劉 榮，沈鑫宇，楊錫紅，徐悅清，韓 燕，高 鵬，閆肖雅

(1. 南京師范大學(xué) 環(huán)境學(xué)院，江蘇省物質(zhì)循環(huán)與污染控制重點實驗室，江蘇省地理信息資源開發(fā)與利用協(xié)同創(chuàng)新中心，南京210023；2. 南京凈環(huán)熱冶金工程有限公司，南京 211134； 3. 生態(tài)環(huán)境部南京環(huán)境科學(xué)研究所，南京 210042)

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟建設(shè)發(fā)展，各種新型建材被運用于室內(nèi)裝修，但隨著而來的室內(nèi)環(huán)境污染問題也不可忽視。室內(nèi)環(huán)境污染主要是由室內(nèi)空氣中存在的多種揮發(fā)性有機污染物(VOCs)引起的。它們主要來源于室內(nèi)裝修所使用的油漆、涂料、人造板材、地毯等裝修材料，例如甲醛、甲苯等[1]。其中甲醛是是室內(nèi)空氣污染中具有代表性的化學(xué)物質(zhì)[2-4]。甲醛是一種無色伴有刺激性氣味兒的有毒有害氣體。長期處在一定濃度的甲醛氣體中會對人體健康造成相當(dāng)大的危害，如嗅覺異常、刺激眼睛、皮膚過敏、肺功能和肝功能異常，嚴(yán)重的還會致畸致癌[5～8]。

甲醛的去除方法有吸附法、化學(xué)吸收法、生物法、臭氧氧化法和光催化法等。在上述去除方法中，光催化法在光照條件下即可將甲醛轉(zhuǎn)化為無毒無害的CO2和H2O，優(yōu)勢較為明顯，具有良好的發(fā)展前景。

二氧化鈦作為光催化材料因其無毒、降解速度快、范圍廣、光化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)異性能被廣泛運用于光催化領(lǐng)域[9～10]。

高爐渣是冶煉生鐵時從高爐中排出的一種廢渣。它是由鐵礦石中的脈石、燃料中的灰分和溶劑(一般是石灰石)中的非揮發(fā)組分形成的固體廢物。含鈦高爐渣是某些鋼鐵企業(yè)用釩鈦磁鐵礦作為高爐煉鐵原料，在冶煉過程產(chǎn)生的含有一定量TiO2的廢渣。TiO2含量低于10%的高爐渣稱為低鈦渣，TiO2含量在10%～15%的高爐渣稱為中鈦渣，TiO2含量在22%左右的高爐渣稱為高鈦渣。我國攀鋼集團有限公司利用攀西地區(qū)儲量豐富的釩鈦磁鐵礦作為煉鐵原料，經(jīng)高爐煉鐵后，生成的高爐渣TiO2含量高達21%～23%，屬于高鈦渣。目前，攀鋼含鈦高爐渣的堆積已接近7 000萬噸，造成了資源浪費和環(huán)境污染問題的日益嚴(yán)重[11]。

本文以攀鋼產(chǎn)的高鈦渣為原料制備高鈦渣基礦渣棉，借助XRD、XRF、SEM和熒光分析和拉曼分析對甲醛進行光催化的實驗分析研究其對甲醛的光催化降解機理及性能，為高鈦渣的資源化利用以及裝修及建材行業(yè)對新型環(huán)保材料的需求提供新的參考。

1 實驗材料及試劑

(1)原料：高鈦渣基礦渣棉(產(chǎn)自攀鋼的含鈦高爐渣經(jīng)過噴吹制成)。

(2)本實驗所采用的試劑：硫酸、鹽酸、氫氧化鈉、甲醛溶液、硫酸鐵銨、酚試劑均為AR級。

(3)實驗儀器：

X射線衍射分析儀(D/max2500/PC)日本理學(xué)公司；

高分辨率掃描電子顯微鏡(JSM-5610LV)日本電子光學(xué)實驗室；

X射線熒光光譜儀(PFX-231)美國賽默飛世爾科技公司；

紫外可見分光光度儀(UV-1100)上海美譜達儀器有限公司；

總有機碳/總氮分析儀(Multi N/C 3100)德國耶拿分析儀器股份公司；

傅里葉變換拉曼光譜儀(RAM II) 德國布魯克儀器有限公司。

光催化反應(yīng)裝置(自制)

