二氧化鈦光催化涂料降解甲醛報(bào)告

1、.x大學(xué)生創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新結(jié)項(xiàng)報(bào)告目錄二氧化鈦光催化涂料降解甲醛報(bào)告3前 言3一、納米 TIO2 光催化降解甲醛的研究現(xiàn)狀及存在問(wèn)題3二、光催化降解甲醛的機(jī)理4三、不同因素下二氧化鈦對(duì)甲醛光催化降解的影響4四、提高納米TiO2光催化活性的方法7五、其他影響TiO2光催化涂料實(shí)用化的因素7六、納米二氧化鈦光催化涂料降解甲醛的研究8七、結(jié) 論10八、改進(jìn)及其建議10*;二氧化鈦光催化涂料降解甲醛報(bào)告 前 言室內(nèi)空氣污染已經(jīng)成為世界各國(guó)廣泛關(guān)注的環(huán)境問(wèn)題,甲醛是典型的室內(nèi)空氣有機(jī)污染物之一,主要來(lái)源于室內(nèi)裝飾裝修材料、家具和涂料等,已經(jīng)被世界衛(wèi)生組織確定為致癌物和致畸物1。隨著國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,居室裝修的住戶(hù)

2、不斷增加,從而對(duì)甲醛的治理迫在眉睫。目前一般用通風(fēng)換氣凈化方法、物理吸附、化學(xué)吸收法、植物吸收凈化方法、熱破壞法、空氣負(fù)子技術(shù)、材料封閉技術(shù)、光催化技術(shù)等2方法來(lái)處理甲醛。但是一般的方法處理效果不佳,而且存在二次污染。相比之下,光催化技術(shù)幾乎能將所有的污染物氧化為無(wú)害物,而且不造成二次污染。特別是納米T i O2是目前室內(nèi)空氣凈化應(yīng)用最廣的光催化劑。一、納米 TIO2 光催化降解甲醛的研究現(xiàn)狀及存在問(wèn)題在甲醛光催化降解的研究中，TiO2 由于其本身的優(yōu)良特性，如價(jià)格低廉、安全、高光催化效率和無(wú)需化學(xué)添加劑等，仍然是比較常用的光催化劑。同其他光催化反應(yīng)一樣，光催化降解甲醛的催化劑 TiO2 改性

3、方法也主要有納米化，固定化和與其他氧化物復(fù)合等改性方法。例如，古正榮等采用將光催化劑和吸附材料相結(jié)合的新反應(yīng)體系，以具有直通孔的成型支撐體（如防水的牛皮紙）膠粘活性炭為復(fù)合載體，用浸涂法在復(fù)合載體上形成納米 TiO2 光催化劑薄殼層，制備出可以用于空氣凈化的活性炭納米 TiO2 空氣凈化網(wǎng)15,16這種凈化網(wǎng)對(duì)含甲醛廢氣的降解率可達(dá) 98.5，同時(shí)通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)還證明了這種負(fù)載型凈化網(wǎng)優(yōu)于單一的活性炭、單一的 TiO2 及簡(jiǎn)單的二者混合。張玉紅等采用溶膠膠粒修飾制備了 TiO2 與 SiO2、ZrO2、WO3 和 MoO3 復(fù)合的一系列復(fù)合氧化物光催化劑二、光催化降解甲醛的機(jī)理自1972年Fuj

