光催化技術(shù)凈化甲醛的效果研究

俞圣哲

摘 要：人們生活品質(zhì)的提高，對于家居有了新的要求，那就是無毒無害，但現(xiàn)實(shí)中未能解決有害氣體的散發(fā)。通過密閉房間內(nèi)利用光觸媒設(shè)備對有害有機(jī)物氣體的消除測試闡述了在低濃度狀況下除VOCs的有效性；對于不同基材負(fù)載的光觸媒板在相同條件下去除低濃度甲醛氣體的動態(tài)模擬測試的比較，進(jìn)一步的得出基材的選擇對于光催化去除甲醛能力的影響。

關(guān)鍵詞：光催化；TiO2；負(fù)載；去除率

中圖分類號：X511 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）22-0005-03

隨著生活生平的提高，人們更多的關(guān)注健康，很多專業(yè)術(shù)語也被認(rèn)知，比如PM2.5，PM10，空氣污染指數(shù)等等。一天當(dāng)中大部分時(shí)間在室內(nèi)度過，因此室內(nèi)空氣的好壞直接影響著我們，尤其是各式各樣的新家具用品和裝修涂料時(shí)時(shí)刻刻釋放出有毒有害的污染物讓我們的身體處在危害當(dāng)中。

在室內(nèi)空氣污染物中，揮發(fā)性有機(jī)化合物VOCs來源廣泛且對人體健康影響較大，研究認(rèn)為，室內(nèi)TVOC濃度大于0.2mg/m3時(shí)，人體會有輕微不適的感覺，TVOC濃度上升到25mg/m3以上時(shí)就容易出現(xiàn)頭痛等中毒癥狀[1]。

2002年我國制定并實(shí)施了GB/T18883.2002《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，這部標(biāo)準(zhǔn)引入室內(nèi)空氣質(zhì)量概念，明確提出“室內(nèi)空氣應(yīng)無毒、無害、無異常嗅味”的要求。其中規(guī)定的控制項(xiàng)目包括化學(xué)性、物理性、生物性和放射性污染。規(guī)定控制的化學(xué)性污染物質(zhì)不僅包括人們熟悉的甲醛、苯、氨、氧等污染物質(zhì)，還有可吸入顆粒物、二氧化碳、二氧化硫等13項(xiàng)化學(xué)性污染物質(zhì)。

目前，室內(nèi)空氣污染物的控制途徑分為：污染源頭控制以及末端治理。使用環(huán)保型材料能有效的從源頭減少污染物，但是由于成本和售價(jià)的昂貴普通百姓無法承受，通常會選用末端治理的方法來改善空氣質(zhì)量?，F(xiàn)有末端治理技術(shù)包括過濾技術(shù)、靜電除塵技術(shù)、吸附凈化技術(shù)、低溫等離子體技術(shù)、光催化技術(shù)和組合技術(shù)等。通常我們常見的方法有吸附型的比如活性炭包；過濾和吸附相結(jié)合的有空氣凈化器；以及可直接噴灑于墻體表面去除甲醛，苯類的有光觸媒分散液。

本文以光催化技術(shù)為主要研究對象，所謂光催化（光觸媒）指半導(dǎo)體材料在紫外及可見光照射下，將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，并促進(jìn)有機(jī)物的合成與分解的過程。當(dāng)光能等于或超過半導(dǎo)體材料的帶隙能量時(shí)形成光生載流子（電子-空穴對）。在缺乏合適的電子或空穴捕獲劑時(shí)，吸收的光能因?yàn)檩d流子復(fù)合而以熱的形式耗散。價(jià)帶空穴是強(qiáng)氧化劑，而導(dǎo)帶電子是強(qiáng)還原劑。大多數(shù)有機(jī)光降解是直接或間接利用了空穴的強(qiáng)氧化能力。當(dāng)TiO2等半導(dǎo)體粒子在空氣與水接觸時(shí)，半導(dǎo)體表面產(chǎn)生高密度的羥基即OH-以及O2-和O-，可以將有機(jī)污染物分解為二氧化碳和水等無機(jī)小分子[2]。

其特點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

（1）反應(yīng)條件溫和，常溫常壓下就可實(shí)現(xiàn)；

（2）反應(yīng)速度快，所需時(shí)間短；

（3）能將大部分有機(jī)物降解成小分子，還能起到殺菌作用；

（4）壽命長，可長時(shí)間使用；

（5）獲取途徑容易，價(jià)格低廉。

其主要缺點(diǎn)是只適用于低濃度環(huán)境使用，配合380nm光譜波長以下的紫外燈才能發(fā)揮最大功效。

常見的光催化劑多為金屬氧化物和硫化物，如TiO2， ZnO，CdS，WO3等，其中TiO2的綜合性能最好，應(yīng)用最廣。光催化劑大都不會單獨(dú)使用，通常會根據(jù)實(shí)際情況負(fù)載于某一物體上方便安裝和使用，比較普遍的負(fù)載方法有噴涂和浸漬兩種[3]。噴涂的優(yōu)點(diǎn)在于制作過程相對簡單，涂層均勻，但是容易出現(xiàn)盲點(diǎn)；浸漬對于過程制作技術(shù)要求高，涂層厚度難控制，但是覆蓋面全。

