活性炭-纳米二氧化钛光催化净化网的制备及性能研究

活性炭-纳米二氧化钛光催化净化网的制备及性能研究

随着空气污染的加剧和室内空气污染的普及，室内污染不容忽视。目前普遍使用的活性炭吸附法尽管有诸多优势,但存在饱和吸附状态,需要再生。在近20年的研究中,发现光催化剂能够使几乎所有的污染物发生氧化还原反应而转变为无害物,由于光催化技术直接用空气中O2作氧化剂,且反应条件温和(常温、常压),因此是一种非常便利的空气净化技术。但单一污染物在空气中存在浓度极低,极低浓度污染物的光催化降解速率较慢,并且光催化将污染物矿化要经过许多中间步骤,生成有害的中间产物。为克服这些不足,众多研究者近年来将光催化技术与吸附技术结合在一起[3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13]。但是在这一领域仍存在许多未知的因素和缺陷。如活性炭与TiO2的复合方式,研究者普遍用TiO2的前驱体与活性炭混合再使前驱体转变为TiO2,或将TiO2与活性炭混合后成型的方法。也有研究者用TiO2的前驱体与活性炭的前驱体相混合,再一起碳化、活化的方法来制备复合体。以上这些复合方式都不同程度地使TiO2光催化活性下降。所以有必要开发新的光催化剂TiO2和吸附剂活性炭的复合体制备方法。本研究将吸附剂活性炭与光催化剂纳米TiO2复合形成TiO2涂覆在活性炭表面的薄壳型复合结构,达到了较高的光催化反应速率并消除了中间产物的二次污染。1实验部分1.1活性炭质碳复合载体将支承体、活性炭和TiO2光催化剂构造成具有直通孔的多层结构的蜂窝状整体式净化网。其最内层是支承体,如耐水的牛皮纸,构成六角蜂窝状孔,六角形边长为1mm,六角蜂窝孔作为光和气体的直通孔道。在支承体上粘接活性炭形成吸附层,胶粘剂为聚丙烯酸丁酯乳胶,所用活性炭是60～400目的高碘值粉炭如椰壳炭、果壳炭等,粘接时要形成均匀活性炭层,活性炭层厚度约1mm。光催化剂TiO2负载在活性炭粉末颗粒上形成最外层的光催化剂层。将纳米(10～50nm)TiO2(P25Degussa公司产品)粉末用超声分散法直接分散在水中,制得团聚体不大于100nm的含固量w=0.05的浆料,然后将支承体和活性炭形成的复合载体用上述TiO2浆料浸涂3次,每次浸涂后在160°C和真空条件下烘4h。由此得到TiO2负载在活性炭颗粒上的薄壳型吸附剂和光催化剂复合的净化网。1.2光束化性能评价1.2.1模拟污染物的测定将本文设计的光催化净化器放置在体积为125L的密封箱体内,向立方体箱内定量注入模拟污染物,然后开启风扇和紫外灯,每隔一定时间取样进行分析。本文设计的光催化净化器是将进气窗、两盏特征波长为254nm的6W紫外灯、净化网、风机和出气窗依次组装在400mm×350mm×100mm的长方体内,使气体能循环通过净化网。1.2.2氢火焰离子化检测氨气的分析:次氯酸钠-水扬酸分光光度法;硫化氢的分析:亚甲基蓝分光光度法;三氯乙烯、甲苯和甲醛的分析:气相色谱法,氢火焰离子化检测器;一氧化碳和二氧化碳的分析:气相色谱法,经甲烷化转化器后用氢火焰离子化检测器检测。1.3管压差计:u型管压差计,u型管压差计内水管,内水管压计,内为水管.压力降测定装置由内径为2.5cm的玻璃管,转子流量计,U型管压差计(压差计内为水)组成;剪取净化网圆片(直径为2.5cm)固定于玻璃管中,向玻璃管通入氮气,测定流量,压差,通过计算得出流速-压差关系。1.4tem模型TiO2浆料的分散状态用透射电镜观察(TEM为JEOL1200EX型)。比表面积用北京分析仪器厂生产的S-03型比表面积测定仪,以流动态低温N2吸附法测定。2结果与讨论2.1阻力压降小净化网的阻力测定结果如表1,实验结果显示气体流经净化网后阻力压降极小,这是因为边长为1mm的六角形蜂窝状直通孔为气体的流动提供了通道。因而净化网可方便地应用于各种家用电器上,如空调器、空气净化器、冰箱、消毒机、取暖器、加湿器等。2.2活性炭负载前后净化网的吸附性能所研制的净化网将活性炭的吸附净化功能与TiO2光催化降解净化功能有机地结合在一起,首先考察了浸涂法负载TiO2对活性炭吸附能力的影响。从图1的结果可知TiO2负载前后净化网对污染物的吸附性能没有显著变化,即该负载方法可以较完整地保留活性炭的吸附能力。