TiO_2光触媒降解甲醛影响因素的分析

天津城市建设学院学报 第17卷 第2期 2011年6月 Journal of Tianjin Institute of Urban Construction Vo1．1 7 No．2 Jun．201 1 TiO2光触媒降解甲醛影响因素的分析 谢昌平，王曙光，周彩楼，雅 菁，陈 倩 (天津城市建设学院 材料科学与]一程系，天津 300384) 摘要：以天津城市建设学院环境有限公司生产的 TiO2光触媒来降解 2％甲醛溶液，研究了 Ti02光触媒降解甲醛的影响因素，包括光触媒用量、光源种类、光照强度和光催化载体 研究结 果明：光照强度越高和在紫外灯照射下，降解甲醛效率越高；加大光触媒用量能加快降解速率． 光催化载体对降解效率没有影响． 关 键 词：TiO2光触媒；甲醛；降解率 中图分类号：X51 文献标识码：A 文章编号：l006—6853(2011)02—0132．03 在室内空气污染中，甲醛作为主要污染物之一【lJ， 早已引起人们的关注．甲醛是广泛存在的有毒物质， 可能存在于大气、室内空气以及食品中，对人体健康 有负面的影响，轻度会感觉咽喉不适或疼痛，重度会 引起恶心、呕吐、咳嗽、胸闷、气喘，甚至导致死亡． 利用 TiO2光触媒降解甲醛是降低室内空气污染 的有效手段之一，近年来对此的研究也比较多．光触 媒材料是一类以二氧化钛 (TiO )为代表的、具有光催 化功能的半导体材料的总称I2J．光触媒能有效分解甲 醛、苯、氨气等，将甲醛、苯、氨气等气体转化成 H2O 和 CO2，氧化去除大气中的氮氧化物、硫化物，以及各 类臭气等，起到空气净化作用L3j． TiO2光触媒以其优异的抗化学、抗光腐蚀性能等 优点，成为过去几十年来最重要的光催化剂．当 TiO2 光触媒在太阳光，尤其是在紫外光线的照射下，吸附 在 TiO2表面的氧气和水分分别被 TiO2产生的电子和 空穴还原或氧化为强氧化性基团，由此将空气中的甲 醛分解为无害的CO2和 H20l4J．本文以一定浓度的甲 醛溶液为污染源，通过多种实验，主要研究 了 TiO 光触媒降解甲醛的影响因素，包括光照强度 、 光源种类、光触媒用量和光催化载体． 黑布 、白布 、日光灯 (1 5，3 0 W)和紫外灯 (1 5， 30 w)等；实验设备有 4l60便携式甲醛检测仪 、 T—QB／T一1．5空气实验舱和 XAFO274皮带传动空气 压缩机等． 1．2 实验方法 实验前期配制 2％的甲醛溶液作为污染源．两个 空气实验舱 A，B分别作为实验舱和空白实验舱．通 过设计四组实验方案，包括改变实验舱 A中的光照强 度(日光灯 15，30W)、光源种类(日光灯 3Ow 和紫外 灯 30 w)、光触媒用量 (分别将 TiO2光触媒在基纸上 单面喷涂一遍、两遍 、三遍和四遍)和黑白载体(分别 将 2m 的黑布、白布浸泡于 TiO2光触媒溶液中，完 全浸透后，晾干)，来分别研究四种因素对 TiO2光触 媒降解甲醛的影响．在实验过程中，每 l h用便携式 甲醛检测仪测量一次舱 和曰中甲醛的含量，持续测 量 12 h． 通过公式Y／= ) 计算甲醛的降解率(其中 表示实验舱的甲醛浓度， 表示空白舱的甲醛浓度)， 并且利用 excel绘制曲线，对比和分析各因素对 TiO 光触媒降解甲醛的影响． 2 结果与讨论 1 实验部分 2．1 光照强度对 TiO：光触媒降解 甲醛的影响 1．1 实验条件 光照强度对甲醛降解的影响如图 1所示．由图 1 实验材料包括：TiO2光触媒溶胶溶液(天津城市 可以看出：在 l5 W 日光灯照射下，甲醛降解率在 10h 建设学院环境工程有限公司生产)、甲醛溶液、白纸、 时达到最大值 32．80％；30 W 13光灯照射时，甲醛降解 收稿 日期：2011．