氣態(tài)污染控制機(jī)理及方法)

1、室內(nèi)污染控制與潔凈技術(shù)第五章第五章 空氣中氣態(tài)污染機(jī)理及方法空氣中氣態(tài)污染機(jī)理及方法 吸附凈化吸附凈化5.1光催化光催化( (光觸媒光觸媒) )凈化凈化5.2非平衡等粒子體凈化非平衡等粒子體凈化5.3負(fù)離子凈化負(fù)離子凈化5.4臭氧凈化臭氧凈化5.5室內(nèi)污染控制與潔凈技術(shù)5.1 5.1 吸附凈化吸附凈化 吸附作為工業(yè)上的一種分離過(guò)程，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在化工、石油、吸附作為工業(yè)上的一種分離過(guò)程，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在化工、石油、食品、輕工業(yè)及高純氣體的制備等工業(yè)部門。由于吸附具有很高的選擇食品、輕工業(yè)及高純氣體的制備等工業(yè)部門。由于吸附具有很高的選擇性和高分離效果，能脫除痕量（性和高分離效果，能脫除痕量（

2、1010-6-6級(jí)）物質(zhì)，所以在空氣污染控制中級(jí)）物質(zhì)，所以在空氣污染控制中吸附凈化法日益受到重視，特別是用于去除其它方法難以分離的低濃度吸附凈化法日益受到重視，特別是用于去除其它方法難以分離的低濃度有害物質(zhì)和處理排放標(biāo)準(zhǔn)要求嚴(yán)格的廢氣效果更好。有害物質(zhì)和處理排放標(biāo)準(zhǔn)要求嚴(yán)格的廢氣效果更好。 5.1.1 5.1.1 吸附過(guò)程的理論基礎(chǔ)吸附過(guò)程的理論基礎(chǔ) 吸附法就是利用多孔性的固體物質(zhì)吸附法就是利用多孔性的固體物質(zhì), ,將將1 1種或幾種物質(zhì)吸附在其表種或幾種物質(zhì)吸附在其表面而去除的方法。根據(jù)固體表面吸附力的不同，吸附可分為：面而去除的方法。根據(jù)固體表面吸附力的不同，吸附可分為： 物理吸附物理吸

3、附 化學(xué)吸附化學(xué)吸附室內(nèi)污染控制與潔凈技術(shù)5.1 5.1 吸附凈化吸附凈化1 1）物理吸附）物理吸附吸附劑和吸附質(zhì)之間通過(guò)分子間產(chǎn)生的吸附，稱為物理吸附。吸附劑和吸附質(zhì)之間通過(guò)分子間產(chǎn)生的吸附，稱為物理吸附。 物理吸附因不發(fā)生化學(xué)作用，所以在低溫下就能進(jìn)行。一種吸附劑可物理吸附因不發(fā)生化學(xué)作用，所以在低溫下就能進(jìn)行。一種吸附劑可吸附多種吸附質(zhì)，沒有選擇性，只是一種吸附劑對(duì)各種吸附質(zhì)的吸附量是吸附多種吸附質(zhì)，沒有選擇性，只是一種吸附劑對(duì)各種吸附質(zhì)的吸附量是不同的。不同的。 物理吸附的特性：物理吸附的特性：1.1.具有可逆性具有可逆性( (可逆過(guò)程可逆過(guò)程) )；4.4.一種吸附劑可吸附多種物質(zhì)，

4、無(wú)選擇性一種吸附劑可吸附多種物質(zhì)，無(wú)選擇性( (只是吸附量不同而已只是吸附量不同而已) )。3.3.吸附和解析后的物質(zhì)的性質(zhì)沒有改變；吸附和解析后的物質(zhì)的性質(zhì)沒有改變；2.2.低溫下吸附，高溫下可解析；低溫下吸附，高溫下可解析；室內(nèi)污染控制與潔凈技術(shù)5.1 5.1 吸附凈化吸附凈化2 2）化學(xué)吸附）化學(xué)吸附 化學(xué)吸附是吸附劑和吸附質(zhì)之間發(fā)生的化學(xué)作用，是由化化學(xué)吸附是吸附劑和吸附質(zhì)之間發(fā)生的化學(xué)作用，是由化學(xué)鍵力引起的。學(xué)鍵力引起的。 化學(xué)吸附的特性：化學(xué)吸附的特性：1.1.吸附是由化學(xué)鍵力引起的；吸附是由化學(xué)鍵力引起的；4.4.吸附過(guò)程一般為不可逆過(guò)程；吸附過(guò)程一般為不可逆過(guò)程；3.3.吸附

5、具有選擇性吸附具有選擇性( (只能吸附一種或幾種物質(zhì)只能吸附一種或幾種物質(zhì)) )；2.2.一般在較高環(huán)境下進(jìn)行；一般在較高環(huán)境下進(jìn)行；5.5.不易解析，即使高溫解析了，解析的氣體會(huì)改變?cè)匦?。不易解析，即使高溫解析了，解析的氣體會(huì)改變?cè)匦浴Ｎ锢砦胶突瘜W(xué)吸附并不是孤立的，往往相伴發(fā)生。物理吸附和化學(xué)吸附并不是孤立的，往往相伴發(fā)生。 室內(nèi)污染控制與潔凈技術(shù)5.1 5.1 吸附凈化吸附凈化5.1.2 5.1.2 吸附劑及其選擇吸附劑及其選擇一、對(duì)吸附劑的要求：一、對(duì)吸附劑的要求： （1)1)有大的比表面積有大的比表面積, ,吸附能力強(qiáng)吸附能力強(qiáng);(2);(2)吸附選擇性要好吸附選擇性要好;(3)

6、;(3)具有一定的粒具有一定的粒度度, ,較高的機(jī)械強(qiáng)度、化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性較高的機(jī)械強(qiáng)度、化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性;(4);(4)大的吸附容量大的吸附容量;(5);(5)來(lái)源來(lái)源廣泛廣泛, ,價(jià)格低廉價(jià)格低廉;(6);(6)容易再生和再利用。容易再生和再利用。二、常用吸附劑及其功能二、常用吸附劑及其功能：見表：見表5.15.1 表表5.1 5.1 各種吸附劑可去除的有害氣體各種吸附劑可去除的有害氣體吸附劑吸附劑可去除的有害氣體可去除的有害氣體活性炭活性炭苯、甲苯、二甲苯、丙酮、乙醇、乙醚、甲醛、苯乙烯、氯乙烯、惡臭物質(zhì)、硫苯、甲苯、二甲苯、丙酮、乙醇、乙醚、甲醛、苯乙烯、氯乙烯、惡臭物質(zhì)、硫化

7、氫、氯氣、硫氧化物、氮氧化物、氯仿、一氧化碳化氫、氯氣、硫氧化物、氮氧化物、氯仿、一氧化碳浸漬活性炭浸漬活性炭烯烴、胺、酸霧、堿霧、硫醇、二氧化硫、氟化氫、氯化氫、氨氣、汞、甲醛烯烴、胺、酸霧、堿霧、硫醇、二氧化硫、氟化氫、氯化氫、氨氣、汞、甲醛活性氧化鋁活性氧化鋁硫化氫、二氧化硫、氟化氫、烴類硫化氫、二氧化硫、氟化氫、烴類浸漬活性氧化鋁浸漬活性氧化鋁甲醛、氯化氫、酸霧、汞甲醛、氯化氫、酸霧、汞硅膠硅膠氮氧化物、二氧化硫、乙炔氮氧化物、二氧化硫、乙炔分子篩分子篩氮氧化物、二氧化硫、硫化氫、氯仿、烴類氮氧化物、二氧化硫、硫化氫、氯仿、烴類室內(nèi)污染控制與潔凈技術(shù)5.1 5.1 吸附凈化吸附凈化(1

