054納米TiO2ACF光催化凈化室內(nèi)空氣污染物的試驗(yàn)研究

納米TiO2-ACF光催化凈化室內(nèi)空氣污染物的試驗(yàn)研究基金項(xiàng)目：遼寧省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（20032006），國家建設(shè)部科技攻關(guān)項(xiàng)目（06-k5-32），沈陽市科技攻關(guān)項(xiàng)目（1053095-4-04）作者簡介：郭振紅（1983-），女，碩士研究生，主要從事室內(nèi)空氣質(zhì)量保障技術(shù)等方面的研究摘要:提出了納米TiO2-ACF復(fù)合光催化凈化室內(nèi)空氣技術(shù)，通過模擬空調(diào)系統(tǒng)分析了不同條件下復(fù)合光催化凈化網(wǎng)的凈化效率,同時(shí)對ACF吸附網(wǎng)、TiO2光催化凈化網(wǎng)、納米TiO2-ACF復(fù)合光催化凈化網(wǎng)三種凈化裝置在空調(diào)系統(tǒng)凈化甲醛的凈化性能進(jìn)行了對比分析.復(fù)合光催化凈化網(wǎng)在高風(fēng)速且污染物質(zhì)量濃度較低時(shí)的凈化效率高于其他兩種凈化網(wǎng)的凈化效率近15%.同時(shí)該凈化網(wǎng)對于無機(jī)和有機(jī)污染物具有較強(qiáng)的吸附氧化能力、較小的空氣阻力、在凈化過程中無中間副產(chǎn)物生成，并且實(shí)現(xiàn)了ACF的原位再生,延長了凈化網(wǎng)的使用周期,比同類凈化設(shè)備的凈化效率提高20%.納米TiO2-ACF復(fù)合光催化凈化技術(shù)彌補(bǔ)了當(dāng)前凈化技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的不足,提高了凈化效率,推動(dòng)了產(chǎn)品的升級換代.關(guān)鍵詞:納米TiO2-ACF光催化凈化技術(shù);凈化效率;污染物;室內(nèi)空氣品質(zhì)1引言隨著人們生活水平的不斷提高，人們對居住環(huán)境和辦公環(huán)境的舒適性、美觀性等要求也就越來越高，大量采用新型建筑材料、裝飾材料、新型涂料及粘接劑等用于樓房建筑和室內(nèi)裝修，再加上電腦和復(fù)印機(jī)等現(xiàn)代辦公設(shè)備以及各種家用電器的普及，使得室內(nèi)空氣中出現(xiàn)上百種前所未有的揮發(fā)性污染物質(zhì)(VOC)，可以引發(fā)人體三十多種疾病，甚至癌癥[1-3].人們的身體健康及生命受到了前所未有的危害，尤其是危害兒童健康.人們活動(dòng)產(chǎn)生的無機(jī)污染物,也已嚴(yán)重影響了IAQ,使得長期生活和工作在現(xiàn)代建筑的人們表現(xiàn)出一系列疾病癥狀[4-5].因此，有效治理室內(nèi)空氣污染就日益成為人們關(guān)注的一個(gè)熱點(diǎn)問題.雖然現(xiàn)在大多數(shù)房間都裝有空調(diào),但普通空調(diào)只能過濾大顆粒灰塵,對有害氣體沒有過濾效果,而室內(nèi)污染物濃度低、成分復(fù)雜,因此難以用一般的吸附材料吸附清除.活性碳纖維(ACF)具有優(yōu)異的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和優(yōu)良的吸附性能,對各種無機(jī)物和有機(jī)化合物都能有效吸附,特別是對低濃度物質(zhì)的吸附[6],它與二氧化鈦(TiO2)光催化劑復(fù)合后,能將有害氣體氧化成二氧化碳(CO2)和水,并具有抗菌殺菌的效果,對人體無毒,不需更換再生,在空氣凈化方面具有廣闊的發(fā)展前途.2ACF負(fù)載納米TiO2空氣凈化材料的基本性能和作用ACF直徑細(xì),比表面積大(1000～3000m2/g),故吸附能力強(qiáng),吸附容量大;微孔含量大(90%以上),孔徑小,其平均孔徑小于2nm,微孔可以直接與吸附質(zhì)接觸,使得ACF系統(tǒng)能很快進(jìn)行吸附,從而能有效地吸附低濃度以至痕量的吸附質(zhì);纖維直徑小,吸附質(zhì)擴(kuò)散路徑短,吸附質(zhì)在ACF內(nèi)擴(kuò)散阻力小、吸附和脫附速度很快、凈化效率高、再生容易.ACF制品濾阻、濾損小、強(qiáng)度高、不易粉化、容易處理、凈化純度高、雜質(zhì)少.ACF在吸附污染氣體時(shí)可能產(chǎn)生劇毒的中間副產(chǎn)物,而且它的吸附能力隨使用時(shí)間的延長,仍不可避免地降低或喪失,需要再生才可恢復(fù)吸附能力,對一些難吸附氣體凈化效果差;并且ACF的吸附是把污染物從一處轉(zhuǎn)到另一處,而污染物自身的處理仍然是個(gè)問題,所以有必要對ACF的凈化能力進(jìn)行增強(qiáng)或提高其實(shí)用性能.光催化特性是納米TiO2的重要特性之一,在有紫外光照射的條件下,當(dāng)污染物吸附于其表面時(shí),就會與自由電子或空穴結(jié)合,發(fā)生氧化還原反應(yīng);TiO2對有機(jī)物的降解幾乎無選擇,能徹底礦化有機(jī)污染物,無二次污染,可回收重復(fù)利用;同時(shí)TiO2具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和生物穩(wěn)定性。但粉末TiO2難以分離回收、光能利用率不高等問題,使得這項(xiàng)新技術(shù)難以在工業(yè)生產(chǎn)中推廣使用,因此必須將催化劑固定,提高其催化效果.考慮以上兩種物質(zhì)的性能,采用ACF作為載體負(fù)載TiO2催化劑,可利用ACF的吸附性能對室內(nèi)空氣中的低濃度有機(jī)污染物進(jìn)行快速吸附,達(dá)到污染物在ACF載體上的富集,加速光催化反應(yīng)速度,同時(shí)光催化生成的微量中間副產(chǎn)物可以被ACF吸附而難以擴(kuò)散到內(nèi)部空氣中,使之繼續(xù)在催化劑表面進(jìn)行反應(yīng),直至完全轉(zhuǎn)化為無害的二氧化碳、水和簡單的無機(jī)物,使ACF不斷原位再生,無二次污染并可直接利用太陽光來活化TiO2催化劑.3納米TiO2-ACF光催化凈化網(wǎng)結(jié)構(gòu)納米TiO2-ACF光催化凈化技術(shù),即利用將吸附劑活性炭纖維與光催化劑納米TiO2復(fù)合的方法,催化劑采用的是納米TiO2粉末(德國Degussa公司出品的P-25).活性炭纖維（ACF）采用鞍山活性炭纖維廠生產(chǎn)的氈狀粘膠基活性炭纖維,比表面積為1332m2·g-1,微孔直徑為112nm,厚度為2mm.將納米TiO2粉末于水中超聲波分散后形成1%的懸浮液，氈狀粘膠基活性炭纖維浸入其中1min后進(jìn)行提拉，然后置于真空160℃中熱處理4h，反復(fù)幾次，獲得TiO2負(fù)載量不同的復(fù)合體[74納米TiO2-ACF光催化凈化網(wǎng)性能測試試驗(yàn)4.1試驗(yàn)裝置用一個(gè)密封箱體來模擬空調(diào)房間(參數(shù)要求:房間內(nèi)溫度為19～25℃,相對濕度為65%),選取箱體的尺寸為3m×1.5m×1.5m,其體積為6.75m3,箱體采用木質(zhì)材料制成,壁材10cm板間使用鋁箔膠帶密封,圖1試驗(yàn)裝置工作原理圖2凈化裝置內(nèi)部工作原理圖4.2試驗(yàn)方法試驗(yàn)選擇甲醛作為試驗(yàn)氣體.大量調(diào)查已表明,由于建筑裝飾材料的大量使用,在居室內(nèi)甲醛的散發(fā)量占所有室內(nèi)有機(jī)污染物之首,室內(nèi)甲醛質(zhì)量濃度最高[8],因此選擇甲醛作為檢測空氣凈化設(shè)備的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)之一.另外,甲醛檢測器使用方便、精確度較高,便于測量.在密閉箱上的采樣口用注射器注入一定質(zhì)量濃度的污染物,開穩(wěn)流風(fēng)扇電源,使氣體污染物在箱體中均勻分布,關(guān)閉風(fēng)扇電源后再開風(fēng)機(jī)及紫外線燈使復(fù)合光催化凈化網(wǎng)降解甲醛,其后定時(shí)從采樣口測量箱體內(nèi)氣體污染物的質(zhì)量濃度,以檢測凈化網(wǎng)的性能,單次采氣時(shí)間為20s,測量精度15%左右.箱體的氣密性檢驗(yàn).