載銀活性炭負(fù)載TiO2對甲醛的吸附降解性能研究

段 瓊，付正詳，邱 梅

（四川工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 都江堰 611830）

載銀活性炭負(fù)載TiO2對甲醛的吸附降解性能研究

段 瓊，付正詳，邱 梅

（四川工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 都江堰 611830）

以載銀活性炭顆粒負(fù)載TiO2作催化劑, 在紫外光照射下降解甲醛氣體, 考察了微波特殊場處理、紫外光光強(qiáng)、TiO2負(fù)載量及反應(yīng)時(shí)間等主要因素對甲醛光催化降解率的影響，并考察了催化劑在反復(fù)使用后的失活情況。

甲醛； 光催化；微波；載銀活性炭；TiO2

室內(nèi)空氣污染已經(jīng)成為世界各國廣泛關(guān)注的環(huán)境問題,甲醛是典型的室內(nèi)空氣有機(jī)污染物之一，主要來源于室內(nèi)裝飾裝修材料、家具和涂料等，已經(jīng)被世界衛(wèi)生組織確定為致癌物和致畸物。常用的甲醛去除方法一般為吸附法、涂覆法、光觸媒催化法、化學(xué)噴霧專業(yè)藥劑等，但都有一定的局限性。本文以載銀活性炭（ACF-Ag）為載體[1-4]制備TiO2-ACF-Ag催化劑，研究了催化劑TiO2-ACF-Ag對甲醛吸附與降解性能的影響因素。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料

載銀活性炭，納米二氧化鈦粉末(Deggusa P-25)，甲醛(分析純)。

1.2 TiO2-ACF-Ag催化劑的制備

所用載銀活性炭（粒徑0.15mm）使用前于150℃下活化2h。將一定量的TiO2粉末用少量蒸餾水拌勻，制得TiO2懸浮液。將制得的懸浮液涂抹到ACF-Ag表面，形成薄膜，風(fēng)干10min 后重復(fù)涂抹（約2～3次）得到TiO2- ACF-Ag薄膜。

烘干法:將TiO2-ACF-Ag薄膜于烘箱中在105℃下烘2h后，冷卻至室溫，制得TiO2-ACF-Ag光催化復(fù)合材料，置于干燥器中備用。

微波法:將TiO2- ACF-Ag薄膜在600W的功率下輻射10min制得TiO2-ACF-Ag光催化復(fù)合材料,置于干燥器中備用。

2 結(jié)果與討論

2.1 TiO2負(fù)載量和制備方法對甲醛去除率的影響

2.1.1 烘干法

圖1 TiO2負(fù)載量對烘干樣品甲醛去除率的影響

TiO2負(fù)載在ACF-Ag上勢必會影響ACF-Ag的吸附特性，為了掌握TiO2負(fù)載量對ACF-Ag吸附性能的影響，進(jìn)行了幾組實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖1所示。圖1給出的是烘干法制備時(shí)TiO2負(fù)載量對甲醛去除率的影響。實(shí)驗(yàn)條件為:紫外光源40W，溫度25℃，濕度40%，甲醛初始濃度為80 mg·m-3。由圖1可以看出，復(fù)合材料TiO2-ACF-Ag對甲醛的光催化降解能力隨TiO2的負(fù)載量呈先增大后減小的趨勢，當(dāng)負(fù)載量達(dá)3.5g·g-1時(shí)，其凈化甲醛的能力達(dá)到最大。這主要是由于少量TiO2附著在ACF-Ag上時(shí)，ACF-Ag的物理吸附起主要作用，后隨TiO2量的增多，光催化作用充分發(fā)揮出來；當(dāng)TiO2太多時(shí)，顆粒聚集，既堵塞了ACF-Ag的孔隙，使ACF表面積急劇減小，又因相互間遮光影響光催化效果。實(shí)驗(yàn)得出的最佳負(fù)載量為3.5g·g-1左右，這與之前研究結(jié)果[5]基本吻合。但催化劑的甲醛去除率較之前研究結(jié)果略高，這可能與活性炭載銀的某些特殊性有關(guān)[6]。

2.1.2 微波法制備的TiO2- ACF-Ag催化劑

圖2給出的是微波法制備時(shí)TiO2負(fù)載量對甲醛去除率影響和烘干法制備時(shí)甲醛去除率影響的對比。2種方法實(shí)驗(yàn)條件相同。從微波法的曲線可以看出，TiO2負(fù)載量對甲醛去除率的影響趨勢線與烘干法基本相同，但微波法制備的樣品凈化甲醛能力的最大值出現(xiàn)在4g·g-1左右，比烘干法的負(fù)載量大。同時(shí)，相同負(fù)載量時(shí)，微波法制備的催化劑的甲醛去除率比烘干法催化劑略高，這可能是由于微波特殊場的處理能夠增大活性炭的表面積[7]，從而增大TiO2負(fù)載量，增強(qiáng)吸附作用。以下實(shí)驗(yàn)均為微波法制備的4g(TiO2)/g(ACF-Ag)樣品。

