將TiO2附著在玻璃纖維布上的氣體丙酮和乙醛的光催化降解fanyi

1、將TiO 2附著在玻璃纖維布上的氣體丙酮和乙醛的光催化降解文摘：將二氧化鈦附著在玻璃纖維布上，追蹤乙醛氣體的光催化降解的可行性的進行了研究。結(jié)果表明，在375150 h的照明后,W的壓力下經(jīng)過35分鐘光照，氣態(tài)丙酮和乙醛可以完全光催化成C02和H20。反應(yīng)氣體的流動和氧氣、水蒸氣的 濃度等參數(shù)對光催化降解情況進行了研究。附著在玻璃纖維布上的二氧化鈦是不容易流失的。在二氧化鈦的光催化活性沒有明顯的下降.1998化學(xué)工業(yè)協(xié)會(J. Chem. Technol. Biotechnol. 0268-2575/98/$17.50.登在英國的丙酮和乙醛的光催化降解)。J. Chem. T echn ol.

2、 Biotech nol. 73, 264-268 (1998)關(guān)鍵詞:光催化降解,二氧化鈦，丙酮，乙醛1導(dǎo)論有機污染物和無機污染物在水溶液中的光催化降解已經(jīng)得到廣泛的研究。氣-固多相光催化降解空氣中的微量污染物是一個不斷成長的領(lǐng)域。在一定的溫度和壓力下，微量的三氯乙烯、苯、吡啶等能夠被完全光催化降解成二 氧化碳和水。氣-固光催化反應(yīng)的的機制和動力學(xué)已經(jīng)得到了討論。這些報告結(jié)果是令人滿意的。因此光催化被視 作一種非常有潛力的處理和凈化空氣的技術(shù)。二氧化鈦已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用在光催化中，并且它被看做是一種最好的降解周圍環(huán)境中污染物的光催化劑。在我們的實驗中，我們將二氧化鈦附著在玻璃表面和玻璃纖維布上

3、，兩個系統(tǒng)都證明在光催化降解有機農(nóng)藥方面，二氧化鈦是穩(wěn)定的、有效的催化劑。在本文中，我們描述了將二氧化鈦附著在玻璃纖維布上光催化降解微量氣體丙酮和乙醛的降解反應(yīng)，尋找提高光催化過程效率的方法。對可能的光催化降解的反應(yīng)器也進行了探討。2實驗2.1材料用于實驗的丙酮和乙醛必須是分析純等級，用于所有試驗的丙酮和乙醛的濃度分別為398mg/m-3和416 mg/m-3，除了濃度變化的實驗之外。2.2制備附著二氧化鈦玻璃纖維布的方法附著二氧化鈦玻璃纖維布的制備，所用溶膠-凝膠法在前面第九頁已經(jīng)提到了。眾所周知，玻璃纖維布能附著的二氧化鈦的重量是 2.8g。從x射線衍射模型可以分析得出，所附著的二氧化鈦大

4、多是晶體，電子掃描顯微鏡的觀 察結(jié)果表明，顆粒的平均直徑在1-5 pm的范圍。2.3光化學(xué)反應(yīng)器和過程實驗在石英材料的光化學(xué)反應(yīng)器中進行。光化學(xué)反應(yīng)器的示意圖由圖1表示。這個研磨機型反應(yīng)器由三部分組成。第一部分是空室，里面懸吊著有375 W的中壓汞燈。第二部分是內(nèi)部的套管。水流流過套管來維持反應(yīng)的溫度，大約為30C，并且改變光的紅外輻射部分以及任何波長在300 nm以下的輻射。第三部分是外部的套管。在實驗開始的時候，附著二氧化鈦的玻璃纖維布就纏繞在內(nèi)部的套管和外部的套管之間。反應(yīng)室的體積大約是400cm3。原料氣由反應(yīng)堆的底部進入反應(yīng)室。出氣口在反應(yīng)室的頂部。丙酮和乙醛被作為反應(yīng)氣體，可以從壓

5、縮氣體的鋼瓶中獲得。氧(99.9%)和氮(99.9%)也能在壓縮氣體的鋼瓶中獲得。氣體流量是由流量控制器設(shè)定的預(yù)定值。以鼓泡形式通過含有去離子水玻璃飽和器得到濕潤的同種標(biāo)準(zhǔn)氣體，然后與反應(yīng)物混合在一起。反應(yīng)物中水的含量是由反應(yīng)物流量和飽和器的溫度決定的。原料氣混合后，然后就送入 光化學(xué)反應(yīng)器中。照明之前，化學(xué)反應(yīng)器允許反應(yīng)混和物達到氣固相平衡，直到反應(yīng)物出口濃度等于入口的。2.4分析反應(yīng)得到的產(chǎn)品得到色譜圖形。進料和產(chǎn)品氣體作為樣品，并且隨后通過HP 5890氣相色譜柱a capil-laryPEG-4000(30米X 0.53毫米)和火焰離子化檢測器分析了反應(yīng)物的濃度。光降解效率可用下面的表