O1．11；修订日期：2011-03．24 作者简介：谢昌平 (1988一 )，男，江西抚州人，天津城市建设学院硕士生 鎏 壹建 堂 堂报 谢昌平等：TiO 光触媒降解甲醛影响因素的分析 图 1 不 同光照强度下 Ti0：光触 媒对 甲醛降解率的影响 曲线 在 10 h时已基本完成，降解率达到了最大值 68．8l％， 即使继续降解，降解率也没有什么变化；两个 30 W 日 光灯照射时，甲醛降解率同样在 l0 h时达到了最大值 77．85％．由此可知，光照强度影响 TiO2光触媒降解甲 醛，随着光照强度的增加，TiO：光触媒降解甲醛的效 率不断提高．根据光触媒光催化原理，TiO 光触媒在 光照条件下产生羟基自由基，而羟基自由基的寿命很 短，只有更多的自由基才能维持 TiO：光触媒对甲醛的 降解，而强的光照能使 TiO2光触媒产生更多的自由 基．所以光照强度越大，光催化效率越高． 2．2 光源种类对 Tio：光触媒降解甲醛的影响 TiO2光触媒发挥光催化作用必须在含紫外成分 的光源条件下 ，最好是紫外光源．用含微弱紫外光成 分的光源即可使 TiO2光触媒发挥作用，如 13光、自然 光、白炽灯光等都能使其发挥作用． 光源种类对甲醛降解的影响如图 2所示．由图 2 可以看出：紫外光对甲醛的降解明显高于普通日光灯 ； 在紫外光照射下，TiO2光触媒对甲醛的降解率在 9 h 时达到了最大值 79．24％，而在 日光灯的照射下，甲醛 的降解率在 7 h时即达到了最大值 68．81％．光催化有 两个必要条件，一个是光，一个是催化剂，两者缺一不 可．在光催化反应中，光的作用只是激发反应和提供 反应能量．当具有大于或等于半导体材料禁带宽度的 能量的光子射人时，电子从价带激发到导带，在价带 留下一个空穴．电子一空穴对是在光照的作用下产生 的，又称光生载流子．若要激活催化剂 TiO2产生自由 嚣 堪 世 } 图2 日光灯和紫外灯对 TiO：光触媒降解甲醛的影响曲线 · l33 · 电子一空穴对，就需要克服约 3．2 eV的带隙能量，只有 波长小于380 am的紫外光才能激发 TiO2产生导带电 子和价带空穴．所以紫外灯的光催化效率比日光灯 要高． 2．3 光触媒用量对 TiO：光触媒降解 甲醛的影响 光触媒用量对甲醛降解的影响如图 3所示．由图 3可以看出：光触媒用量对甲醛降解的影响显著，甲醛 的降解率随着光触媒含量的增加而增加．根据实验记 录，实验开始 l h时，分别喷了一遍、二遍、三遍、四遍 光触媒的基纸对甲醛降解，其降解率分别为 20．65％， 1 8．40％，56．70％，64．94％，从数据上看，喷一遍和两遍 光触媒的基纸对甲醛的降解还没有明显的区别；而在 4 h时，甲醛的降解率分别为 58．56％，61．88％，66．30％， 71．27％；随着 TiO 光触媒的增加，甲醛降解率也呈上 升的趋势，同样 ，在 4 h之后的几个小时里，甲醛的降 解率也遵循这一规律．但在实际应用中，光触媒并非 越多越好 ，并且光触媒在一定用量下，分散越均匀越 好【5J．可是从 4条曲线上看，在接近一个实验周期 12 h 时，四种光触媒含量的基纸对甲醛的降解率几乎是相 同的，达到降解甲醛的效果相同．由此可知：光触媒用 量的增加能提高降解甲醛的速率，并不会影响降解甲 醛的效率． 替 盛 逝 趣 P 图3 不同TiOz光触媒用量对甲醛降解率的影响曲线 2．4 黑白载体对 TiO：光触媒降解甲醛的影响 TiO2光触媒净化环境与污染物反应时，多在常温 下进行，反应速度慢，因此增大载体的表面积、延长污 染物在光触媒上的停留时间是非常重要的因素．目前 主要作为光触媒载体使用的过滤网为活性炭毡、纸基 纤维网、聚氨酯泡棉、玻璃纤维布、蜂窝状铝箔、不锈 钢网、蜂窝陶瓷等．