活性炭-納米二氧化鈦光催化凈化網(wǎng)的制備及性能研究

活性炭-納米二氧化鈦光催化凈化網(wǎng)的制備及性能研究

隨著空氣污染的加劇和室內(nèi)空氣污染的普及，室內(nèi)污染不容忽視。目前普遍使用的活性炭吸附法盡管有諸多優(yōu)勢,但存在飽和吸附狀態(tài),需要再生。在近20年的研究中,發(fā)現(xiàn)光催化劑能夠使幾乎所有的污染物發(fā)生氧化還原反應(yīng)而轉(zhuǎn)變?yōu)闊o害物,由于光催化技術(shù)直接用空氣中O2作氧化劑,且反應(yīng)條件溫和(常溫、常壓),因此是一種非常便利的空氣凈化技術(shù)。但單一污染物在空氣中存在濃度極低,極低濃度污染物的光催化降解速率較慢,并且光催化將污染物礦化要經(jīng)過許多中間步驟,生成有害的中間產(chǎn)物。為克服這些不足,眾多研究者近年來將光催化技術(shù)與吸附技術(shù)結(jié)合在一起[3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13]。但是在這一領(lǐng)域仍存在許多未知的因素和缺陷。如活性炭與TiO2的復(fù)合方式,研究者普遍用TiO2的前驅(qū)體與活性炭混合再使前驅(qū)體轉(zhuǎn)變?yōu)門iO2,或?qū)iO2與活性炭混合后成型的方法。也有研究者用TiO2的前驅(qū)體與活性炭的前驅(qū)體相混合,再一起碳化、活化的方法來制備復(fù)合體。以上這些復(fù)合方式都不同程度地使TiO2光催化活性下降。所以有必要開發(fā)新的光催化劑TiO2和吸附劑活性炭的復(fù)合體制備方法。本研究將吸附劑活性炭與光催化劑納米TiO2復(fù)合形成TiO2涂覆在活性炭表面的薄殼型復(fù)合結(jié)構(gòu),達(dá)到了較高的光催化反應(yīng)速率并消除了中間產(chǎn)物的二次污染。1實(shí)驗部分1.1活性炭質(zhì)碳復(fù)合載體將支承體、活性炭和TiO2光催化劑構(gòu)造成具有直通孔的多層結(jié)構(gòu)的蜂窩狀整體式凈化網(wǎng)。其最內(nèi)層是支承體,如耐水的牛皮紙,構(gòu)成六角蜂窩狀孔,六角形邊長為1mm,六角蜂窩孔作為光和氣體的直通孔道。在支承體上粘接活性炭形成吸附層,膠粘劑為聚丙烯酸丁酯乳膠,所用活性炭是60～400目的高碘值粉炭如椰殼炭、果殼炭等,粘接時要形成均勻活性炭層,活性炭層厚度約1mm。光催化劑TiO2負(fù)載在活性炭粉末顆粒上形成最外層的光催化劑層。將納米(10～50nm)TiO2(P25Degussa公司產(chǎn)品)粉末用超聲分散法直接分散在水中,制得團(tuán)聚體不大于100nm的含固量w=0.05的漿料,然后將支承體和活性炭形成的復(fù)合載體用上述TiO2漿料浸涂3次,每次浸涂后在160°C和真空條件下烘4h。由此得到TiO2負(fù)載在活性炭顆粒上的薄殼型吸附劑和光催化劑復(fù)合的凈化網(wǎng)。1.2光束化性能評價1.2.1模擬污染物的測定將本文設(shè)計的光催化凈化器放置在體積為125L的密封箱體內(nèi),向立方體箱內(nèi)定量注入模擬污染物,然后開啟風(fēng)扇和紫外燈,每隔一定時間取樣進(jìn)行分析。本文設(shè)計的光催化凈化器是將進(jìn)氣窗、兩盞特征波長為254nm的6W紫外燈、凈化網(wǎng)、風(fēng)機(jī)和出氣窗依次組裝在400mm×350mm×100mm的長方體內(nèi),使氣體能循環(huán)通過凈化網(wǎng)。