2 實驗方法

2.1 高鈦渣基礦渣棉樣品表征

為了探究高鈦渣基礦渣棉的整體性能，為高鈦渣基礦渣棉的資源化利用提供參考依據(jù)，主要對高鈦渣基礦渣棉樣品進行分析。借助XRD、SEM、XRF、熒光分析和拉曼表征方法對高鈦渣基礦渣棉樣品的物相組成、微觀形貌和光學(xué)性質(zhì)進行分析。

2.2 高鈦渣基礦渣棉對甲醛的光催化降解實驗方法

光催化實驗主要考察高鈦渣基礦渣棉投加量、甲醛溶液初始濃度、紫外光強度和光源種類不同對甲醛光催化降解能力的影響。其中甲醛溶液初始濃度的設(shè)定參考有關(guān)光催化降解甲醛溶液實驗的研究成果[12-14]。

光催化實驗采用甲醛溶液作為反應(yīng)物，在密閉的空間下進行。取一定量高鈦渣基礦渣棉置于石英玻璃瓶中，加入400 ml一定濃度的甲醛溶液，在室溫條件下接通紫外光源進行反應(yīng)，通過磁力攪拌維持高鈦渣基礦渣棉在甲醛溶液中的懸浮狀態(tài)。反應(yīng)總時間為5 h，每隔1 h取一次樣，測試甲醛濃度并計算去除率。進行光催化實驗之前，在遮光條件下攪拌反應(yīng)溶液直到反應(yīng)溶液濃度不再變化，并測定其濃度作為反應(yīng)前甲醛溶液的初始濃度。此外，為排除高鈦渣基礦渣棉對甲醛的吸附造成對光催化實驗的影響，設(shè)置一組空白對照實驗與光催化實驗同時進行，除無光照之外，高鈦渣基礦渣棉投加量，甲醛溶液的濃度、體積，反應(yīng)總時間，取樣時間以及甲醛濃度的測試方法均與光催化實驗一致。光催化降解實驗與空白對照實驗結(jié)果的差值即為高鈦渣基礦渣棉對甲醛的光催化降解率。實驗裝置如圖1。

圖1 光催化反應(yīng)裝置Fig 1 Photocatalytic reaction unit

3 結(jié)果與討論

3.1 高鈦渣基礦渣棉樣品表征

3.1.1 XRD分析

結(jié)果如圖2[15]、圖3。

圖2 高鈦渣XRD圖譜Fig 2 XRD pattern of high titanium slag

圖3 高鈦渣基礦渣棉XRD圖譜Fig 3 XRD pattern of high titanium slag based slag cotton

從圖2可以出高鈦渣的物相組成主要是鈣鈦礦，其次是攀鈦透輝石、富鈦透輝石和鎂鋁尖晶石[15]。而圖3中高鈦渣基礦渣棉的物相中只有少部分的鈣鈦礦。這是因為高鈦渣基礦渣棉是將高鈦渣高溫熔融，經(jīng)壓縮空氣噴吹至纖維狀，屬于熔融高鈦渣的急冷制品。制備過程中沒有足夠的礦相析晶時間，致使大量的礦相組織處于無定型的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，故所制得的高鈦渣基礦渣棉在XRD的表征分析中，只出現(xiàn)少量鈣鈦礦的XRD衍射峰。

3.1.2 拉曼分析

由于高鈦渣基礦渣棉的XRD圖譜中只出現(xiàn)了部分鈣鈦礦的衍射峰，為探究高鈦渣基礦渣棉中的其他組分的物相組成，對其進行了拉曼分析。結(jié)果如圖4。

圖4 高鈦渣基礦渣棉拉曼譜圖Fig 4 Raman atlas of high titanium slag based slag cotton

分析圖4看出，圖中并未發(fā)現(xiàn)金紅石(237、443、607 cm-1)、銳鈦礦(146、399、516 cm-1和640 cm-1)礦型的拉曼振動峰，但是在809 cm-1處出現(xiàn)了比較強的吸收峰為鈣鈦礦結(jié)構(gòu)中氧八面體全對稱伸縮振動峰[16]。在324 cm-1處為鎂鋁尖晶石的振動峰；1 325 cm-1處的吸收峰與Fe2O3中Fe-O振動有關(guān)，1416 cm-1的振動峰歸屬于攀鈦透輝石中Ca-Ti-Si-O振動有關(guān)。經(jīng)拉曼光譜分析，進一步說明高鈦渣基礦渣棉的主要礦相組成與原始鈦渣的類似，其中鈣鈦礦相的結(jié)晶度較好。

3.1.3 SEM分析

結(jié)果如圖5所示。從圖中可以看出高鈦渣基礦渣棉的形態(tài)較完整，整體呈圓柱狀結(jié)構(gòu)，表面較光滑，無明顯缺陷。單根纖維的直徑大小不一，有粗有細，有些纖維上還黏附著渣球。

圖5 高鈦渣基礦渣棉的表面微觀形貌Fig 5 Surface microstructure of high titanium slag based slag cotton

將高鈦渣基礦渣棉在SEM下放大8 000倍，借助SEM中的標(biāo)尺對高鈦渣基礦渣棉的直徑進行測量，結(jié)果如圖6所示。從圖中可以得出纖維的直徑較小，平均直徑為0.93 μm，符合國標(biāo)GB/T11835—2007《絕熱用巖棉、礦渣棉及其制品》中纖維直徑<7 μm的規(guī)定。

圖6 高鈦渣基礦渣棉的直徑測量Fig 6 Diameter measurement of high titanium slag based slag wool

3.1.4 熒光分析

結(jié)果如圖3～6所示。

從圖中可以得出：高鈦渣基礦渣棉在510 nm附近具有特征峰。Koji Iijima等[17]研究發(fā)現(xiàn)，氧空位對TiO2的光學(xué)性能具有影響，510 nm左右的位置恰好會產(chǎn)生一個寬的發(fā)光帶。通過高斯型能帶去模擬這個發(fā)光帶，他們發(fā)現(xiàn)其能帶主要是自發(fā)捕獲的電子-空穴對的復(fù)合產(chǎn)生。圖7所呈現(xiàn)的峰型與

圖7 高鈦渣基礦渣棉熒光譜圖Fig 7 Fluorescent spectrogram of high titanium slag based slag cotton

KojiIijima等人的研究成果相吻合。說明該峰是因氧空位引起的自發(fā)捕獲的電子-空穴對的復(fù)合，間接證明了高鈦渣基礦渣棉在254 nm的紫外光激發(fā)下能產(chǎn)生電子-空穴對。

3.1.5 XRF分析

結(jié)果如表1所示。

從表1可以看出高鈦渣及其高鈦渣基礦渣棉的主要元素為Ca、Ti、Si、Al、Fe和Mg，其相應(yīng)氧化物百分含量也在4%以上。其中Ti元素的百分含量達19.78%，TiO2的百分含量達32.99%。與原始含鈦高爐渣相比，對應(yīng)高鈦渣基礦渣棉中的Ti元素及相應(yīng)TiO2相對百分含量有所升高，我們認為是因高鈦渣經(jīng)高溫熔融噴吹制礦渣棉過程中，部分高熔點元素及其物相組成未熔融留存于渣球中，或者有些低熔點物相在高溫熔融階段升華分解所致。由XRF結(jié)果得出，將高鈦渣經(jīng)高溫熔融噴吹改性處理方法有利于高鈦渣中Ti組分的富集。

