光催化分解作業(yè)環(huán)境中氨的規(guī)律研究

郭文杰，李超，付明明，馬有營(yíng)，許蘭娟

（濱州學(xué)院化工與安全學(xué)院，山東濱州256600）

作業(yè)環(huán)境中的氨對(duì)人體具有較大的危害。研究降解氨氣的影響因素和方法尤為重要。用TiO2做光催化劑降解氨氣的影響因素中，相對(duì)濕度對(duì)氨氣降解率的影響不甚明顯。研究表明，氨氣降解效率隨氣體初始濃度的上升而緩慢增加，光催化反應(yīng)速率常數(shù)與光照強(qiáng)度密切相關(guān)。TiO2光催化凈化氨氣的性能與負(fù)載量有關(guān)，氨氣的降解反應(yīng)受到TiO2濃度、pH和溫度的影響。

實(shí)驗(yàn)表明，研究影響室內(nèi)光催化降解氨氣的因素一般采用傅里葉變換紅外光譜(FTIR)或者氣相色譜(GC)間接記錄氨氣濃度變化情況，繼而通過(guò)對(duì)反應(yīng)中氨氣的降解率來(lái)分析、解釋光催化降解氨氣的規(guī)律，此方法具有廣闊的研究前景。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

氨水（濃度為75%）、紫外燈（8 W）、日光燈（6 W、8 W）、活性炭纖維無(wú)紡布、活性炭無(wú)紡布、聚丙烯腈纖維、玻璃片、蒸餾水、銳鈦型納米TiO2粉末（5～10 nm、40 nm、100 nm）。

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，將紫外燈、日光燈、數(shù)顯溫濕度計(jì)固定在揮發(fā)箱內(nèi)，通過(guò)探針孔注入氨水來(lái)改變作業(yè)環(huán)境中的氨氣濃度，接上NH3傳感器、rs485 轉(zhuǎn)換器，連接上位機(jī)，氨氣傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量裝置內(nèi)的氨氣濃度，并每隔1 s記錄一次數(shù)據(jù)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

圖1 光催化裝置示意圖

在常溫常壓下，取0.02 mL 氨水放入揮發(fā)箱（54 cm×40 cm×31 cm），使其全部揮發(fā)為NH3，得到NH3起始濃度為27 mL/m3。通過(guò)改變光催化反應(yīng)條件：TiO2粒徑（5～10 nm、40 nm、100 nm）、TiO2懸濁液濃度（0.1 g/L、0.2 g/L、0.3 g/L、0.4 g/L、0.5 g/L、0.6 g/L、0.7 g/L 和0.8 g/L）、光照強(qiáng)度（6 W和8 W日光燈作為對(duì)照組，8 W紫外燈依次疊加做實(shí)驗(yàn)組）、光源（8 W紫外燈和日光燈）、載體（空白載體對(duì)照，活性炭纖維布、聚丙烯腈、普通無(wú)紡布、玻璃片）等因素設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，氨氣傳感器將信號(hào)傳送給上位機(jī)，氣體探測(cè)上位機(jī)每隔1 s 記錄一次裝置內(nèi)氨氣濃度，畫(huà)出實(shí)時(shí)氨氣濃度變化圖，探究TiO2光催化降解NH3效率的影響因素，找到比較適合的催化條件。

通過(guò)公式?=(C0-C)/C0×100% 計(jì)算氨氣的降解率，式中?表示氨氣的降解率，C0表示實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)的氨氣濃度，C 表示實(shí)驗(yàn)后期的氨氣濃度。利用origin 對(duì)比和分析各因素對(duì)TiO2光催化降解氨氣的影響。

2 結(jié)果與討論

2.1 載體對(duì)光催化降解氨氣的影響

如圖2所示，有載體時(shí)，TiO2光催化效率比沒(méi)有載體時(shí)要好，氨氣降解效率順序?yàn)椋夯钚蕴繜o(wú)紡布＞聚丙烯腈＞普通無(wú)紡布＞玻璃片。

圖2 載體對(duì)氨氣光催化的影響

由圖2容易看出，活性炭無(wú)紡布的催化效果比聚丙烯腈纖維要好，原因是活性炭的粒徑小，孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)，孔隙分布均勻，比表面積大，因而吸附和富集效果好，而纖維對(duì)氨氣的吸附作用在短時(shí)間內(nèi)易飽和,導(dǎo)致反應(yīng)體系中的氨氣濃度迅速回升；除活性炭無(wú)紡布外，相同時(shí)間內(nèi)，負(fù)載TiO2量相同，聚丙烯腈纖維的催化效率比其他催化劑高，與纖維對(duì)氨氣的吸附作用可以提高纖維表面氨氣的濃度,有利于納米TiO2對(duì)氨氣的催化降解反應(yīng)有關(guān)；對(duì)負(fù)載型TiO2光催化降解催化劑而言, 較為理想的載體應(yīng)該具有較大的飽和吸附量, 而實(shí)驗(yàn)所用活性炭無(wú)紡布具有一定的吸附能力，能更多地富集反應(yīng)中的氨氣，使吸附在載體上的氨氣能夠向光催化活性中心遷移, 從而促進(jìn)吸附-遷移-光降解反應(yīng)的進(jìn)行。

