设计小体积密闭试验舱评价甲醛降解效率

摘要：本文设计一个半开放式综合性实验项目，运用自制的小体积密闭试验舱来检测纳米TiO2材料对甲醛光催化降解性能。实验设计中，对舱体进行综合评价后，选取水热法制备的铁掺杂纳米TiO2和氮掺杂纳米TiO2作催化剂降解甲醛，比较了其在可见光下对甲醛的降解效果，最后通过动力学研究可知甲醛在纳米TiO2表面氧化反应符合一级动力学方程。该综合性实验项目设计覆盖了多学科交叉的综合训练，有助于把学生培养成“具有创新精神和实践能力的高级专门人才”。

关键词：密闭试验舱；掺杂纳米TiO2；甲醛降解；实践教学

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）38-0047-02

有机污染物是环境中对人们日常生活影响很大的污染物，光催化降解有机污染物是近年研究热点之一[1-3]。为了帮助学生提高解决实际问题的能力，北京科技大学化学与生物工程学院实验室将专业课教师科研课题项目中代表性的内容转化为实验教学内容，取得一定成效。例如，实验教学中设计了一个半开放式综合设计性实验项目，该项目以取水热法制备的铁掺杂纳米TiO2和氮掺杂纳米TiO2作催化剂[4]，分析和研究其对甲醛的降解，教师还专门设计了一个小体积密闭试验舱，用来模拟甲醛等挥发性有机化合物室内空气污染的检测。

一、实验设计目的

本综合性实验设计目标是培养学生：（1）了解光催化氧化技术及其在环境中的应用进展；（2）了解试验舱设计及性能评价体系；（3）掌握利用光降解实验评价纳米TiO2光催化活性的方法；（4）培养学生解决实际问题能力和科学思维习惯；

二、仪器及试剂

1.仪器。自制64L密闭实验舱；QC-2大气采样器（北京市劳动保障研究所），722型分光光度仪（上海第三分析仪器厂）。

2.试剂。铁掺杂纳米TiO22粉体（Fe/Ti为1at%～5at%）与氮掺杂纳米纳米TiO2粉体（均为自制），甲醛标准溶液（1.08g/mL，国家环保局），乙酰丙酮（北京化学试剂厂），冰醋酸（北京化学试剂厂），醋酸铵（北京化学试剂厂）。

三、试验舱的设计

试验舱舱体由钢化玻璃板制作，为小体积64L的正方体型试验舱，边长40cm，顶部有一个可取下的边长为44cm钢化玻璃盖，其结构示意见图1。舱顶分别安装节能灯和电扇，使标准溶液在短时间完全挥发且均匀快速扩散到气候舱中，舱体侧面留有甲醛采样孔。舱盖选用惰性密封材料保证与舱体密封良好，并且密封材料与舱内空气的接触面积要尽可能小。舱身外部用锡纸严密包覆，避免外界条件变化对降解效果评价产生影响。

四、实验方法

根据国标规定的标准方法[5]，在采样管中注入8mL二次蒸馏水作为甲醛吸收液，开启大气采样器采集实验舱中的气体20min（5mL/min）；用水稀释定容至10mL，加0.25%乙酰丙酮溶液2.0mL，混匀，置于沸水浴加热3min，取出冷却至室温。用1cm吸收池，以空白试剂为参比，于波长413nm处测定吸光度值，计算实验舱内甲醛的浓度。

五、实验数据

1.试验舱性能评价。向舱内加入100.0μL浓度为10.8mg/mL的甲醛溶液，当甲醛挥发完全且舱内浓度均匀时，测定甲醛的浓度C0，隔120min再测一次甲醛浓度Ct，前后浓度自然对数差除以测定时间t，即为平均空气交换率A。实际测定A=0.014，符合国家标准规定的泄漏率小于0.05/h的要求[6]。实验前先用强碱性清洗剂，然后使用自来水冲洗舱内表面，最后使用去离子水冲洗，晾干，使清洁空气进入试验舱，8小时后检测舱内空气的本底浓度，甲醛为4.0μg/m3；小于标准中甲醛本底浓度5μg/m3的要求。舱内加入浓度为10.8mg/mL的甲醛溶液100μL（按照文献[7]中规定甲醛指标限量值的10倍），开启风扇搅拌，实验表明40min后，舱内甲醛浓度基本稳定。测量舱内了不同区域甲醛浓度，结果均匀稳定，RSD%是1.0%。舱内注入甲醛标准溶液，开启风扇搅拌，隔一定时间测定一次浓度，一星期内重复测量四次，测定结果RSD%是1.0%，具有良好的重复性。