8、)(1)活性炭活性炭 ( (一一) )活性炭制作活性炭制作 活性炭是目前應(yīng)用較多的一種吸附劑，用于氣體凈化的活性炭是以煤活性炭是目前應(yīng)用較多的一種吸附劑，用于氣體凈化的活性炭是以煤粉等為原料，以煤焦油做調(diào)和劑，成型后經(jīng)干燥、炭化、活化等工序制成。粉等為原料，以煤焦油做調(diào)和劑，成型后經(jīng)干燥、炭化、活化等工序制成。 工藝：原料經(jīng)粉碎及加黏合劑成型后，經(jīng)加熱脫水（工藝：原料經(jīng)粉碎及加黏合劑成型后，經(jīng)加熱脫水（120120130130）、炭化）、炭化（170170600600）、活化（）、活化（700700900900）而制得。）而制得。( (二二) )特性特性(1)(1)具有穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)具有穩(wěn)定的

9、化學(xué)性質(zhì);(2);(2)可以耐強(qiáng)酸、強(qiáng)堿可以耐強(qiáng)酸、強(qiáng)堿;(3);(3)能經(jīng)受水浸、高溫、高能經(jīng)受水浸、高溫、高壓作用壓作用;(4);(4)不易破碎不易破碎;(5);(5)幾何特性見表幾何特性見表5.25.2所示。所示。( (三三) )活性炭的選擇：活性炭的選擇： 活性炭小孔的表面積占比表面積的活性炭小孔的表面積占比表面積的95%95%以上，所以吸附量主要受小孔支以上，所以吸附量主要受小孔支配。由于活性炭的原料和制造方法不同，細(xì)孔的分布情況相差很大，應(yīng)根配。由于活性炭的原料和制造方法不同，細(xì)孔的分布情況相差很大，應(yīng)根據(jù)吸附質(zhì)的分子直徑和活性炭的細(xì)孔分布情況選擇合適的活性炭。據(jù)吸附質(zhì)的分子直徑和

10、活性炭的細(xì)孔分布情況選擇合適的活性炭。 室內(nèi)污染控制與潔凈技術(shù)5.1 5.1 吸附凈化吸附凈化表表5.2 5.2 常用吸附劑的特性常用吸附劑的特性 比表面積比表面積(m(m2 2/g)/g)孔隙體積微觀孔孔隙體積微觀孔/ /宏觀孔宏觀孔 (cm(cm3 3/g/g）松散密度松散密度 （g/Lg/L）比熱容比熱容(J/kg.K)(J/kg.K)活性炭（木炭）活性炭（木炭）10001000150015000.60.60.8;0.50.8;0.50.80.8300300500500840840木炭木炭- -窄孔窄孔600600100010000.30.30.6;0.30.6;0.30.40.4400

11、400500500840840木炭木炭1001000.050.050.10;0.20.10;0.20.30.3600600840840氧化硅膠氧化硅膠- -窄孔窄孔6006008508500.350.350.45;0.10.45;0.1700700800800920920氧化硅膠氧化硅膠- -大孔大孔2502503503500.30.30.45;0.050.45;0.050.100.10400400800800920920活性氧化鋁活性氧化鋁1001004004000.4;0.10.4;0.1700700800800880880分子篩分子篩500500100010000.250.250.30;

12、0.30.30;0.30.40.4600600900900920920物理性質(zhì)物理性質(zhì)吸附劑吸附劑 室內(nèi)污染控制與潔凈技術(shù)5.1 5.1 吸附凈化吸附凈化(2)(2)樹脂吸附劑樹脂吸附劑樹脂吸附劑也叫吸附樹脂，是一種新型有機(jī)吸附劑。具有立體網(wǎng)狀結(jié)樹脂吸附劑也叫吸附樹脂，是一種新型有機(jī)吸附劑。具有立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，呈多孔海綿狀，加熱不熔化，可在構(gòu)，呈多孔海綿狀，加熱不熔化，可在150150下使用，不溶于一般溶劑及酸、下使用，不溶于一般溶劑及酸、堿，比表面積可達(dá)到堿，比表面積可達(dá)到800m800m2 2/g/g；按照基本結(jié)構(gòu)分類，吸附樹脂大體可分為非；按照基本結(jié)構(gòu)分類，吸附樹脂大體可分為非極性、中極性

13、、極性和強(qiáng)極性四種類型。極性、中極性、極性和強(qiáng)極性四種類型。樹脂吸附劑的結(jié)構(gòu)容易人為控制，因而它具有適應(yīng)性大，應(yīng)用范圍廣、樹脂吸附劑的結(jié)構(gòu)容易人為控制，因而它具有適應(yīng)性大，應(yīng)用范圍廣、吸附選擇性特殊、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，并且再生簡(jiǎn)單。吸附選擇性特殊、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，并且再生簡(jiǎn)單。(3(3) )活性炭纖維活性炭纖維 最近研制出的一種活性碳纖維，纖維直徑為最近研制出的一種活性碳纖維，纖維直徑為101020m20m，具有和活性，具有和活性碳一樣的吸附特性。形狀采用碳一樣的吸附特性。形狀采用W W字形、圓筒形、卷繞形等。字形、圓筒形、卷繞形等。室內(nèi)污染控制與潔凈技術(shù)5.1 5.1 吸附凈化吸附凈化 有關(guān)有

14、關(guān)資料報(bào)道，活性炭纖維的外表面積比粒狀活性炭大資料報(bào)道，活性炭纖維的外表面積比粒狀活性炭大100100倍以倍以上兩者的體積密度相差上兩者的體積密度相差1010倍，與粒狀活性炭相比，活性炭纖維有更多倍，與粒狀活性炭相比，活性炭纖維有更多的微孔直接與吸附質(zhì)接觸，而且吸附質(zhì)直接暴露于纖維表面進(jìn)行吸附和的微孔直接與吸附質(zhì)接觸，而且吸附質(zhì)直接暴露于纖維表面進(jìn)行吸附和解析，因而也能更快達(dá)到吸附平衡而更有效地利用微孔。比表面積相同解析，因而也能更快達(dá)到吸附平衡而更有效地利用微孔。比表面積相同時(shí)，活性炭纖維比粒狀活性炭吸附質(zhì)的吸附能力更高，而吸附低濃度的時(shí)，活性炭纖維比粒狀活性炭吸附質(zhì)的吸附能力更高，而吸附低

15、濃度的以及痕量的吸附質(zhì)時(shí)也更有效。以及痕量的吸附質(zhì)時(shí)也更有效。由于活性炭纖維具有優(yōu)異的結(jié)構(gòu)特征以及良好的吸附性能，在室內(nèi)由于活性炭纖維具有優(yōu)異的結(jié)構(gòu)特征以及良好的吸附性能，在室內(nèi)空氣凈化方面也取得了較好的效果，活性炭纖維不僅能廣泛用于有機(jī)物空氣凈化方面也取得了較好的效果，活性炭纖維不僅能廣泛用于有機(jī)物的吸附與清除，而且能夠有效地去除異味。的吸附與清除，而且能夠有效地去除異味。 室內(nèi)污染控制與潔凈技術(shù)5.1 5.1 吸附凈化吸附凈化5.1.5.1. 吸附理論與吸附性能參數(shù)的測(cè)定吸附理論與吸附性能參數(shù)的測(cè)定 吸附平衡與吸附過(guò)程所進(jìn)行的時(shí)間吸附平衡與吸附過(guò)程所進(jìn)行的時(shí)間( (即吸附速率即吸附速率)

16、)是吸附分離效果的關(guān)是吸附分離效果的關(guān)鍵因素。鍵因素。1)1)吸附平衡吸附平衡 吸附質(zhì)與吸附劑長(zhǎng)時(shí)間接觸最終可達(dá)到吸附平衡。吸附質(zhì)與吸附劑長(zhǎng)時(shí)間接觸最終可達(dá)到吸附平衡。 靜吸附量分?jǐn)?shù)用靜吸附量分?jǐn)?shù)用X XT T或或m m吸附質(zhì)吸附質(zhì)/m/m吸附劑吸附劑表示表示( (為無(wú)量綱量為無(wú)量綱量) )。它是設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的。它是設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的一個(gè)重要因素。當(dāng)吸附達(dá)到平衡時(shí)，吸附質(zhì)在氣、固兩相中的濃度間有一定一個(gè)重要因素。當(dāng)吸附達(dá)到平衡時(shí)，吸附質(zhì)在氣、固兩相中的濃度間有一定的等溫吸附函數(shù)關(guān)系。等溫吸附關(guān)系式有多種形式，常用的關(guān)系式的等溫吸附函數(shù)關(guān)系。等溫吸附關(guān)系式有多種形式，常用的關(guān)系式： 朗格謬爾朗格謬爾(