4、sihima和Honda3-5發(fā)現(xiàn)受輻射的TiO2表面能發(fā)生對(duì)水的持續(xù)氧化、還原反應(yīng)的功能以后,半導(dǎo)體多相光催化反應(yīng)引起了人們很大的關(guān)注。T i O2滿(mǎn)的價(jià)帶和空的導(dǎo)帶之間的禁帶寬度為3.26 e V。在有少量水蒸氣的空氣中,當(dāng)能量超過(guò)其禁帶寬度的光子照射在T i O2表面時(shí),價(jià)帶的電子會(huì)被激發(fā)到導(dǎo)帶,在導(dǎo)帶形成高活性的電子(e-),同時(shí)在價(jià)帶產(chǎn)生一個(gè)帶正電的空穴h+,激發(fā)后產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)很快從體內(nèi)遷移到表面。在光催化氧化空氣中微量甲醛的反應(yīng)條件下,吸附在催化劑表面的空氣中的氧氣被光生電子還原為·O2-,微量水被空穴氧化為·O H。兩者為甲醛的深度氧化提供了高活性的氧化

5、劑。·O2-和·O H攻擊甲醛的CH鍵,與其活潑的H原子產(chǎn)生新自由基,激發(fā)鏈?zhǔn)椒磻?yīng),最終使甲醛分解為H2O和C O2。三、不同因素下二氧化鈦對(duì)甲醛光催化降解的影響甲醛光催化反應(yīng)有很多影響因素,有濕度、甲醛初始污染物濃度、氣體流速、反應(yīng)溫度、催化劑用量、催化劑載體、紫外光強(qiáng)度等。3.1相對(duì)濕度的影響在光催化反應(yīng)中,TiO 對(duì)水分子存在吸附飽和如果沒(méi)有水蒸氣存在,會(huì)導(dǎo)致催化劑表面氫氧基團(tuán)逐漸減少,增加了電子與空穴的復(fù)合,從而使催化劑活性下降；一旦水蒸氣濃度較高,水分子與甲醛發(fā)生競(jìng)爭(zhēng)吸附作用,會(huì)強(qiáng)烈地抑制反應(yīng)的進(jìn)行。因此,濕度是進(jìn)行光催化降解甲醛的重要影響因素。鹿院衛(wèi)等10的研究

6、表明,在密閉環(huán)境下,濕度對(duì)甲醛自然衰減沒(méi)有明顯影響,因此他們認(rèn)為濕度對(duì)甲醛的光催化氧化降解有重要影響而且存在一最佳值。齊虹等11的試驗(yàn)結(jié)果顯示不同的實(shí)驗(yàn)條件下隨著相對(duì)濕度的增加,甲醛降解率先增后減,最佳相對(duì)濕度在35%左右,相對(duì)濕度過(guò)高或過(guò)低都不利于甲醛的光催化降解。3.2甲醛初始濃度的影響在光催化反應(yīng)體系中,其他試驗(yàn)條件不變的情況下,甲醛初始濃度的不同對(duì)光催化效果有一定的影響。黃婉霞等12用粒徑為17 nm的納米二氧化鈦制成的質(zhì)量比為2%的噴霧劑進(jìn)行實(shí)驗(yàn),在一定時(shí)間內(nèi)隨著甲醛初始濃度的增加,降解率上升,但是隨著甲醛初始濃度的繼續(xù)增加,降解率反而下降。翟增運(yùn)等13所做的研究也得出類(lèi)似結(jié)果。齊虹

7、等11研究結(jié)果表明,甲醛初始濃度越高,其反應(yīng)平衡時(shí)間越長(zhǎng),甲醛降解率會(huì)降低(甲醛濃度為6.97 m g/m3時(shí),在120 m i n就達(dá)到平衡,此時(shí)甲醛降解率為98.57%,當(dāng)甲醛濃度為46.67 m g/m3時(shí),要到240 min降解才達(dá)到平衡,降解率為95.35%)。3.3 其他因素的影響除了以上的影響因素外,甲醛氣體流速、催化劑載體、摻雜、光強(qiáng)等對(duì)甲醛降解率都有很重要的影響。鹿院衛(wèi)等10的研究中同時(shí)也發(fā)現(xiàn)在較高污染物濃度條件下,流速的提高有利于污染物的光催化降解；相反,當(dāng)污染物濃度較低時(shí),流速提高污染物光催化降解效率反而降低。錢(qián)昱等14探討了載體、摻雜、黏結(jié)劑等因素對(duì)TiO2光催化降解甲