方法是在密閉箱體中注入一定量NH3,打開穩(wěn)流風(fēng)扇,待箱體內(nèi)NH3的質(zhì)量濃度基本分布均勻后開始測量,以后每隔一段時(shí)間測量一次質(zhì)量濃度,連續(xù)測量2h,觀察質(zhì)量濃度變化,若質(zhì)量濃度在誤差范圍以內(nèi)相等,則認(rèn)為密閉箱體氣密性很好,可以進(jìn)行試驗(yàn).5納米TiO2-ACF光催化凈化裝置性能分析5.1不同凈化裝置性能對比測試試驗(yàn)分別采用ACF吸附凈化裝置、納米TiO2光催化凈化裝置、復(fù)合技術(shù)凈化裝置在靜態(tài)環(huán)境中測試甲醛和氨氣的質(zhì)量濃度變化,測試140min,試驗(yàn)結(jié)果如表1.由試驗(yàn)結(jié)果可以看出復(fù)合技術(shù)的凈化裝置對甲醛的凈化效率達(dá)到了98.8%,這是由于ACF在凈化網(wǎng)中不但能吸附污染物,同時(shí)通過吸附使污染物在ACF表面富集而為TiO2催化劑提供高質(zhì)量濃度環(huán)境,從而大大加快了光催化降解反應(yīng)的速率.對于無機(jī)污染物NH3的凈化效率又遠(yuǎn)高于ACF的,這是由于ACF表面吸附的污染物通過表面遷移等途徑轉(zhuǎn)移到TiO2光催化劑表面發(fā)生光催化降解反應(yīng),使ACF得以再生.而且在凈化過程中無中間微污染物生成,這是由于ACF的吸附作用使光催化反應(yīng)可能產(chǎn)生的中間產(chǎn)物在產(chǎn)生時(shí)即被吸附并進(jìn)一步氧化降解為簡單的無機(jī)物水和二氧化碳[9].表1三種凈化網(wǎng)凈化甲醛和氨氣的凈化效率比較凈化裝置甲醛濃度凈化效率(%)副產(chǎn)物氨氣濃度凈化效率(%)副產(chǎn)物初始C0(mg/m3)凈化CT(mg/m3)初始C0(mg/m3)凈化CT(mg/m3)ACF吸附網(wǎng)5519.664.4NO160103.835.1NOTiO2光催化網(wǎng)5513.7575Yes16043.273YesTiO2-ACF復(fù)合凈化網(wǎng)550.798.8NO1602.7298.3NO5.2納米TiO2-ACF復(fù)合后的ACF吸附特性測試試驗(yàn)中選用的凈化網(wǎng)將ACF的吸附凈化能力與納米TiO2光催化降解功能有機(jī)的結(jié)合在一起,首先考察了負(fù)載納米TiO2對ACF吸附能力的影響.試驗(yàn)條件:靜態(tài)氣流條件下進(jìn)行,測試溫度25℃,相對濕度55%。從圖3結(jié)果可以看出,納米TiO2負(fù)載前后凈化網(wǎng)對甲醛的吸附性能沒有顯著變化,即該負(fù)載方法可以較完整地保留ACF的吸附能力.注射的甲醛濃度（mg/m3）注射的甲醛濃度（mg/m3）·無負(fù)載TiO2·負(fù)載TiO2吸附的甲醛濃度（mg/m3）圖3TiO2負(fù)載對活性炭吸附能力的影響對ACF負(fù)載TiO2前后的比表面積進(jìn)行測試,結(jié)果表明未負(fù)載TiO2的ACF網(wǎng)比表面積為1332.0m2/g,TiO2的比表面積為50m2/g,負(fù)載了TiO2的納米TiO2-ACF復(fù)合凈化網(wǎng)比表面積為1178.2m2/g,5.3納米TiO2-ACF復(fù)合后的納米TiO2光催化劑性能測試試驗(yàn)條件:靜態(tài)條件氣流下進(jìn)行,測試溫度25℃,相對濕度55%.表2給出了納米TiO2光催化凈化網(wǎng)對甲醛和氨氣的凈化效果.跟蹤凈化過程中污染物的質(zhì)量濃度隨凈化時(shí)間的變化發(fā)現(xiàn),在開始的10min內(nèi),污染物質(zhì)量濃度迅速下降,如甲醛從初始質(zhì)量濃度5.2mg/L迅速下降至10min后的2.1mg/L,并在隨后的近3h內(nèi)甲醛質(zhì)量濃度由2.1mg/L緩慢降至0.73mg/L,NH3的跟蹤分析表明:在整個(gè)凈化過程中其質(zhì)量濃度是平緩增加的.由此可以認(rèn)為,凈化開始時(shí)主要是吸附凈化,它是一個(gè)快過程,而光催化凈化是一個(gè)較慢的過程,并且貫穿整個(gè)凈化過程.