2.催化剂性能表征。本文使用水热法制备的铁掺杂TiO2和氮掺杂TiO2作为光催化材料，粒子尺寸均为10～20nm。铁掺杂纳米TiO2的紫外-可见光漫反射实验显示，氮掺杂TiO2和铁掺杂纳米TiO2粉体有着良好的紫外光响应能力，同时吸收边都产生了明显红移，铁掺杂纳米TiO2吸收边红移到570nm，氮掺杂TiO2的吸收边红移至580nm。将制备好的光催化材料成均匀撒在一个试验舱底部，从试验舱的进样口注入100uL甲醛标准（1.08g/mL）溶液，每个一段时间分别采集舱中的气体，按照文献[5]规定的标准方法测验甲醛（乙酰丙酮法）的浓度变化，计算催化剂粉体的降解效率，气体降解率通过公式如下计算：η=。式中η――降解率，%；C0――初始浓度；Ct――t时的浓度。在室温条件下，掺铁2%纳米TiO2、掺铁5%纳米TiO2、氮掺杂TiO2粉体对甲醛的降解效果见表1。2天的降解率可达到90%以上，3天的降解率可以达到98%以上。表明通过掺杂改性的纳米TiO2在可见光下具有很好的光学活性，对气相中的甲醛有较强的降解作用。

3.甲醛降解动力学方程。甲醛在催化剂表面被氧化要经过扩散、吸附、表面反应以及脱附等步骤，假设在通过风扇扰动消除了扩散、反应物的吸附和产物的解吸的影响后，则多相光催化的总反应速度只由表面反应所决定。随着反应物浓度的降低，光催化氧化反应的速率降低。计算催化剂动力学方程见图2，从计算结果得出甲醛在纳米TiO2表面的反应是一级反应。符合Langmuir Hinshelwood动力学方程。

六、结语

采用小体积密闭试验舱评价甲醛降解效率实验项目内容丰富，设计覆盖了多学科知识点，如，该实验中光催化剂的合成方法及改性实验涉及高分子化学学科；光催化反应器密闭试验舱设计涉及到机械工程学科；光催化剂降解效能、检测方法涉及到分析化学学科；光催化降解动力学涉及化学建模方法与物理化学的基本理论研究。通过这种多学科交叉的综合训练，有助于培养学生在化学一级学科层面开阔思想，拓宽专业知识结构，提高自身综合素质，在实践教学中培养“具有创新精神和实践能力的高级专门人才”。

参考文献：

[1]Florence B M.VOC photodegradation at the gasCsolid interface of a TiO2 photocatalyst[J].Journal of Photochemistry and Photobiology A：Chemistry，2000，132：225-232

[2]Wang S.Volatile organic compounds in indoor environment and photocatalytic oxidation：State of the art.Environ Int （2007）.

[3]Belver C.Nitrogen-containing TiO2 photocatalysts：Part 1.Synthesis and solid characterization.Appl Catal B Environ， 2006， a65：301-8.

[4]Ju Y J.Photodegradation of gaseous volatile organic compounds（VOCs） using TiO2 photoirradiated by an ozone-producing UVlamp t[J]. Journal of Photochemistry and Photobiology A：Chemistry ，2005 ，76：279-87.

[5]GB/T15516-1995.空气质量甲醛的测定-乙酰丙酮分光光度法[S].1995.

[6]GB/T 18801-2002空气净化器[S].2002.

[7]GB50325-2001民用建筑工程室内环境污染控制规范[S].2001.