8、醛速率的影響。得出TiO2負(fù)載在無(wú)紡布和鎳網(wǎng)上甲醛光催化降解的效果較好。活性炭的加入能明顯提高甲醛的光催化降解速率,而摻雜過(guò)多時(shí)降解速率有所下降。ATO的加入也能提高甲醛光催化速率。水玻璃作為黏結(jié)劑時(shí)能有效提高甲醛光催化速率。廖東亮等15在二氧化鈦光催化降解甲醛反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究過(guò)程中得出,甲醛的降解率隨著TiO2活化溫度的升高而降低,最佳活化溫度為450 ,而且活化時(shí)間為5 h時(shí)光催化劑對(duì)甲醛的降解率最高。Xu Rui-fen等16對(duì)納米二氧化鈦光催化降解甲醛的機(jī)理分析表明,在氣相條件下,空氣中的氧氣壓和蒸汽壓對(duì)空氣微量甲醛的降解效率有很大影響。W H CHING等17制備光催化劑對(duì)甲醛的降解研

9、究表明,TiO2對(duì)甲醛的降解速率和紫外光的強(qiáng)度也密切相關(guān)。四、提高納米TiO2光催化活性的方法T i O2價(jià)廉、無(wú)毒、穩(wěn)定性好、易于回收,是一種良好的光催化劑。而且其被光激發(fā)產(chǎn)生的電子(e-)/空穴(h+)對(duì),具有很強(qiáng)的氧化還原能力,但是TiO2的帶隙能為3.2 eV較寬,光吸收僅限于紫外區(qū),限制了對(duì)太陽(yáng)能的利用,而且空穴容易與電子復(fù)合,降低了光催化效率。因此人們對(duì)改善其光催化性能進(jìn)行了廣泛深入研究18-25。提高納米TiO2光催化活性的方法有納米T i O2固化和納米T i O2改性。納米TiO2固化方法包括:粉體燒結(jié)法、溶膠-凝膠法濺射法、化學(xué)氣相沉積法、液相沉積法；納米TiO2改性方法包

10、括:貴金屬沉積、金屬離子摻雜、非金屬元素?fù)诫s、復(fù)合半導(dǎo)體、表面光敏化、納米T i O2表面螯合及衍生。五、其他影響TiO2光催化涂料實(shí)用化的因素5.1光照條件納米T i O2是光催化劑,因而其作為室內(nèi)空氣凈化的光催化劑在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)受到一些限制。在室內(nèi),白天自然光中滿(mǎn)足要求的光強(qiáng)度比較小,催化效果差,晚上幾乎沒(méi)有光照,不產(chǎn)生催化作用。然而室內(nèi)甲醛的濃度很容易超標(biāo),如果T i O2的催化分解速率小于甲醛的釋放速率,就室內(nèi)空氣凈化就不可能達(dá)到達(dá)標(biāo)程度,因此會(huì)影響光催化涂料的銷(xiāo)售。另外,光照產(chǎn)生的羥基自由基等壽命很短,也會(huì)影響到其凈化效果。5.2分散穩(wěn)定性由于納米T i O2粒徑小,比表面積大,在溶

11、液中受到范德華力等引力的作用,極易形成難以分散的團(tuán)聚體,這將大大降低甚至消除了納米顆粒的實(shí)際應(yīng)用效果。隨著大量的研究將納米技術(shù)應(yīng)用在涂料改性中,如果納米材料沒(méi)有很好的分散穩(wěn)定性,它就會(huì)在涂料中失去應(yīng)有的作用。雖然已有大量關(guān)于納米 T i O2分散穩(wěn)定性的研究2628,但是想使納米技術(shù)在涂料工業(yè)中真正獲得廣泛的應(yīng)用,T i O2分散穩(wěn)定性問(wèn)題要有待深入研究。5.3其他因素光催化涂料的涂布技術(shù)、涂布方式、催化劑及其催化劑失活、缺乏光催化性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)等因素都會(huì)影響其在現(xiàn)實(shí)生活中的應(yīng)用。六、納米二氧化鈦光催化涂料降解甲醛的研究納米二氧化鈦?zhàn)鳛橐环N高效新型的光催化劑具有化學(xué)穩(wěn)定性高、無(wú)毒、成本低和催化能