17、(LangmuirLangmuir) )方程式方程式 設(shè)吸附質(zhì)對(duì)吸附劑表明的覆蓋率為設(shè)吸附質(zhì)對(duì)吸附劑表明的覆蓋率為,則未覆蓋率部分為則未覆蓋率部分為(1-),(1-),若氣若氣相側(cè)分壓為相側(cè)分壓為p,p,則吸附速率為則吸附速率為K K1 1P(1-),P(1-),解吸附速率為解吸附速率為K K2 2,當(dāng)吸附達(dá)到平衡當(dāng)吸附達(dá)到平衡時(shí)時(shí), ,則則: :室內(nèi)污染控制與潔凈技術(shù)5.1 5.1 吸附凈化吸附凈化112K PK PK 1TABPXABP 12K P 1- = K 或或 式中式中， - - 吸附、解吸常數(shù)。吸附、解吸常數(shù)。 12,KK 若令若令 , ,以以A A表示飽和吸附量，則單位質(zhì)量吸附

18、劑所吸附的表示飽和吸附量，則單位質(zhì)量吸附劑所吸附的吸附質(zhì)的量吸附質(zhì)的量 可表示為：可表示為： TX12/BKK 上式為朗式方程上式為朗式方程, ,式中式中 為常數(shù)。若將其覆蓋率為常數(shù)。若將其覆蓋率 表示，表示，其中其中 為氣體分壓力為氣體分壓力P P 時(shí)被吸附氣體在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積；時(shí)被吸附氣體在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積； 為吸附劑被為吸附劑被覆蓋滿一層時(shí)被吸附氣體在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積。則上式可改寫成覆蓋滿一層時(shí)被吸附氣體在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積。則上式可改寫成: :/mV V mVV,A B室內(nèi)污染控制與潔凈技術(shù)5.1 5.1 吸附凈化吸附凈化1mmPPVBVV 1mVB PVB P 或或 用用 對(duì)對(duì) 做圖

19、應(yīng)得一條直線。由直線的斜率做圖應(yīng)得一條直線。由直線的斜率 和截距和截距 便可計(jì)算便可計(jì)算 與與 的值。朗式方程能解釋很多試驗(yàn)結(jié)果，是目前常用的等的值。朗式方程能解釋很多試驗(yàn)結(jié)果，是目前常用的等溫吸附方程式。溫吸附方程式。 mV/P V1/mVP1/mBVB2)2)吸附速率吸附速率( (速度速度) ) 吸附過(guò)程常需要較長(zhǎng)時(shí)間才能達(dá)到兩相平衡，而在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，吸附過(guò)程常需要較長(zhǎng)時(shí)間才能達(dá)到兩相平衡，而在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，其接觸時(shí)間是很短的，因此吸附量取決于吸附速率，與吸附過(guò)程有關(guān)。吸其接觸時(shí)間是很短的，因此吸附量取決于吸附速率，與吸附過(guò)程有關(guān)。吸附要經(jīng)過(guò)以下附要經(jīng)過(guò)以下3 3個(gè)過(guò)程：個(gè)過(guò)程： 被

20、吸附物質(zhì)向吸附劑周圍流體界面膜擴(kuò)散，稱為外擴(kuò)散過(guò)程。被吸附物質(zhì)向吸附劑周圍流體界面膜擴(kuò)散，稱為外擴(kuò)散過(guò)程。被吸附物質(zhì)向吸附劑粒子內(nèi)擴(kuò)散，稱為內(nèi)擴(kuò)散過(guò)程。被吸附物質(zhì)向吸附劑粒子內(nèi)擴(kuò)散，稱為內(nèi)擴(kuò)散過(guò)程。吸附劑內(nèi)表面吸附，稱為吸附過(guò)程。吸附劑內(nèi)表面吸附，稱為吸附過(guò)程。室內(nèi)污染控制與潔凈技術(shù)5.1 5.1 吸附凈化吸附凈化 現(xiàn)分析填充密度為現(xiàn)分析填充密度為 , ,吸附劑粒子的外表面為吸附劑粒子的外表面為 , ,填充層長(zhǎng)度為填充層長(zhǎng)度為 的吸附劑填充層上產(chǎn)生的吸附過(guò)程?？梢哉J(rèn)為的吸附劑填充層上產(chǎn)生的吸附過(guò)程?？梢哉J(rèn)為, ,在氣相與吸在氣相與吸附劑粒子的界面上存在著雙層界膜附劑粒子的界面上存在著雙層界膜,

21、 ,如圖如圖5.15.1所示的。所示的。3( /)rg cm 23(/)va cmcml 假設(shè)在界膜層內(nèi)某一點(diǎn)上假設(shè)在界膜層內(nèi)某一點(diǎn)上, ,氣相主體的被吸附物質(zhì)濃度為氣相主體的被吸附物質(zhì)濃度為C ,C ,吸附劑吸附劑粒子表面的被吸附物質(zhì)濃度為粒子表面的被吸附物質(zhì)濃度為C CB B, ,吸附劑表面的吸附量為吸附劑表面的吸附量為q qB B, ,吸附劑粒子內(nèi)吸附劑粒子內(nèi)的吸附量為的吸附量為q q, ,那么單位體積的吸附量隨時(shí)間的變化具有下列關(guān)系式：那么單位體積的吸附量隨時(shí)間的變化具有下列關(guān)系式： GvBSvBdqk aCCk aqqdt 式中式中, , k kG G 氣體界膜標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的分移動(dòng)系數(shù)；

22、氣體界膜標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的分移動(dòng)系數(shù)； k kS S 粒子內(nèi)的物質(zhì)分移動(dòng)系數(shù)。粒子內(nèi)的物質(zhì)分移動(dòng)系數(shù)。 在一般的物理吸附中在一般的物理吸附中, ,第項(xiàng)過(guò)程進(jìn)行得非常迅速第項(xiàng)過(guò)程進(jìn)行得非常迅速, ,而第而第或項(xiàng)決或項(xiàng)決定著吸附全過(guò)程的速度。定著吸附全過(guò)程的速度。室內(nèi)污染控制與潔凈技術(shù)5.1 5.1 吸附凈化吸附凈化 由于式中由于式中C CB B , ,q qB B 往往是很難實(shí)際測(cè)定和判斷的往往是很難實(shí)際測(cè)定和判斷的, ,所以還是把吸附的整所以還是把吸附的整個(gè)過(guò)程歸并到氣相或固相部分個(gè)過(guò)程歸并到氣相或固相部分, ,綜合表示比較方便。如圖綜合表示比較方便。如圖5.25.2所示所示, ,如果如果C C和和q

23、 q分別取平衡點(diǎn)分別取平衡點(diǎn)q q* *和和 , ,則可用下式表示：則可用下式表示： *GvSvdqK aCCK aqqdt *C式中式中, , K KG G 按濃度合并的物質(zhì)總移動(dòng)系數(shù)；按濃度合并的物質(zhì)總移動(dòng)系數(shù)； K KS S 按吸附量之差合并的物質(zhì)總移動(dòng)系數(shù)。按吸附量之差合并的物質(zhì)總移動(dòng)系數(shù)。 圖圖5.1 5.1 雙層界膜模型雙層界膜模型 圖圖5.2 5.2 雙層界膜模型與等溫吸附線的關(guān)系雙層界膜模型與等溫吸附線的關(guān)系 室內(nèi)污染控制與潔凈技術(shù)5.1 5.1 吸附凈化吸附凈化 假設(shè)吸附平衡為已知條件假設(shè)吸附平衡為已知條件, ,則根據(jù)式則根據(jù)式( (5.6)5.6)和式和式(5.7)(5.7

