014活性炭-纳米TiO2复合光催化网处理空气中微量甲醛的实验研究正文

活性炭-纳米TiO2复合光催化网处理空气中微量甲醛的实验研究胡艳军1冯国会1李国建1曹广宇1袁泉1(1沈阳建筑大学市政与环境工程学院，辽宁沈阳110168)摘要：本文提出了新型净化技术活性炭-TIO2光催化复合技术并进行了净化实验研究。通过模拟空调系统分析了不同条件下复合净化网的净化效率,同时对三种净化装置复合光催化净化网、TIO2光催化净化网、活性炭吸附网的在空调系统净化甲醛的净化性能进行了对比分析。同时通过实验，得出了该净化网对于无机和有机污染物具有较强的吸附氧化能力、较小的空气阻力、在净化过程中无中间副产物生成以及实现了活性炭的原位再生，延长了净化网的使用周期等结论。实验证明新型净化技术活性炭-TIO2光催化复合技术弥补了当前净化技术在实际应用中的不足，提高了净化效率，比同类净化设备的净化效率提高20%。同时为净化技术的在空调系统中的应用提供了工业化生产基础。关键词：活性炭-TIO2光催化复合；净化技术；污染物；室内空气品质据统计，一个人一天需要呼吸20—30kg空气，消耗1kg固体食物、3kg液体食物。因而，我们希望我们呼吸的空气和所食用的食物具有同样的质量[1]。随着人们对生活质量要求的提高，室内空气品质（IAQ）已被人们广泛关注。但由于建筑装修材料产生的挥发性有机化合物（VOC）以及人员活动产生的无机污染物，已严重影响了IAQ，使得长期生活和工作在现代建筑的人们表现出一系列疾病症状[2]～[3]。目前，对于控制室内环境中微污染物的技术研究进展很快，在净化技术方面，早期出现的活性炭吸附法以及近年来的一项新净化技术纳米TIO2光催化净化法等在处理室内空气中污染物都具有一定的效果，并且这些净化技术已应用到相应的材料和设备中[4]。经过大量实验研究发现，活性炭吸附法和TIO2光催化法在处理静态环境中的高浓度的微污染物具有较高的净化效率，但在动态系统中，如在空调系统中，由于空气流速较大而且微污染物浓度低，其净化效果很差。因此，解决空气污染物净化问题，还应从实际出发，研究高效的净化技术。本文针对空气净化技术及其设备的应用现状，根据空调房间污染物的性质及当前净化技术的最新发展，提出了新型净化技术，以期推动这一产品的升级换代。1活性炭-纳米TIO2复合光催化网结构及材料介绍所谓活性炭-纳米TIO2复合技术，即利用吸附剂活性炭与光催化剂纳米TIO2复合的方法，首先在支承体表面上粘结形成吸附层，胶粘剂为聚丙烯酸丁酯乳胶，所用活性炭为60～400目的高碘值粉炭、果壳炭等，活性炭厚度约1厘米。将纳米（10～5nm）TIO2（P25DEGUSSA公司产品）粉末用超声分散法直接分散在水中，制得团聚体大于100nm的含固量W=0.05的浆料，然后将支撑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℃和真空条件下烘4h。从而最终形成纳米TIO2涂附在活性炭表面的薄壳结构[3]~[4]。实验采用日产的风管型复合光催化净化装置，自带紫外线灯、空气净化网。净化网的支承体材料采用一种新型的波纹纸板互相粘结而成，每相邻两块纸板的波纹错开一定角度，以增大被净化空气与净化体的接触面积，同时使空气在其中有良好的流动性。对构成滤网的固体基和其上的粉末材料分别进行了XRD分析，粉末的XRD图中几条特征峰表明粉末中存在锐钛相TIO2、活性炭MPAC（微孔炭）和ZMS-8辽宁省自然科学基金；建设部科技攻关项目；沈阳市科技攻关项目联合资助。分子筛。密集的小峰反映了材料粒径在10~100nm之间。另外，为对比新型复合净化技术的净化性能，同时进行单一净化技术的纳米光催化空气净化装置和活性炭净化装置的净化性能测试。分别采用日产风管型TIO2净化装置和国产的风管型活性炭吸附装置。