2.2 粒徑對(duì)TiO2光催化降解氨氣的影響

圖3 催化劑粒徑對(duì)氨氣光催化的影響

從圖3 可知，TiO2對(duì)NH3的光催化降解主要是在t≤500 s階段，當(dāng)t＞500 s時(shí)，NH3濃度變化較小，可以得出NH3的降解效率：TiO2粒徑5～10 nm＞TiO2粒徑40 nm＞TiO2粒徑100 nm，即相同條件下，NH3的降解效率隨TiO2粒徑的減小而增大，光催化劑粒徑越小，相同時(shí)間內(nèi)NH3降解得越快，光催化效果越好。

實(shí)驗(yàn)所用光催化劑為納米TiO2粉末，對(duì)于該催化劑顆粒來(lái)說(shuō)，發(fā)生光催化反應(yīng)時(shí)所產(chǎn)生的光生電子遷移到反應(yīng)晶面的時(shí)間t可由式（1）來(lái)估算：

式中: r 為T(mén)iO2納米的晶粒半徑；D為載流子的擴(kuò)散系數(shù)。由公式可知，t隨著TiO2粒徑的增大而增大，光生電子和光生空穴的復(fù)合幾率隨著升高，到達(dá)NH3表面與之反應(yīng)的光生電子就越少，催化活性越低。

2.3 TiO2懸濁液濃度對(duì)TiO2光催化降解氨氣的影響

圖4 TiO2懸濁液濃度對(duì)氨氣光催化的影響

如圖4 所示，光催化反應(yīng)階段主要在t≤1 500 s，從載體負(fù)載TiO2懸濁液濃度量為0.1 g/L、0.2 g/L、0.3 g/L和0.4 g/L時(shí)NH3的降解濃度變化曲線，相同載體上TiO2懸濁液濃度對(duì)NH3的光催化降解存在影響，相同時(shí)間內(nèi)，TiO2催化效率關(guān)系為：?（0.4 g/L）＞?（0.3 g/L）＞?（0.2 g/L）＞?（0.1 g/L），即相同時(shí)間內(nèi)，TiO2懸濁液的濃度越高，NH3光催化降解得越快，但TiO2濃度過(guò)大時(shí)，TiO2附著量過(guò)多，不但會(huì)造成催化劑浪費(fèi)，而且過(guò)量的催化劑將堵塞更多的活性炭孔隙，降低活性炭的吸附能力，還可能對(duì)紫外光產(chǎn)生一定的遮蔽作用，導(dǎo)致光催化效率下降，影響光催化降解反應(yīng)效率。

2.4 光照強(qiáng)度對(duì)TiO2光催化降解氨氣的影響

驗(yàn)證光照強(qiáng)度對(duì)TiO2光催化降解NH3的影響規(guī)律猜想，設(shè)置了對(duì)比實(shí)驗(yàn)，圖5 是不同強(qiáng)度可見(jiàn)光（6 W、8 W日光燈）對(duì)TiO2光催化降解室內(nèi)NH3的影響；圖6則是可見(jiàn)光（日光燈）、紫外光（紫外燈）以及兩者共同作用時(shí)的對(duì)照實(shí)驗(yàn)，也證實(shí)了猜想，但可以看出，光照強(qiáng)度對(duì)TiO2光催化降解NH3不是倍數(shù)或簡(jiǎn)單的加和關(guān)系。

圖5 日光燈強(qiáng)度對(duì)氨氣光催化的影響

圖6 可見(jiàn)光和紫外光強(qiáng)度對(duì)氨氣光催化的影響

3 結(jié)論

（1）通過(guò)改變TiO2光催化降解NH3的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)氨氣的降解率為：5～10 nm＞40 nm＞100 nm，即納米TiO2的粒徑越小，光催化效率越高，氨氣凈化效果越好。

（2）其他條件不變，TiO2懸濁液濃度對(duì)氨氣降解率的影響是先上升后降低，其中0.4 g/L時(shí)凈化效率最高，為98%。

（3）可見(jiàn)光比無(wú)光照時(shí)降解效果好，適當(dāng)增加光照強(qiáng)度，可以增強(qiáng)氨氣的降解效率，但超過(guò)一定范圍變化則不明顯。

（4）加入載體也比沒(méi)有時(shí)催化效果好，實(shí)驗(yàn)所選載體對(duì)氨氣降解的影響為：活性炭無(wú)紡布＞聚丙烯腈纖維＞普通無(wú)紡布＞玻璃片。