对负载TiO2前后活性炭的比表面积进行测试,结果表明未负载TiO2的活性炭的比表面积为1287.4m2/g,TiO2的比表面积为50m2/g,负载了w=0.10的TiO2的TiO2/活性炭复合粉的比表面积为1133.2m2/g,与理论计算值1163.7m2/g相当。从上述比表面积和吸附量的测定结果可知负载TiO2前后活性炭的吸附能力和比表面积均没有显著变化。2.3浸渍次数对ti2光催化反应的影响通过适当的方法将初级粒径为200～300nm的TiO2分散成接近单分散的TiO2/水浆料。图2为浆料中TiO2粒子的TEM照片,由此可见基本上已将TiO2的团聚体分散,制得接近单分散的平均粒径为30～50nm的稳定浆料。将支承体和活性炭形成的复合载体浸泡在上述单分散的TiO2浆料中,真空干燥后可得负载牢固的TiO2光催化剂薄壳层,TiO2的负载随浸渍次数增加而增加。从图3可知,当浸渍次数从1次增加至3次时,光催化反应生成的CO2量明显增加,但浸渍4次时,光催化活性增加很少。由此可以推断随浸渍次数增加TiO2层厚度增加,使紫外光不能完全透过,而使部分TiO2层起不到催化作用。2.4光催化净化能力,其重点在于初始浓度为5.表2给出了光催化净化网对甲苯、三氯乙烯、甲醛、一氧化碳、硫化氢、氨气的净化效果。跟踪净化过程中污染物的浓度随净化时间的变化发现,在开始的10min内,污染物浓度迅速下降,如甲苯从初始浓度1.2mg/L迅速降至10min后的0.21mg/L,并在随后的近3h内由0.21g/L缓慢降至0.0144mg/L,CO2的跟踪分析表明在整个净化过程中其浓度是平缓增加的。由此可以认为净化开始时主要是吸附净化,它是一个快过程,而光催化净化是一个较慢的过程,并且贯穿整个净化过程。因此在复合净化网中,吸附和光催化降解两种净化能力均在污染物的净化过程起作用。而对于活性炭吸附性较差的一氧化碳,因为吸附净化效果差,而使得其整体净化效率较其它污染物低。2.5ti2催化剂的光催化降解性能为探讨所研制的复合光催化净化网的净化过程,将单纯活性炭吸附净化(AC/支承体)、单纯TiO2光催化降解净化(TiO2/支承体)、活性炭与TiO2简单混合物净化网((TiO2+AC)/支承体)与所研制的活性炭负载壳层TiO2的光催化复合净化网(TiO2/AC/支承体)的净化过程进行了对比,结果如表3。对比表3TiO2/支承体与TiO2/AC/支承体的CO2生成量可知,活性炭在净化网中既能吸附污染物,同时通过吸附使污染物在活性炭表面富集而为TiO2催化剂提供高浓度环境,从而大大加快了光催化降解反应的速率。这与文献指出的适中吸附强度的载体富集污染物加速光催化反应的现象是一致的。由表3还可知,TiO2/AC不仅光催化产生CO2的速率较单纯TiO2快,而且不释放中间副产物,这是因为活性炭的吸附作用使光催化反应可能产生的中间产物在产生时即被吸附并进一步氧化降解为简单的无机物如水、二氧化碳。所以活性炭不仅加速了光催化反应而且避免了中间产物的释放。从表3还可看出TiO2/AC复合净化网比单纯的活性炭净化网具有更高的净化率。这是由于活性炭表面吸附的污染物通过表面迁移等途径转移到TiO2光催化剂表面发生光催化降解反应,使活性炭得以再生,即复合净化网具备使活性炭原位再生的能力。从表3中TiO2和活性炭简单混合再负载到支承体上的净化网的净化结果可知,由于TiO2与活性炭简单混合,有部分活性炭包覆在TiO2表面,对于这部分被包覆的TiO2,紫外光先要经过不透光的活性炭层,从而使到达TiO2颗粒表面的紫外光强度减弱,使光催化降解效率下降。又由于TiO2和活性炭这种简单混合,不能达成污染物从活性炭向TiO2表面迁移的过程,因此对于TiO2,非但没有因活性炭吸附提供其富集的污染物高浓度环境,反而因污染物先被活性炭吸附而使TiO2周围环境中的污染物浓度更低,从而大大降低了光催化降解的速度。又因为污染物不能从活性炭的表面迁移至TiO2表面由光催化反应过程脱除,因此也就不能实现活性炭原位再生的过程。同时TiO2与活性炭的简单混合也不能抑制副产物的释放。3光催化降解活性本研究制备的复合净化网具有以下特点:(1)将支承体、吸附剂活性炭和光催化剂TiO2有机地形成一个具有层次结构的整体。其中,光催化TiO2处于最外层,这样的结构使得紫外光在没有遮挡的条件下直接作用在TiO2光催化剂上,实现了较高的光利用率。(2)借助活性炭的吸附作用,对