但是载体颜色对 TiO：光触媒降解 甲醛没有明显的影响。。J． 黑白载体对甲醛降解的影响如图 4所示．由图 4 可以看出：实验开始到结束的每个阶段，在两种颜色 载体上的TiO2光触媒对甲醛的降解率几乎相同．TiO2 光触媒是直接对甲醛进行降解，降解的效率与光照提 ∞ ∞ ∞如 O · 134· 供的光电子能量有密切关系，而黑白载体的不同并不 会影响光照的强度，所以认为载体颜色不会影响 TiO2 光触媒的光催化效应． 时间，h 图4 TiO：光触媒在黑白载体下对甲醛降解率的影响曲线 3 结 论 (1)光照强度对 TiO2光触媒光催化效应有影响， 光照越强，光催化效率越高．在 15，3O，2×30 W 日光 灯照射下，光触媒对甲醛降解率最高分别为 32．80％， 68．81％．77．85％． (2)光源种类不同，对 TiO 光触媒光催化效率不 天津城市建设学院学报 2011年 第 l7卷 笙至 同，紫外光比日光灯的光催化效率高．在紫外光、日光 灯照射下，TiO：光触媒对甲醛降解率最大值分别为 79．24％．68．81％． (3)TiO2光触媒的用量越大，甲醛降解速率越高． (4)光触媒光催化效率不受所在载体颜色的影 响．在黑白载体上，光触媒对甲醛的降解率基本相同． 参考文献： [1] 朱天乐．室内空气污染控制 [Mj．北京：化学工业出版 丰+，2003：1-10． [2] 王旭辉．储粮防虫防霉新技术——光触媒米袋 [J]．粮 食储藏，2000(2)：9-16． [3] 蔡 健 ，胡将军，张 雁．改性活性炭纤维对甲醛吸 附性能的研究 [J]．环境科学与技术 ，2004，27(3)： 16．19． [4] 齐 峰，李福林．光触媒治理室内空气污染的实验研 究[J]．化学工程师，2010(8)：44．45． [5] 蒋贞贞，朱俊任 ，路媛媛．纳米二氧化钛光催化涂料 降解甲醛的研究进展[J]．中国涂料，2009，24(12)： 20—23． [6] 黄绳纪，陈城基．光触媒在空气净化中的应用[J]．广 州化工，2004，32(3)：17-19． Influencing Factors of TiO2 Photo—catalytic Degrading Formaldehyde XIE Chang-ping，WANG Shu·guang，ZHOU Cai—lou，YA Jing，CHEN Qian (Department ofMaterials Science and Engineering，TIUC，Tianjin 300384，China) Abstract：This paper studies the influencing factors of TiO2 photo—catalytic degrading formaldehyde，including catalyst dosage，light types，light intensity and photo—catalytic carriers by degrading the 2％ formaldehyde solution with the TiO2 photo-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 TiO2 photo—catalytic can speed up degradation rates；photo—catalytic carries have no effect on degradation efficiency． Key words：Ti02 photo—catalytic；formaldehyde；degradation rate 透瓣罄世 EII