6、達式計算：y=(Cq-C)/Cq100%n：降解效率；Cq：最初的反應(yīng)物濃度； C：照明幾分鐘后的反應(yīng)物濃度。6、氣體入口 ;7、反應(yīng)室3結(jié)果與討論3.1光照時間的影響在三個不同實驗條件下對反應(yīng)物的光催化降解進行了研究：（1）在黑暗中，（2）在外部照明（室內(nèi)照明）下;（3）在紫外線光照下。反應(yīng)物的光降解效率和光照時間的關(guān)系由圖2和3表示。從圖中可以清楚地得出，在黑暗中沒有降解反應(yīng),并且在環(huán)境照明的反應(yīng)物的光降解效率仍然很低，例如：5.8%的丙酮和6.2%的乙醛在35分鐘后消失。用紫外光照明的反應(yīng)物的光降解效率隨著光照時間的增長而迅速增加，含有398mg/m-3丙酮、氧（摩爾分?jǐn)?shù),0.18）和水

7、蒸汽（摩爾分?jǐn)?shù),760 x 10-3）的氣體以260 cm3 /min的流量流過光化學(xué)反應(yīng)器，30分鐘光照后的光降解效率約為96%，且當(dāng)乙醛濃度為416mg/m-3時，30分鐘光照后的降解效率為100%。0 S 101520253035IlLuminaTioa time (min)圖2.光照時間對光催化降解丙酮效率的影響。實驗中分別用以下表示：？，在黑暗中；，在外部照明（室內(nèi)照明）下；？，紫外光照下。實驗條件：水蒸氣和氧氣在物流中的摩爾分?jǐn)?shù)分別是7.6 x 10-3和0.18,流率是260 cm3/min。在光催化降解的丙酮和乙醛過程中沒有發(fā)現(xiàn)除二氧化碳和水以外的中間產(chǎn)物。研究發(fā)現(xiàn)光催化降解污

8、染物發(fā)生在二氧化鈦表面，并且氧氣和水是光催化降解反應(yīng)的必要條件。在紫外光照射 下，在TiO2表面產(chǎn)生電子-空穴對。氧氣吸附在TiO2表面通過俘獲電子來阻止電子 -空穴對的重組；于是形成了 O22-。吸附在TiO2表面的H20或OH-與空穴反應(yīng)形成？ 0H自由基。在多相光催化作用中？ OH和O22-被廣泛用作氧化劑。 ?0H自由基的氧化能力足以打破吸附在二氧化鈦表面反應(yīng)物的C-C鍵和C-H鍵，生成C02 and HO。05101520253035liluminatiort time (min)圖3.光照時間對光催化降解乙醛效率的影響。實驗中分別用以下表示：？，在黑暗中；，在外部照明(室內(nèi)照明)下

9、；？，紫外光照下。實驗條件：水蒸氣和氧氣在物流中的摩爾分?jǐn)?shù)分別是7.6 x 10-3和0.18,流率是260 cm3/min。3.2流率和反應(yīng)物的濃度的影響從表1可以看出光催化降解效率隨流率的增加而降低。流率低于260cm3 /min時完全轉(zhuǎn)化。表2所示的是丙酮濃度對光催化降解效率的影響。從表2可以看出，當(dāng)丙酮濃度低于398mg/m-3時光降解效率是100%,但如果丙酮的濃度 398mg/m-3，光降解效率就下降的很緩慢了。當(dāng)反應(yīng)物的濃度增加，越來越多的反應(yīng)物被吸附到二氧化鈦表面上，但光強度和光照時間保持不變，并且在二氧化鈦表面形成的 OH和。対也是恒定不變的，因此，與反應(yīng)物起作用的 OH和