2复合净化网性能测试实验部分2.1实验装置用用一一个个密密封封箱箱体体来来模模拟拟空空调调房房间间((参参数数要要求求：：房房间间内内温温度度为为1199℃℃～～2255℃℃，，相相对对湿湿度度为为6655%%)),,选选取取箱体的尺寸为3mX1.5mX1.5m，其体积为6.75m3，箱体采用木质材料制成，壁材10cm板间使用铝箔胶带密封。利利用用一一个个变变频频风风机机提提供供风风流流动动的的动动力力，，通过改变风机供电频率，改变系统风量进行实验。在在风风管管道道之之间间通通过过法法兰兰连连接接一一个个可可换换式式净净化化装装置置。。图1净化网工作原理图2实验装置工作原理2.2实验方法实验选择甲醛作为实验气体,大量调查已表明,由于建筑装饰材料的大量使用,在居室内甲醛的散发量占所有室内有机污染物之首,室内浓度高[5],因此选择甲醛作为检测空气净化设备的实验标准之一.另外,甲醛检测器使用方便、精确度较高，且便于测量。在密闭箱上的采样口用注射器注入一定浓度的污染物，开稳流风扇电源，使气体污染物在箱体中均匀分布，关闭风扇电源后再开风机及紫外线灯使复合光催化净化网开始分解甲醛，其后定时从采样口测量箱体内气体污染物的浓度，以检测净化网的性能，单次采气时间为20s，测量精度15%左右。箱体的气密性检验。方法是在其注入一定量NH3，打开稳流风扇，约1个小时，待箱体内NH3的浓度基本分布均匀后开始测量，以后每隔一段时间测量一次浓度，连续测量2h，观察浓度变化，若浓度在误差范围以内相等，则认为小室气密性很好，可以进行实验[6]。净化网紫外线灯气流方向净化网气流方向3实验结果及分析3.1三种净化装置复合光催化净化网、TIO2光催化净化网、活性炭吸附网的性能对比已有许多学者研究了活性炭和TIO2光催化对有机污染物和无机污染物的净化性能，发现了活性炭对于无机污染物如CO2、NH3等净化效果差，以及TIO2光催化对有机污染物净化过程中生成新的污染物等现象[7]。因此，笔者分别进行了多组实验，分析比较了三种净化网对甲醛和氨气的净化性能。实验分别采用风管型活性炭净化装置、TIO2光催化净化装置、复合技术净化装置在静态环境中测试甲醛和氨气的浓度变化，测试140分钟，实验结果如表1。由实验结果可以看出复合技术的净化装置净化效果显著，对甲醛的净化效率达到了98.8%，这是由于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。对于无机污染物NH3的净化效率又远高于活性炭的，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。而且在净化过程中无中间副污染物生成，这是由于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水和二氧化碳[7]。表1三种净化网净化甲醛和氨气的效率比较ProducedmethodConcentrationofformaldehydeP.E.(%)By-productConcentrationOfNH3P.E.(%)By-productC0CTC0CTAC/S6522.865No16010435NoTIO2/S6516.375Yes1604870YesAC/TIO2/S650.8098.8No1604.897NoS:支撑体C0:污染物初始浓度CT:污染物的最终浓度P.E.:净化效率3.2空气流动速度对复合光催化净化网净化效果的影响图2比较了复合光催化净化装置在室内甲醛浓度处于高浓度，空调送风速度分别为高、中、低速情况下净化效果。可以看出，在甲醛浓度较高情况下，低速时净化效果与高速时结果差别不大，其净化效率相差不超过8%。这说明复合技术较好的克服了其他净化装置在风速升高时的净化效率降低的缺点。图3不同风速下甲醛的浓度变化020406080100120140020406080100120140160甲醛浓度(mg/m3)时间(min)高风速中风速低风速3.3甲醛初始浓度对复合光催化净化网净化效果的影响在室内温度、湿度、迎面风速等条件固定的情况下，甲醛浓度变化与初始浓度的关系如图3、4、5。