TiO2光觸媒降解甲醛影響因素的分析

謝昌平，王曙光，周彩樓，雅 菁，陳 倩

(天津城市建設(shè)學(xué)院 材料科學(xué)與工程系，天津 300384)

TiO2光觸媒降解甲醛影響因素的分析

謝昌平，王曙光，周彩樓，雅 菁，陳 倩

(天津城市建設(shè)學(xué)院 材料科學(xué)與工程系，天津 300384)

以天津城市建設(shè)學(xué)院環(huán)境工程有限公司生產(chǎn)的 TiO2光觸媒來(lái)降解 2%甲醛溶液，研究了TiO2光觸媒降解甲醛的影響因素，包括光觸媒用量、光源種類、光照強(qiáng)度和光催化載體．研究結(jié)果表明：光照強(qiáng)度越高和在紫外燈照射下，降解甲醛效率越高；加大光觸媒用量能加快降解速率；光催化載體對(duì)降解效率沒(méi)有影響．

TiO2光觸媒；甲醛；降解率

在室內(nèi)空氣污染中，甲醛作為主要污染物之一[1]，早已引起人們的關(guān)注．甲醛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．

利用 TiO2光觸媒降解甲醛是降低室內(nèi)空氣污染的有效手段之一，近年來(lái)對(duì)此的研究也比較多．光觸媒材料是一類以二氧化鈦(TiO2)為代表的、具有光催化功能的半導(dǎo)體材料的總稱[2]．光觸媒能有效分解甲醛、苯、氨氣等，將甲醛、苯、氨氣等氣體轉(zhuǎn)化成 H2O和CO2，氧化去除大氣中的氮氧化物、硫化物，以及各類臭氣等，起到空氣凈化作用[3]．

TiO2光觸媒以其優(yōu)異的抗化學(xué)、抗光腐蝕性能等優(yōu)點(diǎn)，成為過(guò)去幾十年來(lái)最重要的光催化劑．當(dāng) TiO2光觸媒在太陽(yáng)光，尤其是在紫外光線的照射下，吸附在TiO2表面的氧氣和水分分別被TiO2產(chǎn)生的電子和空穴還原或氧化為強(qiáng)氧化性基團(tuán)，由此將空氣中的甲醛分解為無(wú)害的CO2和H2O[4]．本文以一定濃度的甲醛溶液為污染源，通過(guò)設(shè)計(jì)多種實(shí)驗(yàn)方案，主要研究了 TiO2光觸媒降解甲醛的影響因素，包括光照強(qiáng)度、光源種類、光觸媒用量和光催化載體．

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)材料包括：TiO2光觸媒溶膠溶液(天津城市建設(shè)學(xué)院環(huán)境工程有限公司生產(chǎn))、甲醛溶液、白紙、黑布、白布、日光燈(15，30,W)和紫外燈(15，30,W)等；實(shí)驗(yàn)設(shè)備有 4160便攜式甲醛檢測(cè)儀、T-QB/T-1.5空氣實(shí)驗(yàn)艙和XAFO274皮帶傳動(dòng)空氣壓縮機(jī)等．

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)前期配制 2%的甲醛溶液作為污染源．兩個(gè)空氣實(shí)驗(yàn)艙 A，B分別作為實(shí)驗(yàn)艙和空白實(shí)驗(yàn)艙．通過(guò)設(shè)計(jì)四組實(shí)驗(yàn)方案，包括改變實(shí)驗(yàn)艙A中的光照強(qiáng)度(日光燈15，30,W)、光源種類(日光燈30,W和紫外燈 30,W)、光觸媒用量(分別將 TiO2光觸媒在基紙上單面噴涂一遍、兩遍、三遍和四遍)和黑白載體(分別將 2,m2的黑布、白布浸泡于 TiO2光觸媒溶液中，完全浸透后，晾干)，來(lái)分別研究四種因素對(duì) TiO2光觸媒降解甲醛的影響．在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，每 1,h用便攜式甲醛檢測(cè)儀測(cè)量一次艙A和B中甲醛的含量，持續(xù)測(cè)量 12,h．

