徐艷，徐建平，徐小明，黃亞偉

(1.安徽工程大學(xué) 生物與化學(xué)工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241000;2.江蘇金陵科技集團(tuán)公司，江蘇 南京 210008)

早在2006 年“兩會(huì)”中，建設(shè)節(jié)約型和環(huán)境友好型社會(huì)是與會(huì)代表們議案提案的熱點(diǎn)?？沙掷m(xù)發(fā)展概念漸入人心，環(huán)境污染也成為公眾越來(lái)越關(guān)心的熱門(mén)問(wèn)題。室內(nèi)空氣污染是影響人類生活質(zhì)量和身體健康的最重要的問(wèn)題之一。有研究表明，68%左右的疾病與室內(nèi)空氣污染有關(guān)［1］，而建筑、裝飾裝修和家具造成的室內(nèi)環(huán)境污染成為影響人們健康的一大殺手。其中影響最大的就是甲醛，它是廣泛存在的有毒物質(zhì)，可能存在于大氣、室內(nèi)空氣以及食品中，對(duì)人體健康有負(fù)面的影響，輕度會(huì)感覺(jué)咽喉不適或疼痛，重度會(huì)引起惡心、嘔吐、咳嗽、胸悶、氣喘，甚至導(dǎo)致死亡［2-9］。

光觸媒是一種以納米級(jí)二氧化鈦為代表的具有光催化功能的光半導(dǎo)體材料的總稱，是當(dāng)前國(guó)際上治理室內(nèi)環(huán)境污染的理想材料，它不消耗地球上的能源，是治理環(huán)境中痕量污染物的最佳選擇。光觸媒在388 nm 紫外光的照射下，利用空氣中的氧分子及水分子，產(chǎn)生類似光合作用的光催化反應(yīng)，能產(chǎn)生氧化能力極強(qiáng)的自由羥基和活性氧，可氧化分解各種有機(jī)化合物和部分無(wú)機(jī)物，把有機(jī)污染物分解成無(wú)污染的水和二氧化碳，因而具有極強(qiáng)的殺菌、除臭、防霉、防污自潔、凈化空氣功能。光觸媒的另一個(gè)特性為利用空氣中的氧分子及水分子將所接觸的有機(jī)物轉(zhuǎn)換為二氧化碳和水時(shí)，自身不起變化，理論上可以永久性的使用，維護(hù)費(fèi)用低。同時(shí)，所含二氧化鈦本身無(wú)毒無(wú)害，已廣泛用于食品、醫(yī)藥、化妝品等各種領(lǐng)域［5，10-13］。

本文以甲醛氣體為污染源，通過(guò)自行設(shè)計(jì)的新型甲醛處理裝置進(jìn)行多種實(shí)驗(yàn)研究，考察光觸媒在不同影響因素的情況下降解甲醛的效率，包括光照強(qiáng)度、光觸媒用量、甲醛初始濃度等［14］。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

甲醛溶液(37% ～40%)，分析純;高活性5 nm二氧化鈦;超純水等。

GRI-85XX 壁掛式氣體檢測(cè)芯片;紫外線燈管(8 W 燈管2 只，15 W 燈管1 只);直流橫流風(fēng)扇(葉輪直徑為30 mm，長(zhǎng)度為300 mm)等。

1.2 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

1.2.1 標(biāo)準(zhǔn)甲醛氣體的制備［15］用潔凈干燥的全玻璃注射器作為甲醛的配氣容器，用微量注射器吸取1 ～10 μL 濃甲醛溶液(35% ～40%)，注入密封的且充滿用活性炭柱過(guò)濾后的潔凈空氣、乳頭處用彈性材料密封的50 ～100 mL 玻璃注射器中，均勻加熱玻璃注射器，使注射器內(nèi)的甲醛完全揮發(fā)后冷卻至室溫，此時(shí)玻璃注射器內(nèi)壁有一層水汽凝結(jié)，該層水汽會(huì)吸收已經(jīng)揮發(fā)在氣相中的甲醛，使之濃度不斷降低。馬上將上述含有甲醛的氣體轉(zhuǎn)移至另一支相同體積、潔凈干燥、用彈性材料密封的全玻璃注射器內(nèi)，靜置10 ～20 min 后再次將其轉(zhuǎn)移至第三支相同體積、潔凈干燥、用彈性材料密封的全玻璃注射器內(nèi)，靜置30 ～90 min 后，如玻璃注射器內(nèi)壁仍有水汽，則需繼續(xù)轉(zhuǎn)移，使注射器內(nèi)的氣體干燥且甲醛含量在一定時(shí)間內(nèi)基本保持不變。取適量經(jīng)上述處理后的甲醛氣體用下列四種分析方法之一標(biāo)定后可以作為甲醛儲(chǔ)備氣體，再用活性炭柱過(guò)濾后的潔凈空氣作為稀釋劑，配制成不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)甲醛氣體。