24、)求出物質(zhì)移動(dòng)系求出物質(zhì)移動(dòng)系數(shù)之間的關(guān)系數(shù)之間的關(guān)系, ,令令 , , 則得出下式：則得出下式：*,qCqC *BBCCCCCC 即即111GvGvSvK ak ak a 11SvGvSvK ak ak a 式中式中, , 等溫吸附平衡曲線的平均斜率。等溫吸附平衡曲線的平均斜率。 上式只有在填充層長(zhǎng)度上式只有在填充層長(zhǎng)度l l足夠大時(shí)才能成立。在物理吸附情況下足夠大時(shí)才能成立。在物理吸附情況下, ,用用液體界膜物質(zhì)移動(dòng)系數(shù)液體界膜物質(zhì)移動(dòng)系數(shù)k kL L代替代替k kS S, ,就可以得到與上式完全相同的關(guān)系式。就可以得到與上式完全相同的關(guān)系式。室內(nèi)污染控制與潔凈技術(shù)5.1 5.1 吸附凈化

25、吸附凈化5.1.4 5.1.4 吸附技術(shù)在空氣凈化中的應(yīng)用吸附技術(shù)在空氣凈化中的應(yīng)用 近年來(lái)通過(guò)對(duì)近年來(lái)通過(guò)對(duì)SBSSBS的調(diào)查分析發(fā)現(xiàn)的調(diào)查分析發(fā)現(xiàn), ,現(xiàn)代化大樓最常見的分子污染是現(xiàn)代化大樓最常見的分子污染是VOCVOC污染污染, ,它是建筑內(nèi)各種異味的主要根源它是建筑內(nèi)各種異味的主要根源, ,分子擴(kuò)散速度的量級(jí)大大高于分子擴(kuò)散速度的量級(jí)大大高于微粒。因此微粒。因此, ,控制分子污染是對(duì)通風(fēng)空調(diào)技術(shù)的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)?？刂品肿游廴臼菍?duì)通風(fēng)空調(diào)技術(shù)的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。表表5.45.4比較了活性炭纖維和粒狀活性炭的吸附容量。比較了活性炭纖維和粒狀活性炭的吸附容量。吸附質(zhì)吸附質(zhì)活性炭纖維活性炭纖維粒狀活性炭粒狀

26、活性炭吸附質(zhì)吸附質(zhì)活性炭纖維活性炭纖維粒狀活性炭粒狀活性炭正丁硫醇正丁硫醇1104.81104.8613.0613.0甲甲 苯苯333333243243二甲硫醚二甲硫醚686.6686.6436.6436.6環(huán)乙烷環(huán)乙烷232232185185二硫化碳二硫化碳723.4723.4520.1520.1丙丙 醇醇319319224224苯苯326326213213甲甲 醇醇288288205205苯乙烯苯乙烯328328219219表表5.45.4 有機(jī)物的平衡吸附容量有機(jī)物的平衡吸附容量單位單位:mg/g:mg/g室內(nèi)污染控制與潔凈技術(shù)5.1 5.1 吸附凈化吸附凈化 與粒狀活性炭相比，活性炭纖

27、維除具有大得多的比表面積外，同時(shí)還與粒狀活性炭相比，活性炭纖維除具有大得多的比表面積外，同時(shí)還具有大量的微孔結(jié)構(gòu)的特征，致使吸附質(zhì)在活性炭纖維內(nèi)擴(kuò)散阻力減小，具有大量的微孔結(jié)構(gòu)的特征，致使吸附質(zhì)在活性炭纖維內(nèi)擴(kuò)散阻力減小，吸附速度加快。由于活性纖維具有更多的微孔直接與吸附質(zhì)接觸，而且吸吸附速度加快。由于活性纖維具有更多的微孔直接與吸附質(zhì)接觸，而且吸附質(zhì)直接暴露于纖維表面進(jìn)行吸附和解吸，因此也能更快達(dá)到吸附平衡，附質(zhì)直接暴露于纖維表面進(jìn)行吸附和解吸，因此也能更快達(dá)到吸附平衡，能有效地利用微孔。在同樣的比表面積時(shí)，活性炭纖維比粒狀活性炭對(duì)吸能有效地利用微孔。在同樣的比表面積時(shí)，活性炭纖維比粒狀活性

28、炭對(duì)吸附的能力更高，而吸附低濃度的吸附質(zhì)時(shí)也更有效。附的能力更高，而吸附低濃度的吸附質(zhì)時(shí)也更有效。 由于活性炭纖維具有良好的結(jié)構(gòu)特征以及優(yōu)異的吸附性能，在廢水治理、由于活性炭纖維具有良好的結(jié)構(gòu)特征以及優(yōu)異的吸附性能，在廢水治理、飲用水凈化方面，已經(jīng)取得了理想的效果。在室內(nèi)空氣凈化方面，也取得了飲用水凈化方面，已經(jīng)取得了理想的效果。在室內(nèi)空氣凈化方面，也取得了較好的效果，活性炭纖維不僅能廣泛用于有機(jī)物的吸附清除，而且能夠有效較好的效果，活性炭纖維不僅能廣泛用于有機(jī)物的吸附清除，而且能夠有效驅(qū)除異味。日本有關(guān)專家的研究證明，活性炭纖維能高效吸附香煙煙霧中的驅(qū)除異味。日本有關(guān)專家的研究證明，活性炭纖

29、維能高效吸附香煙煙霧中的有害成分，有效地清除香煙煙霧中的有害物質(zhì)。有害成分，有效地清除香煙煙霧中的有害物質(zhì)。5.2 5.2 光催化光催化( (光觸媒光觸媒) )凈化方法凈化方法室內(nèi)污染控制與潔凈技術(shù) 光催化凈化是基于光催化劑在紫外線照射下具有氧化還原能力而凈光催化凈化是基于光催化劑在紫外線照射下具有氧化還原能力而凈化污染物的。即化污染物的。即: :概述：概述：催化劑催化劑+ +紫外光線照射紫外光線照射氧化、還原氧化、還原吸附凈化污染物吸附凈化污染物 自自19721972年年HondeHonde等人發(fā)現(xiàn)等人發(fā)現(xiàn)TiOTiO2 2被光照輻射后可以持續(xù)發(fā)生水的氧化還被光照輻射后可以持續(xù)發(fā)生水的氧化還

30、原反應(yīng)，并產(chǎn)生原反應(yīng)，并產(chǎn)生H H2 2以來(lái)，人們對(duì)這一催化反應(yīng)過(guò)程進(jìn)行了大量研究。結(jié)果以來(lái)，人們對(duì)這一催化反應(yīng)過(guò)程進(jìn)行了大量研究。結(jié)果表明，這一技術(shù)不但在廢水凈化處理方面具有巨大潛能，在空氣凈化（特表明，這一技術(shù)不但在廢水凈化處理方面具有巨大潛能，在空氣凈化（特別是在揮發(fā)性有機(jī)物別是在揮發(fā)性有機(jī)物VOCVOC）方面也具有廣闊應(yīng)用前景。）方面也具有廣闊應(yīng)用前景。5.2 5.2 光催化光催化( (光觸媒光觸媒) )凈化方法凈化方法室內(nèi)污染控制與潔凈技術(shù) 該項(xiàng)技術(shù)是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研究者們十分關(guān)注研究與開發(fā)的重要課題該項(xiàng)技術(shù)是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研究者們十分關(guān)注研究與開發(fā)的重要課題之一，納米光催化凈化技術(shù)還在其他

31、領(lǐng)域中占有重要研究?jī)r(jià)值（如航之一，納米光催化凈化技術(shù)還在其他領(lǐng)域中占有重要研究?jī)r(jià)值（如航天、航海、醫(yī)療業(yè)）。天、航海、醫(yī)療業(yè)）。 由于光催化氧化分解揮發(fā)性有機(jī)物，可以利用空氣中的由于光催化氧化分解揮發(fā)性有機(jī)物，可以利用空氣中的O O2 2作氧化劑，作氧化劑，而反應(yīng)能在常溫常壓下進(jìn)行，在分解有機(jī)物的同時(shí)還能殺菌除臭，所以而反應(yīng)能在常溫常壓下進(jìn)行，在分解有機(jī)物的同時(shí)還能殺菌除臭，所以特別適合于室內(nèi)揮發(fā)性有機(jī)物的凈化。特別適合于室內(nèi)揮發(fā)性有機(jī)物的凈化。5.2 5.2 光催化光催化( (光觸媒光觸媒) )凈化方法凈化方法室內(nèi)污染控制與潔凈技術(shù)1 1、光催化材料處理、光催化材料處理VOCVOC作用原理：