市場上民用光催化劑主要是光觸媒分散液，可直接噴涂于物體表面，以墻體和地板為主，在可見光照射下降解有害物質(zhì)；工業(yè)用以鋁基材料負(fù)載為主，具有阻力小，安裝方便的特點(diǎn)。

1 材料與方法

1.1 供試物料與試劑

新裝修過的房間；鋁基光觸媒板；蜂窩金屬板；60目塞網(wǎng)；光觸媒分散液；柱狀活性炭；分析純甲醛溶液；氣泵；外徑8mm氣管；內(nèi)徑30mm試管；密閉箱；華瑞PGM7300TOVC檢測儀（0.0-5000PPM）；風(fēng)速儀（0-30m/s）。

1.2 試驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)①：采用長方體密閉箱內(nèi)置蜂窩鋁基光觸媒板和紫外燈，兩端面有進(jìn)出口氣孔，將一定量甲醛試劑倒入試管內(nèi)，用氣泵鼓氣吹掃溶劑表面使之氣化，通過氣管吹入到實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)，大致如下圖1、2所示，測試甲醛去除率。

測試數(shù)據(jù)如表1所示。

見圖3結(jié)果顯示平均甲醛去除率能達(dá)到48.3%。

實(shí)驗(yàn)②：仍以試驗(yàn)①的鋁基光觸媒材料作研究對象，在新裝修或者存放有新家具放置一段時(shí)間后的密閉房間內(nèi)測試有害物質(zhì)濃度變化，測試前預(yù)先通風(fēng)一段時(shí)間以使房間內(nèi)有害濃度降低到適合測試的環(huán)境。

測試數(shù)據(jù)如表2所示。

見圖4結(jié)果顯示實(shí)驗(yàn)②會隨著反應(yīng)時(shí)間的增加能夠有效的降低有害濃度。

實(shí)驗(yàn)③：蜂窩型鋁基光觸媒板的反應(yīng)時(shí)間在瞬間完成，停留時(shí)間短，為了使反應(yīng)更有效，有必要增加停留時(shí)間[3]，提高光觸媒的性能，本次試驗(yàn)采用蜂窩網(wǎng)金屬板，蜂孔內(nèi)加入負(fù)載填料，兩端用塞網(wǎng)封住?；钚蕴勘旧砟軌蛭接泻ξ镔|(zhì)，微孔結(jié)構(gòu)，表面粗糙，作為負(fù)載基材結(jié)合光觸媒能夠更有效的發(fā)揮功能。選用兩種不同品牌的光觸媒分散液，同種適合尺寸的活性炭浸漬法制作光觸媒填料A和B，以實(shí)驗(yàn)①方法分別測試兩種填料的性能。

測試數(shù)據(jù)如表3所示。

見圖5結(jié)果顯示實(shí)驗(yàn)③增加停留時(shí)間和更換載體基材后比實(shí)驗(yàn)①鋁基材的光觸媒效果提升明顯。

2 結(jié)語

通過3種實(shí)驗(yàn)對比實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)光觸媒催化劑在低濃度環(huán)境下可行性，可以有效地降低有害污染物濃度，通過改變負(fù)載基材能夠提高光催化劑性能。假設(shè)把柱狀活性炭負(fù)載填料直接改成蜂窩活性炭負(fù)載效果可能會更好，光觸媒負(fù)載量和反應(yīng)接觸面及光照表面積都大大提高，處理能力會更佳，做成模塊應(yīng)用于空氣凈化機(jī)將會有很好的發(fā)揮空間。

相信隨著光觸媒性能的提高未來應(yīng)用場合將更加廣泛，不單單適用于普通家庭，公共場所將更加適用，比如影院，醫(yī)院，火車站等人口比較聚集的地方更應(yīng)該關(guān)注室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

[1]吳忠標(biāo)，趙偉榮.室內(nèi)空氣污染及凈化技術(shù)[M].北京：化工業(yè)出版社，2005.

[2]陳坤洋.TiO2基光催化材料凈化室內(nèi)空氣中苯和甲苯的性能[D].浙江大學(xué)，2014.

[3]王小艷.光催化空氣凈化器的設(shè)計(jì)及甲醛降解的實(shí)驗(yàn)研究[D].重慶大學(xué)，2014.