1.2.2氫火焰離子化檢測氨氣的分析:次氯酸鈉-水揚(yáng)酸分光光度法;硫化氫的分析:亞甲基藍(lán)分光光度法;三氯乙烯、甲苯和甲醛的分析:氣相色譜法,氫火焰離子化檢測器;一氧化碳和二氧化碳的分析:氣相色譜法,經(jīng)甲烷化轉(zhuǎn)化器后用氫火焰離子化檢測器檢測。1.3管壓差計:u型管壓差計,u型管壓差計內(nèi)水管,內(nèi)水管壓計,內(nèi)為水管.壓力降測定裝置由內(nèi)徑為2.5cm的玻璃管,轉(zhuǎn)子流量計,U型管壓差計(壓差計內(nèi)為水)組成;剪取凈化網(wǎng)圓片(直徑為2.5cm)固定于玻璃管中,向玻璃管通入氮?dú)?測定流量,壓差,通過計算得出流速-壓差關(guān)系。1.4tem模型TiO2漿料的分散狀態(tài)用透射電鏡觀察(TEM為JEOL1200EX型)。比表面積用北京分析儀器廠生產(chǎn)的S-03型比表面積測定儀,以流動態(tài)低溫N2吸附法測定。2結(jié)果與討論2.1阻力壓降小凈化網(wǎng)的阻力測定結(jié)果如表1,實(shí)驗結(jié)果顯示氣體流經(jīng)凈化網(wǎng)后阻力壓降極小,這是因為邊長為1mm的六角形蜂窩狀直通孔為氣體的流動提供了通道。因而凈化網(wǎng)可方便地應(yīng)用于各種家用電器上,如空調(diào)器、空氣凈化器、冰箱、消毒機(jī)、取暖器、加濕器等。2.2活性炭負(fù)載前后凈化網(wǎng)的吸附性能所研制的凈化網(wǎng)將活性炭的吸附凈化功能與TiO2光催化降解凈化功能有機(jī)地結(jié)合在一起,首先考察了浸涂法負(fù)載TiO2對活性炭吸附能力的影響。從圖1的結(jié)果可知TiO2負(fù)載前后凈化網(wǎng)對污染物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活性炭的吸附能力。對負(fù)載TiO2前后活性炭的比表面積進(jìn)行測試,結(jié)果表明未負(fù)載TiO2的活性炭的比表面積為1287.4m2/g,TiO2的比表面積為50m2/g,負(fù)載了w=0.10的TiO2的TiO2/活性炭復(fù)合粉的比表面積為1133.2m2/g,與理論計算值1163.7m2/g相當(dāng)。從上述比表面積和吸附量的測定結(jié)果可知負(fù)載TiO2前后活性炭的吸附能力和比表面積均沒有顯著變化。2.3浸漬次數(shù)對ti2光催化反應(yīng)的影響通過適當(dāng)?shù)姆椒▽⒊跫壛綖?00～300nm的TiO2分散成接近單分散的TiO2/水漿料。圖2為漿料中TiO2粒子的TEM照片,由此可見基本上已將TiO2的團(tuán)聚體分散,制得接近單分散的平均粒徑為30～50nm的穩(wěn)定漿料。將支承體和活性炭形成的復(fù)合載體浸泡在上述單分散的TiO2漿料中,真空干燥后可得負(fù)載牢固的TiO2光催化劑薄殼層,TiO2的負(fù)載隨浸漬次數(shù)增加而增加。從圖3可知,當(dāng)浸漬次數(shù)從1次增加至3次時,光催化反應(yīng)生成的CO2量明顯增加,但浸漬4次時,光催化活性增加很少。由此可以推斷隨浸漬次數(shù)增加TiO2層厚度增加,使紫外光不能完全透過,而使部分TiO2層起不到催化作用。2.4光催化凈化能力,其重點(diǎn)在于初始濃度為5.表2給出了光催化凈化網(wǎng)對甲苯、三氯乙烯、甲醛、一氧化碳、硫化氫、氨氣的凈化效果。跟蹤凈化過程中污染物的濃度隨凈化時間的變化發(fā)現(xiàn),在開始的10min內(nèi),污染物濃度迅速下降,如甲苯從初始濃度1.2mg/L迅速降至10min后的0.21mg/L,并在隨后的近3h內(nèi)由0.21g/L緩慢降至0.0144mg/L,CO2的跟蹤分析表明在整個凈化過程中其濃度是平緩增加的。