32、作用原理：“光催化光催化”這一術(shù)語(yǔ)本身就意味著光化學(xué)與催化劑二者的結(jié)合，二者這一術(shù)語(yǔ)本身就意味著光化學(xué)與催化劑二者的結(jié)合，二者是引發(fā)和促進(jìn)催化氧化反應(yīng)的必要條件。是引發(fā)和促進(jìn)催化氧化反應(yīng)的必要條件。TiOTiO2 2作為催化劑作為催化劑( (是由其本身的光電特性所決定的是由其本身的光電特性所決定的) )。即在光電轉(zhuǎn)換中。即在光電轉(zhuǎn)換中 進(jìn)行氧化還原反應(yīng)。進(jìn)行氧化還原反應(yīng)。1 1. .半導(dǎo)體粒子的能帶結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體粒子的能帶結(jié)構(gòu): :( (右圖示右圖示) ) 根據(jù)半導(dǎo)體粒子特性，超細(xì)半導(dǎo)體粒子根據(jù)半導(dǎo)體粒子特性，超細(xì)半導(dǎo)體粒子所含有的能帶結(jié)構(gòu)，通常是由一充滿電子所含有的能帶結(jié)構(gòu)，通常是由一充滿電子(

33、h(h+ +) )的低能價(jià)帶和一個(gè)空的高能導(dǎo)帶的低能價(jià)帶和一個(gè)空的高能導(dǎo)帶(e(e- -) )構(gòu)成。構(gòu)成。它們之間禁帶分開它們之間禁帶分開, ,TiOTiO2 2禁帶寬度為禁帶寬度為3.2ev3.2ev。2TiOhveh導(dǎo)帶導(dǎo)帶e-價(jià)帶價(jià)帶h+禁帶禁帶 3.2ev TiO2半導(dǎo)半導(dǎo)體材料體材料納米微粒納米微粒5.2.1 5.2.1 光催化作用機(jī)理與光催化氧化反應(yīng)模型光催化作用機(jī)理與光催化氧化反應(yīng)模型5.2 5.2 光催化光催化( (光觸媒光觸媒) )凈化方法凈化方法室內(nèi)污染控制與潔凈技術(shù)2.2.凈化原理凈化原理 原理原理: : 當(dāng)半導(dǎo)體材料受到紫外線照射時(shí)當(dāng)半導(dǎo)體材料受到紫外線照射時(shí)( (波長(zhǎng)

34、波長(zhǎng)387.5nm),387.5nm),價(jià)帶上的電價(jià)帶上的電子被激發(fā)，越過(guò)禁帶進(jìn)入導(dǎo)帶，同時(shí)在價(jià)帶上產(chǎn)生相應(yīng)的空穴，電子子被激發(fā)，越過(guò)禁帶進(jìn)入導(dǎo)帶，同時(shí)在價(jià)帶上產(chǎn)生相應(yīng)的空穴，電子與空穴分離并遷移到粒子表面與空穴分離并遷移到粒子表面的不同位置。而電子具有強(qiáng)還原性，的不同位置。而電子具有強(qiáng)還原性，帶正電的空穴具有強(qiáng)氧化性，電子帶正電的空穴具有強(qiáng)氧化性，電子可使可使空氣中空氣中O O2 2的還原；空穴可使的還原；空穴可使H H2 2O O氧化氧化, ,生成生成H H2 2O O2 2,OH,OH等氫氧根基團(tuán)，這等氫氧根基團(tuán)，這些基團(tuán)的氧化能力極強(qiáng)，使原本不吸些基團(tuán)的氧化能力極強(qiáng)，使原本不吸收光的物

35、質(zhì)被活化而氧化，即將有機(jī)收光的物質(zhì)被活化而氧化，即將有機(jī)污染物氧化，并生成鹵素離子類等無(wú)污染物氧化，并生成鹵素離子類等無(wú)機(jī)物質(zhì)的小分子。從而使機(jī)物質(zhì)的小分子。從而使VOCVOC完全無(wú)完全無(wú)機(jī)化，達(dá)到消除機(jī)化，達(dá)到消除VOCVOC之目的，同時(shí)也之目的，同時(shí)也起到了除臭作用。起到了除臭作用。光催化（觸媒）凈化原理圖光催化（觸媒）凈化原理圖5.2 5.2 光催化光催化( (光觸媒光觸媒) )凈化方法凈化方法室內(nèi)污染控制與潔凈技術(shù)3 3. .特點(diǎn)：特點(diǎn)：（1 1）直接用空氣中的）直接用空氣中的O O2 2作氧化劑，反應(yīng)條件溫和（常溫、常壓）；作氧化劑，反應(yīng)條件溫和（常溫、常壓）；（2 2）可以將有機(jī)污

36、染物分解為）可以將有機(jī)污染物分解為COCO2 2和和H H2 2O O等無(wú)機(jī)小分子，凈化效果徹底；等無(wú)機(jī)小分子，凈化效果徹底；（3 3）半導(dǎo)體光催化劑化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，氧化還原性強(qiáng)，成本低，不存在吸）半導(dǎo)體光催化劑化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，氧化還原性強(qiáng)，成本低，不存在吸 附飽和現(xiàn)象，使用壽命長(zhǎng)。附飽和現(xiàn)象，使用壽命長(zhǎng)。 二、光催化反應(yīng)的數(shù)學(xué)模型二、光催化反應(yīng)的數(shù)學(xué)模型 與一般的催化反應(yīng)類似與一般的催化反應(yīng)類似, ,光催化氧化分解有機(jī)物的反應(yīng)光催化氧化分解有機(jī)物的反應(yīng), ,一般涉及到一般涉及到兩個(gè)過(guò)程兩個(gè)過(guò)程: :其一其一, ,傳熱傳質(zhì)過(guò)程傳熱傳質(zhì)過(guò)程; ;其二其二, ,光催化反應(yīng)過(guò)程。光催化反應(yīng)過(guò)程。 兩過(guò)程

37、包括下列兩過(guò)程包括下列7 7個(gè)步驟：個(gè)步驟： 反應(yīng)物從氣流中通過(guò)層流邊界層向催化劑外表面擴(kuò)散；反應(yīng)物從氣流中通過(guò)層流邊界層向催化劑外表面擴(kuò)散；反應(yīng)物從催化劑外表面通過(guò)微孔向催化劑內(nèi)表面擴(kuò)散；反應(yīng)物從催化劑外表面通過(guò)微孔向催化劑內(nèi)表面擴(kuò)散；反應(yīng)物被催化劑表面化學(xué)吸附；反應(yīng)物被催化劑表面化學(xué)吸附；反應(yīng)物在催化劑表面上發(fā)生氧化還原反應(yīng)；反應(yīng)物在催化劑表面上發(fā)生氧化還原反應(yīng)；反應(yīng)產(chǎn)物脫附離開催化劑表面；反應(yīng)產(chǎn)物脫附離開催化劑表面；反應(yīng)產(chǎn)物從催化劑內(nèi)表面向外表面擴(kuò)散；反應(yīng)產(chǎn)物從催化劑內(nèi)表面向外表面擴(kuò)散；反應(yīng)產(chǎn)物從催化劑外表面擴(kuò)散到主氣流中反應(yīng)產(chǎn)物從催化劑外表面擴(kuò)散到主氣流中。5.2 5.2 光催化光催化

38、( (光觸媒光觸媒) )凈化方法凈化方法室內(nèi)污染控制與潔凈技術(shù)研究表明研究表明,TiO,TiO2 2光催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)符合蘭繆爾光催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)符合蘭繆爾- -欣伍德欣伍德Langmiur-HinshelwoodLangmiur-Hinshelwood(LH(LH) )模型模型, ,最具有代表性最具有代表性, ,其表達(dá)式為：其表達(dá)式為： 2222(1)(1)nnORORnnOORRkKKPPKPKP Kkpn式中，式中，反應(yīng)速率；反應(yīng)速率； 反應(yīng)物吸附平衡常數(shù)；反應(yīng)物吸附平衡常數(shù)；光催化反應(yīng)常數(shù)；光催化反應(yīng)常數(shù)；反應(yīng)物分壓；反應(yīng)物分壓； 指數(shù)。指數(shù)。 上述模型適用于在不同活性中心進(jìn)行的氧化還原反