因此,在復(fù)合凈化網(wǎng)中,表2不同污染物的光催化凈化結(jié)果污染物初始濃度(mg/m3)降解后濃度(mg/m3)凈化效率(%)甲醛5.20.7398.6氨氣60.3956納米TiO2-ACF復(fù)合凈化網(wǎng)凈化性能的影響因素分析6.1納米TiO2-ACF復(fù)合光催化凈化網(wǎng)的阻力對于在通風(fēng)系統(tǒng)中使用的任何過濾器而言，阻力大小是衡量凈化設(shè)備性能重要的參數(shù)。眾所周知，壓降的增加會使成本增加，因此在實(shí)際中要求化學(xué)過濾器的壓降不能過大.但是在空調(diào)循環(huán)系統(tǒng)中化學(xué)過濾器壓降的不實(shí)際降低會使過濾器高的效率變得不能實(shí)現(xiàn).這就要求設(shè)計(jì)者在達(dá)到滿意的性能條件的情況下使壓降最小.對納米TiO2-ACF復(fù)合光催化凈化網(wǎng)在不同風(fēng)速下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得出了凈化網(wǎng)阻力與風(fēng)速之間的關(guān)系。如圖4可以看出阻力都隨著迎風(fēng)面風(fēng)速增加而增加，并接近正比關(guān)系.試驗(yàn)結(jié)果顯示了氣體流經(jīng)凈化網(wǎng)后阻力壓降極小.迎風(fēng)面阻力（Pa）迎風(fēng)面阻力（Pa）/Pa迎風(fēng)面風(fēng)速（m/s）圖4納米TiO2-ACF復(fù)合光催化凈化網(wǎng)阻力與其迎風(fēng)面風(fēng)速之間的關(guān)系6.2紫外光強(qiáng)度對納米TiO2-ACF光催化凈化網(wǎng)降解甲醛的影響由甲醛光催化反應(yīng)機(jī)理可以看出，光強(qiáng)是生成光致電子和空穴的必要條件，因此我們研究光強(qiáng)對甲醛光催化反應(yīng)的影響。實(shí)驗(yàn)條件：實(shí)驗(yàn)溫度(25±1)℃，甲醛初始濃度C0=1.69mg/m3，相對濕度=55%，改變光強(qiáng)，分別做光強(qiáng)隨時(shí)間的變化曲線。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5，可以看出光照是TiO2催化劑發(fā)生光催化降解的必要條件，并且光催化效率隨著光強(qiáng)的增大而有一定的提高，即光強(qiáng)是決定光催化反應(yīng)速率的一個(gè)重要因素，光強(qiáng)增大，反應(yīng)速率越快。因而隨著光強(qiáng)的增大，降解效率明顯的增大，這主要是由于光源的能量分布及光強(qiáng)度越大產(chǎn)生的光子數(shù)目增多，光強(qiáng)度越大，這樣TiO2受光激發(fā)產(chǎn)生的電子和空穴濃度也就越大，產(chǎn)生的光子數(shù)目和電子數(shù)目就越多，進(jìn)而產(chǎn)生的活性氧和自由基就越多。因此光反應(yīng)速率越高，光反應(yīng)的活化能源于光子的能量，可以視光子為反應(yīng)物，因此光源的能量分布及光強(qiáng)度的大小對反應(yīng)速率都有明顯的影響。但是降解效率隨著光強(qiáng)的增大而提高，也存在一極限值，這就是光催化劑的活性問題及反應(yīng)物吸附問題而導(dǎo)致的。因此當(dāng)光強(qiáng)由124w／cm2增加到250w／cm2時(shí)，凈化效率并沒有發(fā)生明顯的提高。時(shí)間/min甲醛濃度時(shí)間/min甲醛濃度/mg·m-3圖5不同紫外光強(qiáng)度條件下對甲醛降解效率的影響6.3空氣流動(dòng)速度對納米TiO2-ACF復(fù)合光催化凈化網(wǎng)凈化效果的影響如圖6、7、8所示為甲醛的初始濃度隨時(shí)間變化的關(guān)系曲線.我們可以看出,甲醛初始濃度越高,光催化凈化效果越顯著，這個(gè)結(jié)果可以利用質(zhì)量作用定律來解釋.圖9比較了復(fù)合光催化凈化裝置在室內(nèi)甲醛質(zhì)量濃度處于高濃度為160mg/m3,空調(diào)送風(fēng)速度分別為高速v1=3.5m/s、中速v2=2.5m/s、低速v3=0.8m/s情況下的凈化效果.