ACF/TiO2光催化氧化降解甲醛的研究

摘要：甲醛是一种最常见的室内污染物，严重影响人体的健康。ACF/TiO2是一种有效的光催化氧化降解甲醛的方法。本文探讨ACF/TiO2在不同光源强度、不同的负载量对降解甲醛产生的影响。在此基础上调整活性炭纤维负载纳米TiO2以得到最佳的配比量。结果表明分别在8w、14w波长为254nm的紫光灯照射下，光源越强甲醛的处理效果越好。活性炭纤维负载不同量的纳米TiO2，在甲醛初始浓度为1mg/m³，光源为14w波长为254nm紫光灯，活性炭纤维负载纳米TiO2量为2.09g时，光催化效果最好，甲醛的降解率为93%。

关键词：光催化氧化，甲醛，纳米TiO2

中图分类号：X131文献标识码：A 文章编号：

近年来，随着生活水平的不断提高，人们对室内的舒适性、美观性也不断的提高，大量新型的装饰材料、涂料用于提高室内的舒适性和美观性，由于室内的装饰和涂料产品的质量良莠不齐，存在着产生室内污染物的隐患，甲醛是室内空气中的主要污染物之一，有研究表明人们在室内的时间大概占到全天的80％—92%[1]，长时间停留在有甲醛的房间内可以引起头痛、呼吸道水肿，孕妇长期吸入可能导致新生婴儿畸形。1995年甲醛被国际癌症研究机构(IARC)确定为可疑致癌物[2]。

Fujishima A等[3]提出光催化理论之后,光催化技术在室内空气净化方面被广泛应用[4-6]，纳米TiO2由于催化活性高、氧化能力强、不易溶解、稳定性好以及价廉无毒等优势而被公认是最具有开发前途和应用潜力的环保型光催化材料,有研究表明光催化氧化可以将大部分有机污染物氧化为CO2和H2O[7]，但纳米TiO2粉体在降解气态有机物时存在着回收困难，处理低浓度污染物速度较慢。活性碳纤维( ACF)具有丰富的孔结构优良的吸附特性，利用活性碳的吸附性使污染物形成局部高浓度, 再通过二氧化钛的光降解作用处理气态污染物[8]。

一、实验部分

1.1试剂及仪器设备

主要试剂：纳米二氧化钛（TiO2）（Deggusa P-25纳米粉末,北京安特普纳科贸有限公司, 粒径为21nm,比表面积为50±15m2/g)、甲醛(HCOH)（分析纯）硅酸钠（Na2SiO3）（分析纯）。

主要仪器设备及材料：磁力加热搅拌器(上海司乐85-2)，电热恒温干燥箱（DHG-9140A型），甲醛分析仪（4160-2美国interscan），电子天平（FA1004N 上海精密科学仪器有限公司）温湿度计( ETH529,深圳明高五金制品有限公司)，紫外灯管（8w、14w 波长254nm），10W小风扇，气泵，活性炭纤维（ACF，比表面积1150/g,沈阳宇恒碳纤维有限公司）。

1.2光催化反应装置及实验流程

反应装置：自制模拟小室（80×40×30cm），内置反应器（8×8×60cm），模拟小室及内置反应器均采用透明有机玻璃制成，小室壁上留有检测口，加湿孔，滴液孔及导线引入口，小室顶盖四周用20个螺钉固定，再用透明胶带密封，壁面外贴铝箔纸遮挡紫外线，反应器内放置紫光灯管，用支架固定，活性炭纤维铺设在紫光灯下面

反应流程：甲醛由模拟小室顶盖小孔滴入模拟小室内的托盘上，打开小风扇使甲醛液体充分扩散，测量甲醛初始浓度，打开紫光灯和气泵使室内气体流经反应器，每30min测量一次甲醛浓度，每组数据测3次取平均值。