12、力強(qiáng)等特點(diǎn),而且光催化技術(shù)具有在室溫下可以使用、能耗低、無(wú)二次污染、凈化效率高等優(yōu)點(diǎn),能夠有效地降解室內(nèi)低濃度的有害氣體,甲醛、甲苯等有機(jī)物可以完全被T i O2光催化分解為C O2和H2O等無(wú)機(jī)物,因此,納米二氧化鈦光催化技術(shù)備受重視。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者先后研究了甲醛的光催化降解,這些研究總體上說(shuō),在二氧化鈦光催化涂料方面取得一定的研究成果。研究結(jié)果顯示,加入2%納米T i O2能極大地提高涂料降解甲醛的能力,甲醛降解率在 7 h后達(dá)到79%以上。但是加入4%納米T i O2的內(nèi)墻涂料對(duì)甲醛的降解反而沒(méi)有普通內(nèi)墻涂料好。含量為1%、2%、3%的涂料進(jìn)行光催化氧化降解甲醛的測(cè)試比較,發(fā)現(xiàn)加入納米粉

13、體后的涂料對(duì)甲醛有很明顯的催化降解,納米T i O2含量為3%時(shí)甲醛降解率最大。其又對(duì)納米TiO2-xNx粉體含量為1%、2%、3%的涂料的光催化降解甲醛測(cè)試比較得出納米T i O2-x N x粉體含量為3%時(shí)甲醛的分解率達(dá)到92.3%。劉永屏等31通過(guò)對(duì)納米T i O2的表面處理,改性?xún)?nèi)墻生態(tài)涂料對(duì)甲醛、氨氣等氣體的凈化效率達(dá)到90%以上。采用溶膠凝膠法制備T i O2并通過(guò)干燥器法測(cè)量T i O2對(duì)甲醛的吸附效率,結(jié)果表明,750 制備的TiO2吸附甲醛效率最高,TiO2對(duì)甲醛的吸附效率隨著光照時(shí)間的增加而增大,脫附實(shí)驗(yàn)證明TiO2對(duì)甲醛的吸附是化學(xué)采用溶膠凝膠負(fù)載氣凝膠煅燒工藝制備的T

14、i O2光催化復(fù)合材料,具有較強(qiáng)的吸附性能和較高光催化性能。在25 m i n內(nèi),能迅速使甲醛的濃度從6.58 mg/m3降至0.99 mg/m3。對(duì)納米TiO2摻雜金屬鹽后的光催化甲醛降解性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明,適當(dāng)釩摻雜改性提高了納米T i O2降解甲醛的能力,經(jīng)過(guò)釩摻雜改性納米T i O2后其可見(jiàn)光范圍的吸收明顯增強(qiáng)； 0.5%F e+0.3%V復(fù)合摻雜改性甲醛的催化降解率可以達(dá)到85%。七、結(jié) 論綜上所述,納米二氧化鈦光催化涂料降解甲醛的技術(shù)研究為降解甲醛提供了一種全新的方法,是一種簡(jiǎn)單、高效、環(huán)境友好的可行方法。目前二氧化鈦光催化涂料降解甲醛大多還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段,工業(yè)應(yīng)用較少,且主要為間歇式實(shí)驗(yàn)或低流速的連續(xù)流實(shí)驗(yàn)。如何改良處理工藝、提高光催化能力、改良二氧化鈦負(fù)