通過(guò)公式n＝(B-A)/B計(jì)算甲醛的降解率(其中A表示實(shí)驗(yàn)艙的甲醛濃度，B表示空白艙的甲醛濃度)，并且利用excel繪制曲線，對(duì)比和分析各因素對(duì) TiO2光觸媒降解甲醛的影響．

2 結(jié)果與討論

2.1 光照強(qiáng)度對(duì)TiO2光觸媒降解甲醛的影響

光照強(qiáng)度對(duì)甲醛降解的影響如圖1所示．由圖1可以看出：在15,W日光燈照射下，甲醛降解率在10,h時(shí)達(dá)到最大值32.80%；30,W日光燈照射時(shí)，甲醛降解在10,h時(shí)已基本完成，降解率達(dá)到了最大值68.81%，即使繼續(xù)降解，降解率也沒(méi)有什么變化；兩個(gè)30,W日光燈照射時(shí)，甲醛降解率同樣在10,h時(shí)達(dá)到了最大值77.85%．由此可知，光照強(qiáng)度影響TiO2光觸媒降解甲醛，隨著光照強(qiáng)度的增加，TiO2光觸媒降解甲醛的效率不斷提高．根據(jù)光觸媒光催化原理，TiO2光觸媒在光照條件下產(chǎn)生羥基自由基，而羥基自由基的壽命很短，只有更多的自由基才能維持TiO2光觸媒對(duì)甲醛的降解，而強(qiáng)的光照能使 TiO2光觸媒產(chǎn)生更多的自由基．所以光照強(qiáng)度越大，光催化效率越高．

圖1 不同光照強(qiáng)度下TiO2光觸媒對(duì)甲醛降解率的影響曲線

2.2 光源種類對(duì)TiO2光觸媒降解甲醛的影響

TiO2光觸媒發(fā)揮光催化作用必須在含紫外成分的光源條件下，最好是紫外光源．用含微弱紫外光成分的光源即可使TiO2光觸媒發(fā)揮作用，如日光、自然光、白熾燈光等都能使其發(fā)揮作用．

光源種類對(duì)甲醛降解的影響如圖 2所示．由圖 2可以看出：紫外光對(duì)甲醛的降解明顯高于普通日光燈；在紫外光照射下，TiO2光觸媒對(duì)甲醛的降解率在 9,h時(shí)達(dá)到了最大值 79.24%，而在日光燈的照射下，甲醛的降解率在7,h時(shí)即達(dá)到了最大值68.81%．光催化有兩個(gè)必要條件，一個(gè)是光，一個(gè)是催化劑，兩者缺一不可．在光催化反應(yīng)中，光的作用只是激發(fā)反應(yīng)和提供反應(yīng)能量．當(dāng)具有大于或等于半導(dǎo)體材料禁帶寬度的能量的光子射入時(shí)，電子從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶，在價(jià)帶留下一個(gè)空穴．電子-空穴對(duì)是在光照的作用下產(chǎn)生的，又稱光生載流子．若要激活催化劑TiO2產(chǎn)生自由電子-空穴對(duì)，就需要克服約3.2,eV的帶隙能量，只有波長(zhǎng)小于380,nm的紫外光才能激發(fā)TiO2產(chǎn)生導(dǎo)帶電子和價(jià)帶空穴．所以紫外燈的光催化效率比日光燈要高．