表1 高鈦渣及其礦渣棉的主要元素及氧化物的百分含量

3.2 高鈦渣基礦渣棉對甲醛的光催化降解

3.2.1 礦渣棉投加量的影響

稱取0.5、1.0、1.5 g高鈦渣基礦渣棉，分別置于裝有400 mL濃度為8.0 μg/L甲醛溶液的石英玻璃瓶和細口棕色瓶中，通過磁力攪拌維持高鈦渣基礦渣棉在甲醛溶液中的懸浮狀態(tài)。石英玻璃瓶兩側(cè)分別設(shè)置5根規(guī)格為15 W，波長254 nm的紫外燈管。光催化實驗時同時打開10根紫外燈管，相對應(yīng)的紫外光強度為2.5 mW/cm2?？瞻讓φ諏嶒炘谡诠鈼l件下進行。反應(yīng)總時間為5 h，每隔1 h取一次樣，測試甲醛濃度并計算去除率。實驗結(jié)果如圖8所示。

圖8 礦渣棉投加量的影響Fig 8 Effect of slag cotton dosage

從圖中可以看出：隨著高鈦渣基礦渣棉投加量的增加，甲醛的吸附去除率隨之增加；總?cè)コ蕜t呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，故光催化降解率也呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。當(dāng)高鈦渣基礦渣棉的投加量為1.0 g時，光催化降解率為8.96%。這是因為：空白對照實驗中，甲醛的去除依靠高鈦渣基礦渣棉對其的吸附作用。當(dāng)甲醛濃度一定時，增加高鈦渣基礦渣棉投加量可以提供更多的吸附點位，溶液中更多的甲醛分子可以被吸附，所以甲醛的吸附去除率上升。光催化實驗中，根據(jù)光催化機理分析可知：甲醛的光催化降解與催化劑產(chǎn)生的電子、空穴數(shù)量相關(guān)，即與高鈦渣基礦渣棉的投加量有關(guān)。當(dāng)光照強度一定時，光源發(fā)出的光子能量一定，當(dāng)高鈦渣基礦渣棉的投加量較少時，其能產(chǎn)生電子-空穴對的數(shù)量較少，光子的利用率低，光能無法被完全轉(zhuǎn)化為化學(xué)能[18]，適當(dāng)增加高鈦渣基礦渣棉的投加量，能產(chǎn)生更多的電子-空穴對，提高光子能量的利用率，從而有利于提高對甲醛的光催化降解率；當(dāng)高鈦渣基礦渣棉的投加量大于1.0 g時，因過量懸浮于甲醛溶液中的高鈦渣基礦渣棉遮蔽部分的紫外光，使得高鈦渣基礦渣棉對紫外光的屏蔽作用增強，造成光子能量利用率降低，從而出現(xiàn)高鈦渣基礦渣棉對甲醛的光催化降解率降低現(xiàn)象。因此后續(xù)實驗高鈦渣基礦渣棉的投加量選用1.0 g。

3.2.2 溶液初始濃度的影響

稱取1.0 g高鈦渣基礦渣棉，改變甲醛溶液的濃度，分別為400 mL的1.5、3.0、6.0、8.0、12.0 μg/L甲醛溶液，其余條件不變。實驗結(jié)果如圖9所示。

圖9 溶液初始濃度的影響Fig 9 The initial concentration of the solution

從圖中可以看出：甲醛的吸附去除率和總?cè)コ示S溶液初始濃度的增加呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。當(dāng)溶液的初始濃度為8.0 μg/L時，光催化降解率為8.96%，光催化降解率達到最佳。這是因為：空白對照實驗中，甲醛的去除依靠高鈦渣基礦渣棉對其的吸附作用。隨著甲醛濃度的增加，甲醛分子可以很好的和高鈦渣基礦渣棉接觸反應(yīng)，所以甲醛的吸附去除率隨之增加。當(dāng)溶液初始濃度>8.0 μg/L時，甲醛分子含量較大，在相同高鈦渣基礦渣棉投加量下，導(dǎo)致高鈦渣基礦渣棉有限的吸附點位無法將其完全吸附，所以造成甲醛的吸附去除率下降。光催化實驗中，隨著甲醛濃度的增加，甲醛分子可以很好地和高鈦渣基礦渣棉接觸反應(yīng)，單位面積上能催化的甲醛分子量增加，所以甲醛的光催化降解率增加。當(dāng)溶液初始濃度過大時，甲醛分子含量隨之增加，在相同高鈦渣基礦渣棉投加量下，造成有的甲醛分子無法與催化劑充分接觸反應(yīng)，導(dǎo)致光催化效果下降。此外，甲醛光催化分解產(chǎn)物如H2O和CO2以及中間產(chǎn)物酸容易吸附在高鈦渣基礦渣棉表面占據(jù)有效吸附、光催化反應(yīng)點位。使得溶液中剩余的甲醛分子不能被光催化降解。因此，后續(xù)實驗甲醛溶液的濃度選用為8.0 μg/L。