1.3活性炭纤维负载纳米TiO2

将一定量的纳米TiO2粉体和硅酸钠（约为纳米TiO2量的十分之一）加入去离子水中，经磁力器搅拌12h,形成一定浓度的稳定悬浊液。将活性炭纤维经去离子水清洗然后放入烘箱中烘干,反复3次，以除去表面的杂质及细小纤维。将活性炭纤维在TiO2悬浊液中浸渍、提拉,反复几次,然后放入烘箱内经160 ℃烘干2小时, 称重确定TiO2负载量。

二、实验结果与分析

2.1不同光原照射对甲醛的降解效率的影响

不同光原照射对甲醛的降解效率的影响如图1所示。实验条件：甲醛浓度1mg/m³，气体流量Q=10L/min，反应温度控制为20℃，相对湿度为45％左右，ACF为19.8g，负载量约为2.09g。在无紫光灯照射情况下和分别在8w（波长254nm）紫光灯、14w（波长254nm）紫光灯照射下进行试验。

图1 不同光原照对甲醛的降解效率的影响

从图中可以看出，在有紫光灯照射下的处理率明显好于没有无紫光灯时的处理率。14w紫光灯的处理效果好于8w紫光灯的处理效果，说明光源强度越强光催化效果越好。分析，反应初期的净化效率较快，这主要是因为活性炭纤维具有优异的吸附性能所致，活性炭纤维吸附甲醛，形成局部具有较高浓度污染物，加快了光催化的降解效率。无紫光灯照射时120min后甲醛的降解率基本没有变化，说明此时活性炭纤维对甲醛已达到吸附平衡。当在有紫光灯照射的情况下，甲醛的降解效果明显提高，说明在紫外灯的照射下确实发生了光催化氧化反应，随着光源强度的增大，更容易发生光催化反应。

2.2活性炭纤维负载不同纳米Ti O2对甲醛的降解

活性炭纤维负载不同质量的纳米TiO2光催化氧化降解甲醛的效率曲线如图2所示。基本实验条件：甲醛浓度1mg/m³，活性炭纤维为19.8g，气体流量Q=10L/min，反应温度控制为20℃，相对湿度为45％左右，紫光灯为14w。

图2 ACF负载不同量的TiO2对甲醛的降解率

从图中可以看出，当活性炭纤维负载2.09g TiO2时，甲醛的处理效果最好，降解率为93%在70min前TiO2负载量为0.96g时甲醛降解效率最快,甲醛净化效率随TiO2负载量增加而增大，当负载量达到一定量时降解率随负载量的增大而减小。分析：甲醛的降解开始是以活性炭纤维的吸附为主，甲醛净降解率随TiO2负载量增加而增大，当负载量达到一定量时降解率随TiO2负载量的增大而减小。分析：TiO2负载量越小活性炭纤维的比表面积越大，吸附量也越大，所以加快了光催化反应的进行，因为光催化反应需要一定量TiO2参与，量太小会降低污染物的处理率，当TiO2负载过多时减小了活性炭纤维的比表面积，降低了对污染物的吸附效果。

三、结论

ACF/TiO2光催化氧化体系净化室内低浓度污染物是一种有效的治理室内空气污染物的方法。活性碳纤维比表面积大，具有很好的吸附性，为光催化反应提供了理想的反应条件，在处理室内较低浓度的甲醛污染物具有较好的效果。短波长光源是光催化反应的必要条件，随着光源强度的增加甲醛的光催化降解效率增加。甲醛降解效率随TiO2的负载量增加而增大，达到一定量后随TiO2负载量的增加而降低。

参考文献

[1]徐丹,钱敏,袁惠新. 室内空气污染及净化[J].化工装备技术,2002,23(5):52-56.

[2]冯小卫，王子东，陈朝东，等．室内污染监测与控制技术问答[M]．北京：化学工业出版社,2006．

[3]Fujishima A ,Honda K. Electrochemical photolysis of water at a semiconductor electrode[J].Nature,1972,238:37-38.

[4]卢晓平,戴文新,王绪绪，等. 纳米TiO2的负载及其在环境光催化中的应用[J].应用化学,2004,21(11):1087-1092.

[5]胡将军，蔡进，邓永强．光催化氧化处理气相污染物的研究进展[J].环境与健康杂志,2006,(01)88-90．

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