TiO-,2--ACF復(fù)合材料吸附-光催化去除甲苯的機(jī)理與技術(shù)研究.pdf

1、因室內(nèi)裝修裝飾產(chǎn)生的揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOCs)污染是當(dāng)前我國城市室內(nèi)空氣污染的主要問題。VOCs處理的傳統(tǒng)技術(shù)很多,但這些技術(shù)主要針對(duì)工業(yè)VOCs廢氣；隨著室內(nèi)空氣中VOCs污染的日益嚴(yán)重,人們開始研發(fā)一些更適于室內(nèi)空氣凈化的新技術(shù),這其中吸附-光催化組合技術(shù)成為最具應(yīng)用前景的室內(nèi)VOCs治理技術(shù)之一。甲苯是一種常見的VOCs污染物,室內(nèi)濃度高；其檢測簡便,毒性較低,因此國內(nèi)外研究廣泛。本文選取甲苯為VOCs代表物,研究開發(fā)一種吸附-

2、光催化協(xié)同去除甲苯的新技術(shù)。 本文采用溶液浸漬法將納米TiO2負(fù)載到活性炭纖維(ACF)載體上,制備出TiO2/ACF復(fù)合材料,它是一種新型的具有吸附性能的光催化劑。利用N2等溫吸附、掃描電鏡(SEM)及俄歇電子能譜(AES)對(duì)TiO2/ACF復(fù)合材料進(jìn)行表征。在不同環(huán)境溫度、濕度及氣相苯共存體系下,采用靜態(tài)平衡吸附法研究TiO2/ACF復(fù)合材料對(duì)氣相甲苯的吸附性能,獲得吸附模型參數(shù)。在不同光照強(qiáng)度、環(huán)境濕度及不同溫度條件下,采

3、用污染物預(yù)吸附再光催化降解的方法,在實(shí)驗(yàn)室自制的可控溫控濕的環(huán)境艙中,研究吸附態(tài)甲苯在TiO2/ACF復(fù)合材料上的光催化降解過程,以三種指標(biāo)(光催化去除率、礦化率和降解效率)評(píng)估不同反應(yīng)條件下甲苯的凈化效果,從而揭示各反應(yīng)條件對(duì)吸附態(tài)甲苯光催化降解過程的影響。定性并定量考察甲苯降解過程中間產(chǎn)物在TiO2/ACF復(fù)合材料上的積累情況,建立甲苯及中間產(chǎn)物的光催化降解動(dòng)力學(xué)模型,根據(jù)動(dòng)力學(xué)研究結(jié)果討論甲苯光催化降解的機(jī)理模式。最后,綜合吸附實(shí)

4、驗(yàn)和光催化凈化實(shí)驗(yàn)結(jié)果,評(píng)估TiO2/ACF復(fù)合材料的空氣凈化能力,并從凈化效率角度出發(fā)設(shè)計(jì)提出新的吸附-光催化空氣凈化系統(tǒng)。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明： 納米TiO2以分子簇形式吸附在ACF外表面,不會(huì)阻塞ACF上廣泛分布的微孔。TiO2/ACF復(fù)合材料保持了原始ACF材料的微孔結(jié)構(gòu)特征,同時(shí)也由于TiO2分子簇在ACF外表面的疏松堆積形成了一定數(shù)量的中孔和大孔。 盡管環(huán)境加溫和環(huán)境加濕不改變甲苯在TiO2/ACF復(fù)合材料

5、上的飽和吸附量,但會(huì)導(dǎo)致甲苯吸附常數(shù)(b)下降,這意味著在相同氣相濃度下,甲苯在TiO2/ACF復(fù)合材料上的平衡吸附量減小。當(dāng)體系中有氣相苯共存時(shí),苯和甲苯在TiO2/ACF復(fù)合材料上發(fā)生競爭吸附。較之于苯,環(huán)境濕度的改變對(duì)甲苯的平衡吸附量有影響但不顯著。光催化反應(yīng)體系中,增加光照強(qiáng)度等程度地促進(jìn)了甲苯PCO過程中所有反應(yīng)；增加環(huán)境濕度對(duì)中間產(chǎn)物的去除(甲苯深度礦化)作用大于對(duì)甲苯的去除作用；升高環(huán)境溫度則更有利于提高甲苯的去除速率,而

6、對(duì)中間產(chǎn)物進(jìn)一步降解的促進(jìn)作用較小。 在TiO2/ACF復(fù)合材料上共檢測到5種甲苯光催化降解中間產(chǎn)物,它們分別是：苯甲醇、苯甲醛、苯甲酸、甲酚和2-甲基對(duì)苯醌。苯甲醛是催化劑表面積累最豐富的中間產(chǎn)物,它可能與光催化劑的暫態(tài)失活相關(guān)。甲苯的光催化氧化沿兩條相互競爭的反應(yīng)途徑進(jìn)行：支鏈氧化途徑和苯環(huán)氧化途徑。前者是主要反應(yīng)途徑。反應(yīng)體系中光照強(qiáng)度增大或環(huán)境溫度升高,甲苯支鏈氧化途徑和苯環(huán)氧化途徑均被加強(qiáng),但甲苯的PCO反應(yīng)過程不發(fā)生

7、改變；環(huán)境相對(duì)濕度條件的變化改變了甲苯的PCO反應(yīng)過程,濕度增加對(duì)苯環(huán)氧化途徑增強(qiáng)的趨勢大于對(duì)支鏈氧化途徑的增強(qiáng)。環(huán)境水氣在甲苯的光催化過程中起兩種作用：①生成活性物種·OH;②直接參與到苯甲醛的光催化降解反應(yīng)中。 根據(jù)甲苯及中間產(chǎn)物的定量實(shí)驗(yàn)結(jié)果,建立了甲苯及苯甲醇、苯甲醛兩種中間產(chǎn)物在TiO2/ACF復(fù)合材料上光催化降解的動(dòng)力學(xué)模型。動(dòng)力學(xué)結(jié)果顯示：甲苯、苯甲醇和苯甲醛的光催化降解表觀反應(yīng)速率常數(shù)對(duì)光照強(qiáng)度、環(huán)境水氣濃度有不

8、同的反應(yīng)級(jí)數(shù),說明光生空穴、·OH或H2O在甲苯、苯甲醇和苯甲醛的光催化降解過程中有著不同的作用強(qiáng)度。引發(fā)甲苯氧化的活性物種應(yīng)該不止-種,光生空穴(h+)、羥基自由基(·OH),以及氧氣分子共同參與并實(shí)現(xiàn)了甲苯及中間產(chǎn)物的氧化和礦化。 在PCO過程中,甲苯和中間產(chǎn)物在TiO2和ACF之間存在物質(zhì)交換,交換速率取決于環(huán)境溫度的高低。甲苯和中間產(chǎn)物具有不同的擴(kuò)散模式。擴(kuò)散作用是吸附-光催化協(xié)同效應(yīng)的實(shí)質(zhì)基礎(chǔ)。 環(huán)境溫度和環(huán)境