39、應(yīng)。對(duì)于室內(nèi)揮發(fā)上述模型適用于在不同活性中心進(jìn)行的氧化還原反應(yīng)。對(duì)于室內(nèi)揮發(fā)性有機(jī)物光催化氧化過(guò)程性有機(jī)物光催化氧化過(guò)程, ,在在O O2 2和和H H2 2O O濃度保持不變，該模型可簡(jiǎn)化如下：濃度保持不變，該模型可簡(jiǎn)化如下： 5.2 5.2 光催化光催化( (光觸媒光觸媒) )凈化方法凈化方法室內(nèi)污染控制與潔凈技術(shù)對(duì)上式求積分后化簡(jiǎn)可得：對(duì)上式求積分后化簡(jiǎn)可得： 式中，式中， C C 有機(jī)物濃度有機(jī)物濃度; ; t t 反應(yīng)時(shí)間反應(yīng)時(shí)間,n,ns s； “- -” 濃度衰減。濃度衰減。1111rkKCk C1CdCkKdtK 實(shí)例驗(yàn)證實(shí)例驗(yàn)證: :設(shè)實(shí)驗(yàn)條件為光源是直型設(shè)實(shí)驗(yàn)條件為光源是直

40、型9W9W紫外燈紫外燈, ,波長(zhǎng)波長(zhǎng)253.7nm,253.7nm,且是常且是常溫常壓溫常壓, ,丙酮初始濃度分別為丙酮初始濃度分別為6.675mg/L6.675mg/L、8.900mg/L8.900mg/L、11.125mg/L11.125mg/L、13.350mg/L13.350mg/L的情況下的情況下, ,以丙酮光催化降解前以丙酮光催化降解前15min15min質(zhì)量濃度下降值來(lái)考察質(zhì)量濃度下降值來(lái)考察初始質(zhì)量濃度初始質(zhì)量濃度1/C1/C0 0和初始降解速率和初始降解速率1/r1/r0 0的關(guān)系的關(guān)系, ,二者線性關(guān)系二者線性關(guān)系, ,如圖如圖5.95.9所所示。對(duì)丙酮的光催化實(shí)驗(yàn)表明示。

41、對(duì)丙酮的光催化實(shí)驗(yàn)表明,LH,LH模型能夠很好的描述其反應(yīng)速率。模型能夠很好的描述其反應(yīng)速率。 圖圖5.9 1/r5.9 1/r0 0和和1/C1/C0 0的關(guān)系的關(guān)系 5.2 5.2 光催化光催化( (光觸媒光觸媒) )凈化方法凈化方法室內(nèi)污染控制與潔凈技術(shù)5.2.2 5.2.2 納米過(guò)濾材料與光催化反應(yīng)器的設(shè)計(jì)納米過(guò)濾材料與光催化反應(yīng)器的設(shè)計(jì)1.1. 納米過(guò)濾材料納米過(guò)濾材料1 1）納米技術(shù)與過(guò)濾材料）納米技術(shù)與過(guò)濾材料 納米技術(shù)在空氣過(guò)濾材料開發(fā)上的應(yīng)用，主要集中在利用一些納米技術(shù)在空氣過(guò)濾材料開發(fā)上的應(yīng)用，主要集中在利用一些金屬及氧化物的納米級(jí)粒子所具有的特性，通過(guò)一定的方法加工到金屬

42、及氧化物的納米級(jí)粒子所具有的特性，通過(guò)一定的方法加工到纖維中或處理到織物濾料上，使濾料具有某些特殊功能，即功能性纖維中或處理到織物濾料上，使濾料具有某些特殊功能，即功能性過(guò)濾材料。過(guò)濾材料。 主要采用的方法有共混紡絲法、靜電紡絲法、接枝法和后整理主要采用的方法有共混紡絲法、靜電紡絲法、接枝法和后整理法。其中后整理法是將納米材料借助于分散劑、穩(wěn)定劑、粘合劑等法。其中后整理法是將納米材料借助于分散劑、穩(wěn)定劑、粘合劑等助劑，利用吸浸法、浸軋法、涂層法等工藝方法處理到過(guò)濾材料中，助劑，利用吸浸法、浸軋法、涂層法等工藝方法處理到過(guò)濾材料中，從而使濾料具有某種特殊功能。從而使濾料具有某種特殊功能。 如：耐

43、高溫、耐腐蝕、抗靜電、水、如：耐高溫、耐腐蝕、抗靜電、水、拒油、阻燃、清除有害氣體等而開發(fā)的空氣過(guò)濾材料。拒油、阻燃、清除有害氣體等而開發(fā)的空氣過(guò)濾材料。5.2 5.2 光催化光催化( (光觸媒光觸媒) )凈化方法凈化方法室內(nèi)污染控制與潔凈技術(shù)2 2）過(guò)濾材料的應(yīng)用）過(guò)濾材料的應(yīng)用 高效微?？諝鈨艋统?xì)微?？諝鈨艋咝⒘？諝鈨艋统?xì)微?？諝鈨艋?納米纖維具有較大的比表面積（單位體積或單位質(zhì)量顆粒的總表面積）納米纖維具有較大的比表面積（單位體積或單位質(zhì)量顆粒的總表面積）利用納米纖維的這些特征性可用它制作吸附材料和過(guò)濾材料，應(yīng)用于亞微米利用納米纖維的這些特征性可用它制作吸附材料和過(guò)濾材料，應(yīng)

44、用于亞微米高效微?？諝鈨艋统?xì)微粒空氣凈化，能有效地用于原子工業(yè)，無(wú)菌室、高效微粒空氣凈化和超細(xì)微?？諝鈨艋?，能有效地用于原子工業(yè)，無(wú)菌室、精密工業(yè)、涂飾等行業(yè)，其過(guò)濾效率較之常規(guī)過(guò)濾材料效率大大提高。精密工業(yè)、涂飾等行業(yè)，其過(guò)濾效率較之常規(guī)過(guò)濾材料效率大大提高。 抗靜電抗靜電 抗靜電最好的方法就是屏蔽。納米材料特殊的導(dǎo)電、電磁性能、超強(qiáng)的抗靜電最好的方法就是屏蔽。納米材料特殊的導(dǎo)電、電磁性能、超強(qiáng)的吸收性和寬頻帶性，為導(dǎo)電吸波織物的研究開發(fā)創(chuàng)造了新條件。吸收性和寬頻帶性，為導(dǎo)電吸波織物的研究開發(fā)創(chuàng)造了新條件。 防水、防油防水、防油 由于在納米尺寸低凹的表面可使吸附氣體分子穩(wěn)定存在，所以在宏

45、觀表由于在納米尺寸低凹的表面可使吸附氣體分子穩(wěn)定存在，所以在宏觀表面上相當(dāng)于有一層穩(wěn)定的氣體薄膜，使油或水無(wú)法與材料表面直接接觸，從面上相當(dāng)于有一層穩(wěn)定的氣體薄膜，使油或水無(wú)法與材料表面直接接觸，從而使材料表面呈現(xiàn)超常的雙疏性。（如：防水、放油服裝等）而使材料表面呈現(xiàn)超常的雙疏性。（如：防水、放油服裝等） 5.2 5.2 光催化光催化( (光觸媒光觸媒) )凈化方法凈化方法室內(nèi)污染控制與潔凈技術(shù) 阻燃阻燃 納米材料的粒徑超細(xì)、經(jīng)表面處理后其活性極大，當(dāng)燃燒時(shí)其熱分解納米材料的粒徑超細(xì)、經(jīng)表面處理后其活性極大，當(dāng)燃燒時(shí)其熱分解速度可大大的加快，吸熱能力增強(qiáng)，降低材料表面溫度，且超細(xì)的納米材速度可