圖2 日光燈和紫外燈對(duì)TiO2光觸媒降解甲醛的影響曲線

2.3 光觸媒用量對(duì)TiO2光觸媒降解甲醛的影響

光觸媒用量對(duì)甲醛降解的影響如圖3所示．由圖3可以看出：光觸媒用量對(duì)甲醛降解的影響顯著，甲醛的降解率隨著光觸媒含量的增加而增加．根據(jù)實(shí)驗(yàn)記錄，實(shí)驗(yàn)開(kāi)始1,h時(shí)，分別噴了一遍、二遍、三遍、四遍光觸媒的基紙對(duì)甲醛降解，其降解率分別為 20.65%，18.40%，56.70%，64.94%，從數(shù)據(jù)上看，噴一遍和兩遍光觸媒的基紙對(duì)甲醛的降解還沒(méi)有明顯的區(qū)別；而在4,h時(shí)，甲醛的降解率分別為58.56%，61.88%，66.30%，71.27%；隨著TiO2光觸媒的增加，甲醛降解率也呈上升的趨勢(shì)，同樣，在4,h之后的幾個(gè)小時(shí)里，甲醛的降解率也遵循這一規(guī)律．但在實(shí)際應(yīng)用中，光觸媒并非越多越好，并且光觸媒在一定用量下，分散越均勻越好[5]．可是從4條曲線上看，在接近一個(gè)實(shí)驗(yàn)周期12,h時(shí)，四種光觸媒含量的基紙對(duì)甲醛的降解率幾乎是相同的，達(dá)到降解甲醛的效果相同．由此可知：光觸媒用量的增加能提高降解甲醛的速率，并不會(huì)影響降解甲醛的效率．

圖3 不同TiO2光觸媒用量對(duì)甲醛降解率的影響曲線

2.4 黑白載體對(duì)TiO2光觸媒降解甲醛的影響

TiO2光觸媒凈化環(huán)境與污染物反應(yīng)時(shí)，多在常溫下進(jìn)行，反應(yīng)速度慢，因此增大載體的表面積、延長(zhǎng)污染物在光觸媒上的停留時(shí)間是非常重要的因素．目前主要作為光觸媒載體使用的過(guò)濾網(wǎng)為活性炭氈、紙基纖維網(wǎng)、聚氨酯泡棉、玻璃纖維布、蜂窩狀鋁箔、不銹鋼網(wǎng)、蜂窩陶瓷等．但是載體顏色對(duì)TiO2光觸媒降解甲醛沒(méi)有明顯的影響[6]．

黑白載體對(duì)甲醛降解的影響如圖4所示．由圖4可以看出：實(shí)驗(yàn)開(kāi)始到結(jié)束的每個(gè)階段，在兩種顏色載體上的TiO2光觸媒對(duì)甲醛的降解率幾乎相同．TiO2光觸媒是直接對(duì)甲醛進(jìn)行降解，降解的效率與光照提供的光電子能量有密切關(guān)系，而黑白載體的不同并不會(huì)影響光照的強(qiáng)度，所以認(rèn)為載體顏色不會(huì)影響TiO2光觸媒的光催化效應(yīng)．

圖4 TiO2光觸媒在黑白載體下對(duì)甲醛降解率的影響曲線

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．在15，30，2×30,W日光燈照射下，光觸媒對(duì)甲醛降解率最高分別為 32.80%，68.81%，77.85%．

(2)光源種類不同，對(duì)TiO2光觸媒光催化效率不同，紫外光比日光燈的光催化效率高．在紫外光、日光燈照射下，TiO2光觸媒對(duì)甲醛降解率最大值分別為79.24%，68.81%．

(3)TiO2光觸媒的用量越大，甲醛降解速率越高．

(4)光觸媒光催化效率不受所在載體顏色的影響．在黑白載體上，光觸媒對(duì)甲醛的降解率基本相同．

［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］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.

［3］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．

［4］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.

［5］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.

［6］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.

Influencing Factors of TiO2Photo-catalytic Degrading Formaldehyde

XIE Chang-ping，WANG Shu-guang，ZHOU Cai-lou，YA Jing，CHEN Qian
(Department of Materials Science and Engineering，TIUC，Tianjin 300384，China)

This paper studies the influencing factors of TiO2photo-catalytic degrading formaldehyde，including catalyst dosage，light types，light intensity and photo-catalytic carriers by degrading the 2% formaldehyde solution with the TiO2photo-catalytic produced by Environmental Engineering Company of Tianjin Institute of Urban Construction. The results show that the higher the illumination intensity and lighting by the ultraviolet lamp，the higher the efficiency of degradation formaldehyde could be；increasing the dosage of TiO2photo-catalytic can speed up degradation rates；photo-catalytic carriers have no effect on degradation efficiency.

TiO2photo-catalytic；formaldehyde；degradation rate

X51

A

1006-6853(2011)02-0132-03

2011-01-11；

2011-03-24

謝昌平（1988—），男，江西撫州人，天津城市建設(shè)學(xué)院碩士生．