由此可以認(rèn)為凈化開始時主要是吸附凈化,它是一個快過程,而光催化凈化是一個較慢的過程,并且貫穿整個凈化過程。因此在復(fù)合凈化網(wǎng)中,吸附和光催化降解兩種凈化能力均在污染物的凈化過程起作用。而對于活性炭吸附性較差的一氧化碳,因為吸附凈化效果差,而使得其整體凈化效率較其它污染物低。2.5ti2催化劑的光催化降解性能為探討所研制的復(fù)合光催化凈化網(wǎng)的凈化過程,將單純活性炭吸附凈化(AC/支承體)、單純TiO2光催化降解凈化(TiO2/支承體)、活性炭與TiO2簡單混合物凈化網(wǎng)((TiO2+AC)/支承體)與所研制的活性炭負(fù)載殼層TiO2的光催化復(fù)合凈化網(wǎng)(TiO2/AC/支承體)的凈化過程進(jìn)行了對比,結(jié)果如表3。對比表3TiO2/支承體與TiO2/AC/支承體的CO2生成量可知,活性炭在凈化網(wǎng)中既能吸附污染物,同時通過吸附使污染物在活性炭表面富集而為TiO2催化劑提供高濃度環(huán)境,從而大大加快了光催化降解反應(yīng)的速率。這與文獻(xiàn)指出的適中吸附強(qiáng)度的載體富集污染物加速光催化反應(yīng)的現(xiàn)象是一致的。由表3還可知,TiO2/AC不僅光催化產(chǎn)生CO2的速率較單純TiO2快,而且不釋放中間副產(chǎn)物,這是因為活性炭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)生時即被吸附并進(jìn)一步氧化降解為簡單的無機(jī)物如水、二氧化碳。所以活性炭不僅加速了光催化反應(yīng)而且避免了中間產(chǎn)物的釋放。從表3還可看出TiO2/AC復(fù)合凈化網(wǎng)比單純的活性炭凈化網(wǎng)具有更高的凈化率。這是由于活性炭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),使活性炭得以再生,即復(fù)合凈化網(wǎng)具備使活性炭原位再生的能力。從表3中TiO2和活性炭簡單混合再負(fù)載到支承體上的凈化網(wǎng)的凈化結(jié)果可知,由于TiO2與活性炭簡單混合,有部分活性炭包覆在TiO2表面,對于這部分被包覆的TiO2,紫外光先要經(jīng)過不透光的活性炭層,從而使到達(dá)TiO2顆粒表面的紫外光強(qiáng)度減弱,使光催化降解效率下降。又由于TiO2和活性炭這種簡單混合,不能達(dá)成污染物從活性炭向TiO2表面遷移的過程,因此對于TiO2,非但沒有因活性炭吸附提供其富集的污染物高濃度環(huán)境,反而因污染物先被活性炭吸附而使TiO2周圍環(huán)境中的污染物濃度更低,從而大大降低了光催化降解的速度。又因為污染物不能從活性炭的表面遷移至TiO2表面由光催化反應(yīng)過程脫除,因此也就不能實(shí)現(xiàn)活性炭原位再生的過程。同時TiO2與活性炭的簡單混合也不能抑制副產(chǎn)物的釋放。3光催化降解活性本研究制備的復(fù)合凈化網(wǎng)具有以下特點(diǎn):(1)將支承體、吸附劑活性炭和光催化劑TiO2有機(jī)地形成一個具有層次結(jié)構(gòu)的整體。其中,光催化TiO2處于最外層,這樣的結(jié)構(gòu)使得紫外光在沒有遮擋的條件下直接作用在TiO2光催化劑上,實(shí)現(xiàn)了較高的光利用率。(2)借助活性炭的吸附作用,對