1.2.2 配制不同濃度的光觸媒溶液 用電子天平稱取質(zhì)量分別為7.500，12.500，17.500，22.500 g的二氧化鈦粉末，放入500 mL 的大燒杯中，加蒸餾水不斷攪拌，使二氧化鈦粉充分溶解。將溶液倒入500 mL 的量筒中加水到500 處的刻度線。此時(shí)二氧化鈦溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1.5%，2.5%，3.5%和4.5%。

1.3 質(zhì)量體積濃度與ppm 的換算

式中 X——污染物以每立方米的毫克數(shù)表示的濃度值;

C——污染物以ppm 表示的濃度值(1 ppm=10－6);

M——污染物的分子量。

根據(jù)國(guó)家室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)GBT 18883—2002規(guī)定，甲醛含量的合格標(biāo)準(zhǔn)為0.1 mg/m3，甲醛的分子質(zhì)量為30，換算成ppm 表示的甲醛合格標(biāo)準(zhǔn)為:

1.4 實(shí)驗(yàn)方法

新型甲醛處理裝置(圖1)采用絕緣機(jī)殼，裝置由控制板、中央處理器、傳感器和顯示屏組成的電子元件系統(tǒng)和涂有光觸媒的紫外燈所連接，負(fù)責(zé)接收和處理各項(xiàng)指令。設(shè)定室內(nèi)甲醛的上限值為8.0 ppm，當(dāng)室內(nèi)甲醛的濃度超過(guò)此值時(shí)，傳感器采集到數(shù)據(jù)并發(fā)出報(bào)警信號(hào)，此時(shí)涂抹光觸媒的紫外線燈啟動(dòng)處理甲醛，通過(guò)軸向風(fēng)機(jī)的作用加大室內(nèi)空氣的流通速率，增加室內(nèi)空氣與光觸媒的接觸面積，達(dá)到凈化空氣的目的，保證了室內(nèi)甲醛的濃度在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。

圖1 甲醛處理裝置設(shè)計(jì)圖Fig.1 Formaldehyde treatment device design

圖2 甲醛處理裝置流程圖Fig.2 Flow chart of formaldehyde treatment device

用37% ～40%的甲醛揮發(fā)的蒸汽作為污染源，在甲醛初始濃度為8.0 ppm、二氧化鈦質(zhì)量分?jǐn)?shù)在特定濃度的環(huán)境中，將紫外燈管兩端口包住放入其中浸泡30 min，晾干后通電。通過(guò)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，利用電化學(xué)原理，接收甲醛實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并顯示在甲醛測(cè)定儀器上。

2 結(jié)果與討論

2.1 光照強(qiáng)度對(duì)光觸媒處理甲醛效果的影響

不同光照強(qiáng)度照射下甲醛去除率隨時(shí)間的關(guān)系見(jiàn)圖3。

圖3 光照強(qiáng)度對(duì)光觸媒處理甲醛的影響Fig.3 The effect of illumination intensity on the formaldehyde treatment by photocatalyst

由圖3 可知，隨著光照強(qiáng)度的增加，光觸媒處理室內(nèi)甲醛達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)濃度所需時(shí)間越短，光照強(qiáng)度越強(qiáng)，甲醛的去除率越高。

光觸媒在特定波長(zhǎng)(388 nm)的光照射下，會(huì)產(chǎn)生類似植物中葉綠素光合作用的一系列能量轉(zhuǎn)化過(guò)程，把光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能而賦予光觸媒表面很強(qiáng)的氧化能力，可氧化分解各種有機(jī)化合物和礦化部分無(wú)機(jī)物，并具有抗菌的作用。在光照射下，光觸媒能吸收相當(dāng)于帶隙能量以下的光能，使其表面發(fā)生激勵(lì)而產(chǎn)生電子(e－)和空穴(h+)。這些電子和空穴具有很強(qiáng)的還原和氧化能力，能與水或容存的氧反應(yīng)，產(chǎn)生氫氧根自由基(·OH)和超級(jí)陰氧離子(·O)。不同的光照強(qiáng)度產(chǎn)生的光能不同，因此產(chǎn)生的電子和空穴數(shù)量會(huì)有差異，導(dǎo)致了光觸媒處理甲醛的效率也會(huì)不同。

2.2 甲醛初始濃度對(duì)光觸媒處理甲醛效果的影響

不同初始濃度甲醛去除率隨時(shí)間的關(guān)系見(jiàn)圖4。

圖4 甲醛初始濃度對(duì)光觸媒處理甲醛的影響Fig.4 The effect of the initial concentration on the formaldehyde treatment by photocatalyst