3.2.3 紫外光強度的影響

稱取1.0 g高鈦渣基礦渣棉，分別置于裝有400 mL濃度為8.0 μg/L甲醛溶液的石英玻璃瓶和細口棕色瓶中。石英玻璃瓶兩側(cè)分別設(shè)置1、2、3、4、5、6根規(guī)格為15 W，波長254 nm的紫外燈管。光催化實驗時分別打開2、4、6、8、10、12根紫外燈管，相對應(yīng)的紫外光強度分別為0.5、1.0、1.5、2、2.5、3.0 mW/cm2。其余條件不變。實驗結(jié)果如圖10所示。

圖10 紫外光強度的影響Fig 10 The effect of ultraviolet light intensity

從圖中可以看出：甲醛的吸附去除率維持在14.65%左右，基本不變。甲醛的總?cè)コ孰S著紫外光強度的增加，呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。在紫外光強度等于2.5 mW/cm2時，甲醛的總?cè)コ蕿?3.61%，達到最大。故當(dāng)紫外光強度等于2.5 mW/cm2時，光催化降解率最佳，達到8.96%。這是因為：空白對照實驗中，高鈦渣基礦渣棉投加量和甲醛溶液的初始濃度在實驗過程中均不改變。且實驗在遮光條件下進行，不受外界光源的影響，所以甲醛的吸附去除率基本不變。光催化降解實驗中，隨著紫外光強度的增加，高鈦渣基礦渣棉接受到的光子能量越來越多，促使其產(chǎn)生的光生電子和光生空穴也越來越多，使其對甲醛的催化氧化能力得到提高，所以光催化降解率逐漸上升。但是，實驗所用的石英玻璃瓶的空間有限，當(dāng)紫外光強度過高時，大量的光生電子和光生空穴在高鈦渣基礦渣棉的表面或內(nèi)部來不及與甲醛分子反應(yīng)就重新復(fù)合，從而造成了光催化效果的下降。因此，在本實驗中，對濃度為8.0 μg/L的甲醛溶液最佳紫外光強度為2.5 mW/cm2。

3.2.4 不同光源的影響

光子能量大小決定了光催化劑能否產(chǎn)生大量的電子-空穴對，從而決定了光催化劑對有機物的光催化降解率。光子能量按式(1)計算[19]。

(1)

其中：E為光子能量，J；h為普朗克常數(shù)，6.63×10-34J·s；c為光速，3×108m/s；λ為光的波長，nm。

通過3.2.3實驗結(jié)果可以得出：當(dāng)高鈦渣基礦渣棉為1.0 g，紫外光強度為2.5 mW/cm2的條件下，對400 mL濃度為8.0 μg/L甲醛溶液的光催化降解能力最好，因此采用該質(zhì)量的高鈦渣基礦渣棉在光照強度、溶液初始濃度以及反應(yīng)時間等不變的條件下，通過改變光源來考察高鈦渣基礦渣棉對甲醛的光催化降解能力。其中光源分別選擇2根規(guī)格為75 W，波長600 nm的H型熒光管和10根規(guī)格為15 W，波長為254 nm的紫外燈管，相應(yīng)的光照強度均為2.5 mW/cm2。根據(jù)光譜的分類可知，波長為600 nm的光，屬于可見光(400～760 nm)的范圍。H型熒光管和紫外燈管均在石英玻璃瓶兩側(cè)對稱設(shè)置。實驗結(jié)果如圖11所示。