可以看出,在甲醛質(zhì)量濃度較高情況下,當(dāng)空調(diào)送風(fēng)速度為v3=0.8m/s時(shí),凈化效果與高速v1=3.5m/s時(shí)結(jié)果差別不大,其凈化效率相差不超過8%.這說明復(fù)合技術(shù)較好的克服了其他凈化裝置在風(fēng)速升高時(shí)的凈化效率降低的缺點(diǎn).時(shí)間/min甲醛濃度/時(shí)間/min甲醛濃度/mg·m-3圖6風(fēng)速V=3.5m/s時(shí)甲醛濃度隨時(shí)間變化關(guān)系時(shí)間/min甲醛濃度/時(shí)間/min甲醛濃度/mg·m-3圖7風(fēng)速V=2.5m/s時(shí)甲醛濃度隨時(shí)間變化關(guān)系時(shí)間/min甲醛濃度/mg·m時(shí)間/min甲醛濃度/mg·m-3圖8風(fēng)速V=0.8m/s時(shí)甲醛濃度隨時(shí)間變化關(guān)系時(shí)間/min甲醛濃度/時(shí)間/min甲醛濃度/mg·m-3圖9不同送風(fēng)速度對納米TiO2-ACF復(fù)合光催化凈化網(wǎng)凈化效率的影響6.4甲醛初始質(zhì)量濃度對納米TiO2-ACF復(fù)合光催化凈化網(wǎng)凈化效果的影響在室內(nèi)溫度、濕度、迎面風(fēng)速等條件固定的情況下,甲醛質(zhì)量濃度變化與初始濃度的關(guān)系如圖10.圖10不同送風(fēng)速度下甲醛的質(zhì)量濃度隨時(shí)間的變化曲線對以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn),甲醛初始質(zhì)量濃度越高,復(fù)合光催化凈化效果越顯著,這個(gè)結(jié)果可以利用質(zhì)量作用定律來解釋.但是可以看出,在不同風(fēng)速條件下,其凈化效果差別不大,這說明復(fù)合光催化技術(shù)很好的發(fā)揮了ACF吸附和納米TiO2光催化氧化凈化的優(yōu)勢.7結(jié)論 (1)試驗(yàn)中測試的三種凈化裝置凈化空氣中微量甲醛和氨氣,其中納米TiO2-ACF復(fù)合光催化技術(shù)的凈化裝置具有較高的凈化效率,對有機(jī)污染物和無機(jī)污染物都具有較高的凈化效率.(2)納米TiO2-ACF復(fù)合光催化技術(shù)的凈化裝置在處理靜態(tài)氣流中高濃度甲醛和氨氣的凈化效率達(dá)到了98.8%和98.3%，比相同條件下單獨(dú)使用ACF吸附段和TiO2光催化段的凈化效率提高了30%和60%.(3)借助ACF的吸附作用,對空氣中低質(zhì)量濃度的污染物進(jìn)行快速的吸附凈化和表面富集,加快了污染物光催化降解反應(yīng)速率,抑制了光催化中間產(chǎn)物的釋放，提高了污染物光催化氧化速率。并且TiO2的光催化作用促使被ACF吸附的污染物向TiO2表面遷移,使活性炭的吸附能力得以恢復(fù),實(shí)現(xiàn)了活性炭的原位再生.(4)對于納米TiO2-ACF復(fù)合光催化網(wǎng),一定的空氣流速對其凈化的效果影響不大,當(dāng)迎風(fēng)面風(fēng)速高速與低速時(shí),凈化效率相差不超過8%;污染物的初始質(zhì)量濃度越高凈化效果越顯著.當(dāng)污染物質(zhì)量濃度較低時(shí)其凈化能力仍高于單一凈化技術(shù),比同類凈化設(shè)備的凈化效率提高20%.(5)紫外光強(qiáng)度越大，污染物的降解速率也越大，但光強(qiáng)有一定的限值，光強(qiáng)增大的同時(shí)也耗費(fèi)大量的電能.目前，實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，較理想的紫外光強(qiáng)度是250.參考文獻(xiàn)[1]PopeCA,ThunMJ,NamboodiriMM,etal.ParticulateairpollutionasapredictorofmortalityinaprospectivestudyofUSadults[J].AmJRespirCritCareMed,1995,151:669674.[2]ArdenPC,RandyWH,MartinGV.Particu