由圖4 可知，甲醛的初始濃度越高，要達(dá)到室內(nèi)甲醛的合格標(biāo)準(zhǔn)，所用的時(shí)間越長(zhǎng)。甲醛初始濃度越高，同樣的時(shí)間去除率越低，即所花費(fèi)的時(shí)間比例越多。從這點(diǎn)來(lái)看，處理裝置應(yīng)該盡可能的在較低的甲醛濃度下就啟動(dòng)。

2.3 光觸媒用量對(duì)甲醛去除效果的影響

不同光觸媒用量時(shí)甲醛去除率隨時(shí)間的關(guān)系見(jiàn)圖5。

圖5 光觸媒用量對(duì)甲醛去除效果的影響Fig.5 The effect of the photocatalyst dosage on the formaldehyde treatment

由圖5 可知，在甲醛初始濃度8.0 ppm 條件下，光觸媒溶液的濃度越高，甲醛去除率越高，達(dá)到甲醛國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)所用的時(shí)間越少。在實(shí)際應(yīng)用中，考慮時(shí)間和成本的因素，可以選擇2.5%的光觸媒濃度。

3 結(jié)論

(1)光照強(qiáng)度對(duì)TiO2光觸媒光催化效應(yīng)有影響，光照越強(qiáng)，光催化效率越高。

(2)甲醛的初始濃度越高，要達(dá)到室內(nèi)甲醛的合格標(biāo)準(zhǔn)，所用的時(shí)間越長(zhǎng)。因此，甲醛處理裝置應(yīng)該盡可能的在較低的甲醛濃度下就啟動(dòng)。

(3)TiO2光觸媒的用量越大，甲醛降解速率越快。在實(shí)際應(yīng)用中，綜合考慮成本和時(shí)間的因素，選擇2.5%的光觸媒濃度為佳。

(4)本設(shè)計(jì)裝置對(duì)室內(nèi)甲醛處理效果理想，可以用于汽車(chē)、KTV、辦公室及室內(nèi)居室等環(huán)境。

［1］ 朱天樂(lè).室內(nèi)空氣污染控制［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2003:1-10.

［2］ 孫瑤毅.甲醛有害氣體治理的研究進(jìn)展［J］.化工科技市場(chǎng)，2004(4):17-20.

［3］ 劉清.甲醛的環(huán)境行為及研究進(jìn)展［J］.環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，1997(2):8-10.

［4］ Ollis D F，Al-Ekabi H. Photocatalytic purification and treatment of water and air［J］.Applied Catalysis B:Environmental，1994(3):N22-N23.

［5］ 蔡健，胡將軍，張雁.改性活性炭纖維對(duì)甲醛吸附性能的研究［J］.環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2004，27(3):16-19.

［6］ Glarborg P，Alzueta M U，Kjrgaard K，et al. Oxidation of formaldehyde and its interaction with nitric oxide in a flow reactor［J］. Combustion and Flame，2003，132 (4):629-638.

［7］ Yoshika S，Atsushi N. Oxidative decomposition of formaldehyde by metal oxides at room temperature［J］. Atmospheric Environment，2002，36:5543-5547.

［8］ 楊學(xué)昌，柯銳，夏天，等. 納米TiO2等離子體放電催化空氣凈化技術(shù)的研究［J］.高壓電器，2004，40(1):3-8.

［9］ 潘慧云，李成杰，張靜.改性納米氧化鋅光催化降解水體甲醛的研究［J］. 應(yīng)用化工，2013，42(7):665-667，669.

［10］王旭輝.儲(chǔ)糧防蟲(chóng)防霉新技術(shù)——光觸媒米袋［J］.糧食儲(chǔ)藏，2000(2):9-16.

［11］齊峰，李福林. 光觸媒治理室內(nèi)空氣污染的實(shí)驗(yàn)研究［J］.化學(xué)工程師，2010(8):44-45.

［12］蔣貞貞，朱俊任，路媛媛.納米二氧化鈦光催化涂料降解甲醛的研究進(jìn)展［J］. 中國(guó)涂料，2009，24(12):20-23.

［13］黃繩紀(jì)，陳城基. 光觸媒在空氣凈化中的應(yīng)用［J］. 廣州化工，2004，32(3):17-19.

［14］ 謝昌平，王曙光，周彩樓，等. TiO2光觸媒降解甲醛影響因素的分析［J］. 天津城市建設(shè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，17(2):132-134.

［15］葛啟仁.甲醛標(biāo)準(zhǔn)氣體的配制方法:CN，1789975［P］.2006-06-21.