圖11 不同光源對甲醛去除的影響Fig 11 Influence of different light sources on formaldehyde removal

從圖中可以看出，在遮光條件下甲醛的吸附去除率為14.65%；在可見光照射下，甲醛的總?cè)コ蕿?6.23%，光催化降解率為1.58%；在紫外光照射下，甲醛的總?cè)コ蕿?3.61%，光催化降解率為8.96%。這是因為：空白對照實驗中，高鈦渣基礦渣棉投加量和甲醛溶液的初始濃度在實驗過程中均不改變。且實驗在遮光條件下進行，不受外界光源的影響，所以甲醛的吸附去除率維持在14.65%。根據(jù)式(1)可知，光子能量與光源的波長成反比關(guān)系，即光源波長越長，光子能量越小。光催化實驗中，可見光的波長為600 nm，攜帶的光子能量較小。當(dāng)接受可見光照射時，光能無法促使高鈦渣基礦渣棉表面激發(fā)產(chǎn)生大量的電子-空穴對，所以，高鈦渣基礦渣棉對甲醛的光催化降解能力很弱，甲醛的去除主要依靠高鈦渣基礦渣棉的物理吸附能力；而實驗使用的紫外光波長為254 nm，攜帶的光子能量大。當(dāng)接收紫外光照射時，光能可以有效促使高鈦渣基礦渣棉表面激發(fā)產(chǎn)生大量的電子-空穴對，所以高鈦渣基礦渣棉對甲醛的光催化降解率上升，光催化降解能力提高。由此可見，高鈦渣基礦渣棉在紫外光照射下對甲醛的光催化降解能力更好。

3.3 高鈦渣基礦渣棉光催化機理探討

光催化降解原理。

1：光生電子-空穴對的生成；2：電子-空穴在半導(dǎo)體內(nèi)重新結(jié)合；3：電子-空穴遷移到表面再重新結(jié)合；4和5：電子和空穴在表面與物質(zhì)發(fā)生氧化還原反應(yīng)圖12 光催化過程的基本步驟Fig 12 Basic steps of photocatalytic process

光催化反應(yīng)是指光催化劑吸收外界輻射光能激發(fā)生成光生電子(e-)和空穴(h+)，進而與吸附在光催化劑表面上的物質(zhì)發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng)的過程。如圖12所示，半導(dǎo)體材料具有能帶結(jié)構(gòu)，其能帶由填滿電子的低能價帶(valence band，VB)和空的高能導(dǎo)帶(conduction band，CB)構(gòu)成，價帶和導(dǎo)帶之間存在禁帶(Eg)。當(dāng)能量大于禁帶寬度的光照射到半導(dǎo)體表面時，價帶上的電子被激發(fā)，越過禁帶進入導(dǎo)帶，同時在價帶上產(chǎn)生相應(yīng)的空穴。在電場作用下電子和空穴分離遷移至半導(dǎo)體表面，與半導(dǎo)體表面的溶解氧和水發(fā)生反應(yīng)，生成具有高活性的自由基(·OH)，自由基可與有機物發(fā)生反應(yīng)，斷裂其化學(xué)鍵，最終將有機物分解為CO2和H2O。達到光催化降解有機物的效果[20]。以TiO2作為光催化劑為例，光催化反應(yīng)機理如圖12所示。整個反應(yīng)過程由以下步驟組成：

光生電子-空穴的產(chǎn)生：

TiO2+hv→TiO2(e-+h+)

(2)

光生電子-空穴的氧化還原反應(yīng)生成自由基：

H2O?H++OH-

(3)

h++OH-→·OH

(4)

h++H2O→·OH+H+

(5)

(6)

(7)

2H2O·→H2O2+O2

(8)

(9)

H2O2+h+→2·OH

(10)

光生電子和光生空穴復(fù)合放熱：

e-+h+→heat

(11)