46、大大的加快，吸熱能力增強(qiáng)，降低材料表面溫度，且超細(xì)的納米材料顆粒能覆蓋在聚烯烴凝聚相的表面，能很好地促進(jìn)碳化層的形成，在燃料顆粒能覆蓋在聚烯烴凝聚相的表面，能很好地促進(jìn)碳化層的形成，在燃燒源和基材間形成不燃性屏障，從而起到隔離阻燃的作用。燒源和基材間形成不燃性屏障，從而起到隔離阻燃的作用。 清除室內(nèi)有機(jī)物污染物清除室內(nèi)有機(jī)物污染物 TiO2 TiO2性能最佳，能被陽(yáng)光和日光燈中紫外線激勵(lì)，不需特殊的光源，性能最佳，能被陽(yáng)光和日光燈中紫外線激勵(lì)，不需特殊的光源，可以徹底分解所有的有機(jī)物，并降解為無(wú)害的二氧化碳和水。而且化學(xué)性可以徹底分解所有的有機(jī)物，并降解為無(wú)害的二氧化碳和水。而且化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、

47、能耗低、操作簡(jiǎn)單、無(wú)二次污染，可形成透明薄膜，價(jià)格低廉。質(zhì)穩(wěn)定、能耗低、操作簡(jiǎn)單、無(wú)二次污染，可形成透明薄膜，價(jià)格低廉。5.2 5.2 光催化光催化( (光觸媒光觸媒) )凈化方法凈化方法室內(nèi)污染控制與潔凈技術(shù)2. 2. 光催化反應(yīng)器的設(shè)計(jì)光催化反應(yīng)器的設(shè)計(jì)1 1）光催化反應(yīng)器的模擬與設(shè)計(jì)）光催化反應(yīng)器的模擬與設(shè)計(jì) 光催化反應(yīng)器可以分解為反應(yīng)、傳質(zhì)、傳熱、動(dòng)量傳遞來(lái)進(jìn)行處理。光催化反應(yīng)器可以分解為反應(yīng)、傳質(zhì)、傳熱、動(dòng)量傳遞來(lái)進(jìn)行處理。影響反應(yīng)器內(nèi)輻射能量分布的主要因素包括：影響反應(yīng)器內(nèi)輻射能量分布的主要因素包括：反應(yīng)器的幾何尺寸；反反應(yīng)器的幾何尺寸；反應(yīng)器的光學(xué)厚度；光源與反應(yīng)器的相互位置；輻

48、射波長(zhǎng)；反應(yīng)體系應(yīng)器的光學(xué)厚度；光源與反應(yīng)器的相互位置；輻射波長(zhǎng)；反應(yīng)體系中多相共存的影響；反應(yīng)器的混合特征。中多相共存的影響；反應(yīng)器的混合特征。 對(duì)于光催化反應(yīng)過(guò)程，反應(yīng)速率取決于局部體積能量吸收速率對(duì)于光催化反應(yīng)過(guò)程，反應(yīng)速率取決于局部體積能量吸收速率（LBREALBREA），而），而LBREALBREA取決于反應(yīng)器內(nèi)輻射能分布，因此確定反應(yīng)器內(nèi)輻射取決于反應(yīng)器內(nèi)輻射能分布，因此確定反應(yīng)器內(nèi)輻射能分布是建立光催化反應(yīng)器模擬所必須解決的關(guān)鍵問(wèn)題。光催化反應(yīng)器設(shè)能分布是建立光催化反應(yīng)器模擬所必須解決的關(guān)鍵問(wèn)題。光催化反應(yīng)器設(shè)計(jì)的原則就是盡可能的激活光催化劑，或者提供盡可能大的能被光照射的計(jì)的原

49、則就是盡可能的激活光催化劑，或者提供盡可能大的能被光照射的催化劑比表面積。催化劑比表面積。 空氣凈化裝置設(shè)計(jì)中，光催化反應(yīng)器的設(shè)計(jì)必須解決的問(wèn)題是氣固的空氣凈化裝置設(shè)計(jì)中，光催化反應(yīng)器的設(shè)計(jì)必須解決的問(wèn)題是氣固的良好接觸與氣阻見的矛盾、光能傳播到所有的催化劑表面以及光的利用率。良好接觸與氣阻見的矛盾、光能傳播到所有的催化劑表面以及光的利用率。5.2 5.2 光催化光催化( (光觸媒光觸媒) )凈化方法凈化方法室內(nèi)污染控制與潔凈技術(shù) 2 2）光催化反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)型式）光催化反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)型式 設(shè)計(jì)光催化反應(yīng)器時(shí)應(yīng)考慮光催化反應(yīng)器能提供盡可能大的能被光設(shè)計(jì)光催化反應(yīng)器時(shí)應(yīng)考慮光催化反應(yīng)器能提供盡可能大

50、的能被光照射的催化劑比表面積盡可能大的安裝催化劑的面積。照射的催化劑比表面積盡可能大的安裝催化劑的面積。 四種型式，即環(huán)管狀反應(yīng)器、填充式反應(yīng)器、平板式反應(yīng)器和箱式四種型式，即環(huán)管狀反應(yīng)器、填充式反應(yīng)器、平板式反應(yīng)器和箱式反應(yīng)器，如下圖所示：反應(yīng)器，如下圖所示：（）環(huán)管狀反應(yīng)器）環(huán)管狀反應(yīng)器 （）填充式反應(yīng)器）填充式反應(yīng)器 （） 平板式反應(yīng)器平板式反應(yīng)器 （）箱式反應(yīng)器）箱式反應(yīng)器 5.2 5.2 光催化光催化( (光觸媒光觸媒) )凈化方法凈化方法室內(nèi)污染控制與潔凈技術(shù)1.1.反應(yīng)條件的影響反應(yīng)條件的影響A A：氣體流量的影響：氣體流量的影響 流量改變，催化劑表面的流速也隨之改變，催化劑固定

51、化后存在傳流量改變，催化劑表面的流速也隨之改變，催化劑固定化后存在傳質(zhì)的影響。流量的大小決定了丙酮以及氧向質(zhì)的影響。流量的大小決定了丙酮以及氧向TiO2TiO2表面的遷移速度，也影表面的遷移速度，也影響著丙酮在響著丙酮在TiO2TiO2表面的停留時(shí)間和產(chǎn)物脫附的速度。圖表面的停留時(shí)間和產(chǎn)物脫附的速度。圖5-115-11顯示了循環(huán)顯示了循環(huán)流量對(duì)光催化氧化丙酮凈化效率的影響。流量對(duì)光催化氧化丙酮凈化效率的影響。 圖圖5-115-11流量流量/ /流速對(duì)丙酮凈化效率的影響流速對(duì)丙酮凈化效率的影響 圖圖5-12 TiO2 5-12 TiO2 質(zhì)量與面密度對(duì)丙酮凈化效率的影響質(zhì)量與面密度對(duì)丙酮凈化效率

52、的影響 結(jié)果表明，丙酮凈化效率隨流量的增加而增大。結(jié)果表明，丙酮凈化效率隨流量的增加而增大。5.2.3 5.2.3 影響光催化凈化的主要因素影響光催化凈化的主要因素5.2 5.2 光催化光催化( (光觸媒光觸媒) )凈化方法凈化方法室內(nèi)污染控制與潔凈技術(shù)B B：TiO2TiO2用量的影響用量的影響 其他條件同上，控制流量為其他條件同上，控制流量為1.5 L/min1.5 L/min，改變催化劑用量。圖，改變催化劑用量。圖5-125-12為為TiOTiO2 2用量及面密度對(duì)丙酮凈化效率的影響用量及面密度對(duì)丙酮凈化效率的影響 6 6。開始時(shí)隨著催化劑用。開始時(shí)隨著催化劑用量的增加，丙酮凈化效率增大

53、，達(dá)到一定值后，再增加量的增加，丙酮凈化效率增大，達(dá)到一定值后，再增加TiOTiO2 2的量，丙酮的量，丙酮凈化效率反而減小。凈化效率反而減小。 分析：隨著用量的增加，系統(tǒng)中催化劑粒子的質(zhì)量濃度增加，對(duì)分析：隨著用量的增加，系統(tǒng)中催化劑粒子的質(zhì)量濃度增加，對(duì)丙酮的吸附能力加強(qiáng)，光催化活性提高，凈化效率上升。但粒子之間丙酮的吸附能力加強(qiáng)，光催化活性提高，凈化效率上升。但粒子之間的遮蔽作用以及系統(tǒng)的紫外光光強(qiáng)是一定的，當(dāng)催化劑用量達(dá)到一定的遮蔽作用以及系統(tǒng)的紫外光光強(qiáng)是一定的，當(dāng)催化劑用量達(dá)到一定值時(shí)，光催化活性提高緩慢，凈化效率上升緩慢。繼續(xù)增加催化劑的值時(shí)，光催化活性提高緩慢，凈化效率上升緩慢

