗(yàn)艙(A為空白艙，B為樣品艙)，內(nèi)置甲醛釋放源，測(cè)試納米TiO2光催化降解一定時(shí)間后，空氣試驗(yàn)艙內(nèi)甲醛的濃度。通過對(duì)比A、B艙的甲醛濃度，求得納米TiO2光催化降解反應(yīng)的甲醛去除率。然后每隔一段時(shí)間采樣一次，計(jì)算出不同時(shí)間的甲醛去除率，加以分析比較，得出納米TiO2光催化降解對(duì)甲醛去除率隨時(shí)間變化趨勢(shì)圖。

1.2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

1)空氣試驗(yàn)艙的制作

空氣試驗(yàn)艙為尺寸1.1 m×1.1 m×1.1 m的密閉玻璃艙室，有效容積1 m3，壁、地板、頂板均為厚度8 mm的平板玻璃，頂部開有一直徑為0.6 m的圓形艙門，內(nèi)側(cè)艙門旁粘連一12 W低速可調(diào)風(fēng)扇，艙壁中部開采樣孔，B艙頂部安裝一盞紫外燈(如圖1所示)。

圖1 空氣試驗(yàn)艙

2)甲醛釋放源的配制

用移液管將甲醛(分析純)25 mL移入250 mL容量瓶中，加蒸餾水至刻度線處，得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%的甲醛釋放源。再分別取100 mL甲醛釋放源于兩燒杯中，分別標(biāo)記為A、B，將A燒杯放入A艙，B燒杯放入B艙。

3)納米TiO2的負(fù)載固定化

稱取一定量的納米TiO2溶于水中制成一定濃度的TiO2溶液。將活性炭載體放入其中浸泡18 h，取出放在陰涼處晾干。

4)甲醛濃度的測(cè)定

A、B艙內(nèi)放入配制好的甲醛釋放源，2 h后將經(jīng)過納米TiO2處理的活性炭載體放置于B艙，關(guān)閉艙門，開啟風(fēng)扇和紫外燈。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行至 0.5、1、2、4、6、8、12、24、36 h 時(shí)分別采樣，測(cè)試A、B 艙中甲醛濃度，并計(jì)算甲醛去除率。

圖2 不同形態(tài)活性炭載體的甲醛去除率折線圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 載體對(duì)甲醛去除率的影響

載體不同，對(duì)TiO2光催化能力有較大的影響，主要表現(xiàn)在不同載體對(duì) TiO2、甲醛的吸附能力不同［5］。分別采用活性炭顆粒、活性炭纖維布、5 mm厚度的活性炭過濾網(wǎng)及10 mm厚度的活性炭過濾網(wǎng)作為光催化劑TiO2的載體，研究它們對(duì)甲醛去除效果的影響，如圖2所示，在前12 h內(nèi)，3種活性炭載體均對(duì)甲醛有較好吸附作用，12 h后達(dá)到吸附飽和，甲醛濃度不再變化。3種活性炭載體中，10 mm厚度的活性炭過濾網(wǎng)吸附效果最好，原因是其活性炭的粒徑小，孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)，孔隙分布均勻，比表面積大，活性炭吸附和富集效果好。因此，選擇10 mm厚度的活性炭過濾網(wǎng)作為光催化劑TiO2的載體。

2.2 紫外光波長(zhǎng)對(duì)甲醛去除率的影響

圖3 不同波長(zhǎng)紫外光照射的甲醛去除率折線圖

TiO2是一種N型半導(dǎo)體，它最突出的特征是具有光敏導(dǎo)電性，帶隙能3.2 eV，相當(dāng)于波長(zhǎng)為387.5 nm光子的能量。當(dāng)TiO2受到波長(zhǎng)＜387.5 nm的紫外光照射時(shí)，價(jià)帶上的電子躍遷到導(dǎo)帶上，形成空穴和光激電子，此時(shí)空氣中的氧氣和水蒸氣與之作用便形成了高活性地氧化表面吸附物質(zhì)的自由基·O和·OH，從而將甲醛等有機(jī)物分子降解為 CO2和H2O等無機(jī)小分子物質(zhì)［6-7］。分別在波長(zhǎng)為254、365 nm的紫外光照射以及無紫外光照射的條件下，研究對(duì)甲醛去除效果的影響，如圖3所示，當(dāng)光源的紫外線波長(zhǎng)為365 nm時(shí)，其甲醛去除率明顯高于紫外線波長(zhǎng)為254 nm時(shí)的甲醛去除率，這是因?yàn)樽贤饩€波長(zhǎng)為365 nm時(shí)，光的強(qiáng)度更大，產(chǎn)生的光生電子和空穴更多，催化活性更高，從而提高了TiO2溶液對(duì)甲醛的降解率。

圖4 不同TiO2濃度的甲醛去除率折線圖

2.3 光催化劑TiO2濃度對(duì)甲醛去除率的影響

為考察TiO2負(fù)載量對(duì)甲醛去除效果的影響，分別在TiO2溶液濃度為0%、3%、4%、5%、6%的條件下研究TiO2溶液濃度對(duì)甲醛去除效果的影響，如圖4所示，當(dāng)TiO2溶液的濃度為4%時(shí)，甲醛去除率達(dá)到最高，為93.88%。因?yàn)楫?dāng)TiO2濃度過小時(shí)，載體表面能夠附著的TiO2較少，參與降解反應(yīng)的催化劑量較少，甲醛去除率較低;但TiO2濃度過大時(shí)，TiO2附著量過多，不但會(huì)造成催化劑的浪費(fèi)，而且過量的催化劑將堵塞更多的活性炭孔隙，降低活性炭的吸附能力［8］，還可能對(duì)紫外光產(chǎn)生一定的遮蔽作用，導(dǎo)致光催化效率下降，影響光催化降解反應(yīng)效率。

3 結(jié)語

以活性炭為載體的納米TiO2光催化降解技術(shù)對(duì)室內(nèi)空氣中甲醛具有很好的降解效果，在波長(zhǎng)為365 nm的紫外光照射下，以10 mm厚度的活性炭過濾網(wǎng)為載體，光催化劑TiO2濃度為4%的條件下進(jìn)行光催化降解反應(yīng)，甲醛去除率可達(dá)93.88%。

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