直接或間接氧化還原有機物：

·OH+O2+organ→CO2+H2O+其他產(chǎn)物

(12)

h++organ→CO2+H2O+其他產(chǎn)物

(13)

結(jié)合3.2.3的實驗結(jié)果可知，高鈦渣基礦渣棉對甲醛具有光催化降解性能，而去除甲醛的最終目的是將其氧化成CO2，因此對光催化反應(yīng)前、后的甲醛溶液進行總有機碳(TOC)濃度測試，研究被去除的甲醛能否氧化成CO2和H2O。

采用1.0 g高鈦渣基礦渣棉對400 ml的甲醛溶液進行實驗，測試在2.5 mW/cm2紫外光照射下，甲醛溶液初始濃度分別為8.0 μg/L、12.0 μg/L時反應(yīng)前后的TOC濃度，同時測試在0.5 mW/cm2紫外光照射下，甲醛溶液初始濃度為8.0 μg/L時反應(yīng)前后的TOC濃度。TOC濃度采用德國耶拿公司Multi N/C 3100型總有機碳/總氮分析儀進行測試。實驗結(jié)果分別如圖13、14所示。

圖13 不同濃度甲醛溶液反應(yīng)前后TOC的濃度Fig 13 The concentration of TOC before and after the reaction of formaldehyde solution with different concentration

從圖13中可以看出，當(dāng)甲醛溶液初始濃度為8.0 μg/L時，光催化反應(yīng)前，甲醛溶液中TOC濃度為3.3 μg/L，光催化反應(yīng)后，甲醛溶液中TOC濃度為3.0 μg/L，TOC去除率為9.09%。當(dāng)甲醛溶液初始濃度為12.0 μg/L時，光催化反應(yīng)前，甲醛溶液中TOC濃度為4.9 μg/L，光催化反應(yīng)后，甲醛溶液中TOC濃度為4.85 μg/L，TOC去除率為1.02%。TOC去除率與3.2.2中光催化降解率實驗結(jié)果基本符合。

從圖14中可以看出，當(dāng)紫外光強度為0.5 mW/cm2時，光催化反應(yīng)前，甲醛溶液中TOC濃度為3.4 μg/L，光催化反應(yīng)后，甲醛溶液中TOC濃度為3.3 μg/L，TOC去除率為2.94%。TOC去除率與3.2.3光催化降解率實驗結(jié)果基本符合。

圖14 0.5 mW/cm2紫外光照射前后甲醛溶液中TOC的濃度Fig 14 TOC concentration in formaldehyde solu-tion before and after UV irradiation of 0.5 mW/cm2

甲醛溶液中TOC濃度的下降，說明在光催化反應(yīng)過程中，甲醛可以經(jīng)過光催化降解最終氧化成CO2和H2O，從而達到光催化降解甲醛的目的。

經(jīng)XRD表征分析推斷，高鈦渣基礦渣棉中含有CaTiO3礦相，有研究表明，CaTiO3在紫外-可見光的激發(fā)下能產(chǎn)生電子-空穴對[21-22]，具有光催化降解特性。主要反應(yīng)如下[23]：

CaTiO3+hv→e-+h+

(14)

h++H2O→·OH+H+

(15)

(16)

HCHO+·OH→·CHO+H2O

(17)

·CHO+·OH→HCOOH

(18)

(19)

(20)

(21)

綜合以上分析可知，甲醛濃度的降低，不僅是高鈦渣基礦渣棉的物理吸附作用，還有高鈦渣基礦渣棉在紫外光照射下對甲醛進行的光催化降解作用。

4 結(jié) 論

高鈦渣基礦渣棉對甲醛溶液具有一定的光催化降解能力。

(1)實驗結(jié)果表明，在室溫條件下，高鈦渣基礦渣棉為1.0 g，紫外光強度為2.5 mW/cm2時對400 ml濃度為8.0 μg/L甲醛溶液的光催化降解能力最好，甲醛的總?cè)コ蕿?3.61%，光催化降解率為8.96%，占總?cè)コ实?7.84%。