圖2 TiO2負(fù)載量對微波法和烘干法的甲醛去除率的影響對比

2.2 紫外燈強(qiáng)度對甲醛去除率的影響

圖3 光強(qiáng)對甲醛去除率的影響

圖3的實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明，反應(yīng)120min時(shí)開1支（20W）和2只(40W)紫外燈甲醛的去除率分別為90.91%和98.77%，紫外光的增強(qiáng)使催化劑對甲醛的去除率有一定程度的提高，這是因?yàn)楣夥磻?yīng)的活化能來源于光子的能量，光子的吸收與光強(qiáng)成正比，光催化反應(yīng)速率隨光強(qiáng)而增加，入射光源功率越大，光子越強(qiáng)，光催化效率越高。但甲醛的去除率并不隨光強(qiáng)的增加成倍增大，這可能跟催化劑的活性位有關(guān)。以下實(shí)驗(yàn)均開啟2只紫外燈，功率選擇40W。

2.3 反應(yīng)時(shí)間對甲醛去除率的影響

反應(yīng)時(shí)間對甲醛去除率的影響見圖4。由圖4可知, 在反應(yīng)初期甲醛的去除率上升得比較快, 80min時(shí)已達(dá)到92.14%。隨著時(shí)間的延長, 甲醛去除率的上升越來越慢, 120min時(shí)反應(yīng)基本停止, 最終甲醛去除率只能達(dá)到98.77%。究其原因可能是:首先, TiO2的催化反應(yīng)只發(fā)生在與其直接接觸的污染物表面， 在甲醛降解反應(yīng)后期過多反應(yīng)產(chǎn)物會附著在催化劑表面， 阻礙催化劑與甲醛的直接接觸，造成催化劑失活；隨著反應(yīng)的進(jìn)行，活性炭的空隙也會被反應(yīng)產(chǎn)物和水分堵塞，使其對甲醛的吸附聚集作用逐漸減弱。其次， 隨著甲醛濃度的降低， 甲醛從氣相主體向催化劑表面的傳質(zhì)擴(kuò)散和吸附成為控制反應(yīng)進(jìn)程的主要影響因素[8]， 極低濃度的游離甲醛分子很難被TiO2全部吸附到表面， 反應(yīng)無法進(jìn)行到底。

圖4 反應(yīng)時(shí)間對甲醛去除率的影響

2.4 光催化劑的失活與再生

重復(fù)使用次數(shù)對甲醛去除率的影響見圖5。從圖5可以看出，反復(fù)使用5次后，催化劑對甲醛的去除率仍可以達(dá)到82%，保持了較高的催化效果；第6次使用后，催化效果有明顯減弱，甲醛的去除率降到63%。這是由于反應(yīng)副產(chǎn)物、中間產(chǎn)物及最終產(chǎn)物（水和二氧化碳分子）在催化劑表面吸附或積累，封鎖活性位， 阻礙·OH和·O自由基的生成。同時(shí)，光催化氧化反應(yīng)的關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)光生電子和空穴的有效分離，并且遷移至表面的空穴被捕獲生成具有強(qiáng)氧化性的羥基自由基，從而把有機(jī)污染物氧化為CO2和H2O等無害物質(zhì)。因而在光催化甲醛氧化反應(yīng)中，隨著羥基自由基數(shù)量的減少，一定程度上會降低光催化劑活性。

圖5 重復(fù)使用次數(shù)對甲醛去除率的影響

3 結(jié)論

1) 烘干法制備的TiO2-ACF-Ag催化劑擔(dān)載量為3.5g·g-1時(shí)，其凈化甲醛的能力最大，而微波法制備的催化劑擔(dān)載量為4g·g-1左右時(shí)最大。且由于微波特殊場的作用，微波法制備的催化劑去除甲醛的能力略高于烘干法制備的催化劑，故制備催化劑時(shí)，微波法優(yōu)于烘干法。

2)增大紫外光的光強(qiáng)，可以提高甲醛的去除率。當(dāng)反應(yīng)120min后，紫外光從20W增大到40W時(shí)，甲醛去除率增大了8%。

3)隨著反應(yīng)時(shí)間的延長, 甲醛去除率上升幅度逐漸減小，120min達(dá)98.77%后反應(yīng)保持不變,甲醛最終無法被徹底清除。

4)催化劑在連續(xù)使用一段時(shí)間后， 光催化降解甲醛過程中， 會產(chǎn)生催化劑失活現(xiàn)象。重復(fù)使用次數(shù)控制在5次以內(nèi)，對甲醛的去除率不會有明顯的下降。

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Adsorption and Degradation Properties of TiO2-ACF-Ag for Formaldehyde

DUAN Qiong, FU Zheng-xiang, QIU Mei
(Sichuan Technology & Business College, Dujiangyan 61183 0, China)

Adsorption and degradation properties of TiO2-ACF-Ag under UV-light was studied. The main controlling factors which affected the degradation rate of formaldehyde such as the microwave irradiation, the intensity of UV-light, the capacity of TiO2loaded and the reactive time were discussed. Then the deterioration of the catalyst activity after long term of use was obvious.

formaldehyde; photocatalytic; microwave irradiation; activated carbon with silver; titanium dioxide

O 647.32

A

1671-9905(2015)04-0020-03

2015-02-02