0204060801001201401600102030405060708090100110120130140150160甲醛浓度变化(mg/m3)时间(min)高浓度低浓度图4高风速下甲醛的浓度随时间的变化0204060801001201401600102030405060708090100110120130140150160甲醛浓度变化(mg/m3)时间(min)高浓度低浓度图5中风速下甲醛的浓度随时间的变化0204060801001201401600102030405060708090100110120130140150160甲醛浓度变化(mg/m3)时间(min)高浓度低浓度图6低风速下甲醛浓度随时间变化由实验结果可见，甲醛初始浓度的越高，复合光催化的净化效果越显著，这个结果可以利用质量作用定律来解释。但是可以看出，在不同风速条件下，其净化效果差别不大，这说明复合光催化技术很好的发挥了活性炭和TIO2光催化氧化净化的优势。3.4复合光催化净化网的阻力气流阻力和净化效率是净化装置的重要性能参数[8]，活性炭-纳米TIO2复合光催化网的阻力测定结果如图7，实验结果显示了气体流经净化网后阻力压降极小。012345678910110306090120150180210迎风面风压(Pa)风速(m/s)图7风速与压降之间的关系4结论⑴实验中测试的三种净化装置消除空气中微量甲醛和氨气，其中应用复合光催化技术的净化网具有较高的净化效率，对有机污染物和无机污染物都具有较强的吸附分解作用。⑵借助活性炭的吸附作用，对空气中极低浓度的污染物进行快速的吸附净化和表面富集，加快了污染物光催化降解反应的速率，抑制了光催化中间产物的释放。⑶TIO2的光催化作用促使被活性炭吸附的污染物向TIO2表面迁移，使活性炭的吸附能力得以恢复，实现了活性炭的原位再生。⑷对于复合光催化网，一定的空气流速对其净化的效果影响不大，当迎风面风速高速与低速时，净化效率相差不超过8%;污染物的初始浓度越高其净化效果越显著，但当污染物浓度较低时其净化能力仍高于单一净化技术。⑸作为评价净化性能的参数，复合光催化网具有很小的气流阻力。5参考文献[1]TiO2activationbyusingactivatedcarbonasasupportPartI.Surfacecharacterisationanddecantabilitystudy，ELSEVIER，AppliedCatalysisB:Environmental44(2003)161～172[2]周中平，赵寿堂.室内污染检测与控制.北京：化学工业出版社[3]吴忠标，赵伟荣.室内空气污染及净化技术.化学工业出版社[4]TsuksaT,NorihikoT,Yoneyama,EffectofactivatedcarboncontentionTIO2loadedactivatedcarbononphotodegradationbehaviorofdichlorimethane[J],JPhotobioPhotochemAChem,1997,103(3);153～157[5]TakashiI.Removaloflowconcentrationnitrogenoxidesthroughphotoassistedhetero-geneouscatalysis[J]JMoleCatal,1994,88(1):93～102[6]崔九思.室内空气污染监测方法.北京：化学工业出版社[7]杨瑞,张演平,纳米光催化空气滤网处理空气中微量甲苯的实验研究，暖通空调，2003年第33卷第5期，28～31[8]高立新，室内空气净化器的现状及改进措施，哈尔滨工业大学学报，2004第36卷第2期，199～201[9]KnudsenH.N.,KjaerU.D.andNielsenP.A.,Characterizationofemissionsfrombuildingproducts:long-termsensoryevaluation,theimp