54、。繼續(xù)增加催化劑的用量，催化劑之間的遮蔽會(huì)逐漸嚴(yán)重，某些催化劑會(huì)因得不到光照射用量，催化劑之間的遮蔽會(huì)逐漸嚴(yán)重，某些催化劑會(huì)因得不到光照射而失去光催化活性，無(wú)法發(fā)揮催化作用，導(dǎo)致凈化效率降低。而失去光催化活性，無(wú)法發(fā)揮催化作用，導(dǎo)致凈化效率降低。 5.2 5.2 光催化光催化( (光觸媒光觸媒) )凈化方法凈化方法室內(nèi)污染控制與潔凈技術(shù)C C：起始質(zhì)量濃度的影響：起始質(zhì)量濃度的影響 由圖由圖5-135-13可知，隨著初始質(zhì)量濃度的升高，丙酮凈化效率逐漸降低由可知，隨著初始質(zhì)量濃度的升高，丙酮凈化效率逐漸降低由于初始質(zhì)量濃度越小，每個(gè)丙酮分子平均吸收的光子能量越多，氧化效率于初始質(zhì)量濃度越小，每

55、個(gè)丙酮分子平均吸收的光子能量越多，氧化效率越高，從而丙酮的凈化效率就越高。越高，從而丙酮的凈化效率就越高。 圖圖5-13 5-13 初始濃度對(duì)丙酮凈化效率的影響初始濃度對(duì)丙酮凈化效率的影響 圖圖5-14 5-14 光照時(shí)間對(duì)丙酮凈化效率的影響光照時(shí)間對(duì)丙酮凈化效率的影響5.2 5.2 光催化光催化( (光觸媒光觸媒) )凈化方法凈化方法室內(nèi)污染控制與潔凈技術(shù)D D：光照時(shí)間的影響：光照時(shí)間的影響 從圖從圖5-145-14看出，反應(yīng)開始時(shí)，反應(yīng)物的質(zhì)量濃度比較看出，反應(yīng)開始時(shí)，反應(yīng)物的質(zhì)量濃度比較高，新鮮催化劑的吸附性較好，丙酮凈化效率隨著反應(yīng)時(shí)高，新鮮催化劑的吸附性較好，丙酮凈化效率隨著反應(yīng)時(shí)

56、間的延長(zhǎng)增加得較快，隨后，凈化效率的變化趨勢(shì)逐漸平間的延長(zhǎng)增加得較快，隨后，凈化效率的變化趨勢(shì)逐漸平緩，其原因?yàn)椋壕彛湓驗(yàn)椋?反應(yīng)物的減少和生成物的增加抑制了反應(yīng)的正向進(jìn)行反應(yīng)物的減少和生成物的增加抑制了反應(yīng)的正向進(jìn)行 氧的存在對(duì)反應(yīng)起很大的作用，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)和反應(yīng)的氧的存在對(duì)反應(yīng)起很大的作用，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)和反應(yīng)的 進(jìn)行，系統(tǒng)中氧的含量逐漸減少，反應(yīng)速率減慢；進(jìn)行，系統(tǒng)中氧的含量逐漸減少，反應(yīng)速率減慢； 反應(yīng)產(chǎn)物中有水，水蒸汽的存在對(duì)丙酮的降解起抑制作用反應(yīng)產(chǎn)物中有水，水蒸汽的存在對(duì)丙酮的降解起抑制作用 E E：O O2 2含量的影響含量的影響5.2 5.2 光催化光催化( (光觸媒光

57、觸媒) )凈化方法凈化方法室內(nèi)污染控制與潔凈技術(shù)F F：H H2 2O O含量的影響含量的影響 H H2 2O O在光催化反應(yīng)中起著重要作用，但是隨著在光催化反應(yīng)中起著重要作用，但是隨著H H2 2O O含量的增加，含量的增加，TiOTiO2 2的的催化活性就不確定了。催化活性就不確定了。 H H2 2O O的抑制或促進(jìn)效應(yīng)可歸因于反應(yīng)物與水蒸氣之的抑制或促進(jìn)效應(yīng)可歸因于反應(yīng)物與水蒸氣之間在光催化劑表面的競(jìng)爭(zhēng)吸附能力。例如：間在光催化劑表面的競(jìng)爭(zhēng)吸附能力。例如： H H2 2O O會(huì)抑制丙酮的光催氧化。會(huì)抑制丙酮的光催氧化。 H H2 2O O對(duì)對(duì)1-1-丁醇在丁醇在TiOTiO2 2表面的吸

58、附影響不大，其反應(yīng)速率不因表面的吸附影響不大，其反應(yīng)速率不因H H2 2O O而改變，因而改變，因而對(duì)而對(duì)1-1-丁醇的轉(zhuǎn)化率無(wú)影響。丁醇的轉(zhuǎn)化率無(wú)影響。 G G：其他因素的影響：其他因素的影響 pH pH值的變化對(duì)不同反應(yīng)物降解的影響也不同，且與光強(qiáng)大小有一定關(guān)值的變化對(duì)不同反應(yīng)物降解的影響也不同，且與光強(qiáng)大小有一定關(guān)系。另外，系。另外，pHpH值的大小對(duì)分散劑的分散性能有較大的影響。但反應(yīng)速率對(duì)值的大小對(duì)分散劑的分散性能有較大的影響。但反應(yīng)速率對(duì)溫度的依賴性不大。溫度的依賴性不大。 5.2 5.2 光催化光催化( (光觸媒光觸媒) )凈化方法凈化方法室內(nèi)污染控制與潔凈技術(shù)2. TiO2.

59、TiO2 2結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的影響結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的影響 研究中發(fā)現(xiàn)，由于研究中發(fā)現(xiàn)，由于TiOTiO2 2具有高活性和穩(wěn)定性等性質(zhì)，因此目前在光催化具有高活性和穩(wěn)定性等性質(zhì)，因此目前在光催化技術(shù)中廣泛應(yīng)用超細(xì)微粒技術(shù)中廣泛應(yīng)用超細(xì)微粒TiOTiO2 2作為催化劑。作為催化劑。 超細(xì)微粒的超細(xì)微粒的TiOTiO2 2催化劑只有將其復(fù)制于載體上，成型后才能用于實(shí)際場(chǎng)催化劑只有將其復(fù)制于載體上，成型后才能用于實(shí)際場(chǎng)合。目前常用的惰性載體有：合。目前常用的惰性載體有：AlAl2 2O O3 3、SiOSiO2 2、玻璃纖維、光導(dǎo)纖維、活性炭、玻璃纖維、光導(dǎo)纖維、活性炭等。制備途徑：等。制備途徑： 粘結(jié)法：直接負(fù)

60、載于載體上；粘結(jié)法：直接負(fù)載于載體上； 熱處理固化在載體上。熱處理固化在載體上。技術(shù)上兩者均要達(dá)到：技術(shù)上兩者均要達(dá)到： A A ：TiOTiO2 2不易脫落下來(lái)；不易脫落下來(lái)； B B ：TiOTiO2 2能獲得高的光催化活性。能獲得高的光催化活性。 5.2 5.2 光催化光催化( (光觸媒光觸媒) )凈化方法凈化方法室內(nèi)污染控制與潔凈技術(shù)A A：晶型的影響：晶型的影響 TiOTiO2 2 有三種晶型：銳鈦礦型、金紅石型和銳鈦礦型。一般認(rèn)為銳有三種晶型：銳鈦礦型、金紅石型和銳鈦礦型。一般認(rèn)為銳鈦礦型活性較高。這主要是因?yàn)椋衡伒V型活性較高。這主要是因?yàn)椋?兩種晶型結(jié)構(gòu)均可由相互聯(lián)結(jié)的八面體表示