10、62-相對比會降低，光降解效 率也會降低。3.3水蒸氣濃度的影響水蒸氣濃度對光降解效率的影響(見表3)就是提高水蒸氣濃度到7.6 X 10-3(摩爾分?jǐn)?shù))時的反應(yīng)底物迅速增加的光降解效率；當(dāng)水蒸氣濃度超過 7.6X 10-3(摩爾分?jǐn)?shù))時,降解效率逐漸下降。 OH自由基是光催化降解有機污染物必需的主要氧化劑。為了產(chǎn)生OH，水蒸氣在光催化反應(yīng)中是必要的，但是水蒸氣過量時，TiO2表面的活化部位就會被水蒸氣占據(jù)，反應(yīng)物光降解的活化部位就會相對將少，導(dǎo)致光降解效率的降低。從另一方面看來，水是光降解丙酮和乙醛的產(chǎn)物，因此，一旦光降解反映重新產(chǎn)生水，反應(yīng)就會繼續(xù) 進行。表1流率對光降解效率的影響流率(c

11、m3 min-1)100200260300360400丙酮n(%)10010096.390.284.072.2乙醛n(%)1001001008.792.381.6光照時間，t = 30分鐘。除了流率，實驗條件跟圖2相同。表2初始濃度對光降解效率的影響初始濃度(mg m3)120260300398455600丙酮n(%)10010010096.387.667.2照明時間，t = 30分鐘。除了丙酮的濃度，實驗條件跟圖2相同。表3水蒸氣濃度的影響在光降解效率水蒸氣濃度(摩爾分?jǐn)?shù))1.36 X 10-46.8 X10-41.1 X10-34.9 X 10-376 X10-31.36X10-20.02

12、0.03丙酮n(%)32.667.089.293.796.390.181.379.6乙醛n(%)49.381.690.299.610097.081.366.8光照時間，t = 30分鐘。除了水蒸汽濃度，實驗條件跟圖2相同。3.4氧濃度的影響表4數(shù)據(jù)顯示無氧的光降解效率比較低，當(dāng)氧氣濃度增加到0.18 (摩爾分?jǐn)?shù))時，光降解效率迅速增加。在光催化反應(yīng)中氧通過導(dǎo)帶電子起著至關(guān)重要的作用，形成負(fù)氧離子(02 -),延遲電子對的組合(02 + e O2-),同時02形成H2O2,增加了 CH的數(shù)量。表4氧濃度對降解效率的影響氧濃度(摩爾分?jǐn)?shù))0.00.050.100.180.360.50丙酮n(%)2

13、1.069.289.296.397.097.3乙醛n(%)24.182.697.1100100100光照時間，t = 30分鐘。除氧的濃度，實驗條件跟圖2相同3.5二氧化鈦光催化壽命結(jié)果表明，用375 W中壓水銀燈照射150個小時后，二氧化鈦光催化活性沒有很大的降低。二氧化鈦附著在玻璃纖維布上不容易分離，因為在光催化實驗結(jié)束后沒有發(fā)現(xiàn)二氧化鈦。4結(jié)論目前的研究表明，附著在玻璃纖維布上的二氧化鈦能夠作為光降解氣體丙酮和乙醛的催化劑；在375 W中壓水銀燈下照射35分鐘，398mg/m3的丙酮和416mg/m3的乙醛能夠完全光催化降解成CO2和H2O。對光催化降解微量氣體的丙酮和乙醛，微量的水(7

14、.6 X 10-3，摩爾分?jǐn)?shù))和氧氣(0.18，摩爾分?jǐn)?shù))是必須的。1. Hoffmann,M.R.,Martin,S.T.&Choi,W.,半導(dǎo)體光催化劑的環(huán)境應(yīng)用。化學(xué)會,95 (1995) 69-96。2. Takeda,N.,Torinoto,T.&Sampath,S.,二氧化鈦雙端口提高光催化降解氣體速率的影響。物理化學(xué)，99 (1995)9986-91。3. Pera,J.&Ollis,D.F.，異構(gòu)的光催化氧化空氣中氣相有機物：丙酮，異丁醇，丁醛，甲醛，和二甲苯氧化作用。 催化雜志，136 (1992) 554-65。4. Nimlos,M.R.,Jacoby,WA&Blake,D.M.,有害廢氣物的銷毀的直接大量光譜分析研究。2氣相三氯乙烯光催化氧化能力超過二氧化鈦：產(chǎn)品和設(shè)備。環(huán)境科學(xué)技術(shù)，27 (1993) 732-40.5.Sampath,S.U.,Chida,H.&Yoneyama,H.,氣態(tài)吡啶的光催化降解能力超過附著在沸石上的二氧化鈦。催化雜 志,149(1994)189-94。6.Sauer,M.L.&Ollis,D.F.,濕潤空氣中乙醇和乙