流化床—光纤光催化氧化去除气相挥发性有机污染物

摘要

近年来利用TiO2光催化性能去除空气中挥发性有机污染物逐渐成为光催化研究的热点。其中光催化反应器的设计是提高光催化效率的关键因素之一。目前广泛研究的固定床存在传质和光传递受限制、光利用效率低等问题；而现有流化床光催化反应器中则存在光传递不均匀的问题。本课题以光纤来传输光源并均匀布置光源，结合流化床高传质效率的优点，采用自行设计的气-固流化床-光纤光催化反应器进行挥发性有机污染物（VOCs）的光催化降解实验。研究内容主要包括：
　　（1）流化床-光纤光催化反应装置的优化。通过调节催化剂的粒径分布和反应气体的流量进行流化床的流态优化。确定流化床的最佳参数：光催化剂粒径为60～120目，质量范围1.00g～1.01g，其中60～80目，80～100目，100～120目催化剂的质量比为1:2:2；流化床的静床层高度约为27mm，当反应气的总流量为106mL/min时，流化床层高约为36mm，流化床的流化态最好。结合光催化剂的SEM和BET的表征结果，确定采用10％TiO2/SiO2进行光催化降解实验。
　　（2）以标记为138号的光纤为测定对象，调节紫外灯光源的输出光量，采用草酸铁钾法与UV-B辐照计测定光纤的光强。光强的测定结果：紫外灯的光源光量与相应光源光量条件下测得的光纤光强基本上呈线性关系。距光纤发光头10mm处，草酸铁钾法测定的138号光纤光强与辐照计测定的光强值符合线性关系。
　　（3）在流化床的最佳参数下，以丙酮为目标污染物进行流化床-光纤光催化反应器的降解实验，研究光照强度、丙酮的初始浓度、催化剂负载量以及反应气不同组分对丙酮光催化降解的影响规律，结果表明：在光源光量为100%，O2含量为10%，光催化剂负载量为10%的条件下，丙酮初始浓度为150ppm时的光催化降解率为56.5%，光量子效率为1.05%，单位质量催化剂的转化活性为4.01μmol/(g催化剂·min)；增大光源光量会提高丙酮降解率。增大初始浓度则会降低丙酮的降解率。丙酮的降解率随着反应气中O2含量的增大而增大，最佳的O2含量为10%；丙酮的降解率随反应气中H2O含量的增加先增大后降低，H2O含量为1%时，丙酮降解率达66.6%。丙酮的降解率随着催化剂负载量的增加而增大，而单位催化剂的转化活性则随着催化剂负载量的增加而降低。
　　（4）以三氯乙烯（TCE）为目标污染物，考察光照强度、TCE的初始浓度、反应气中O2含量和H2O含量对TCE光催化降解的影响。结果表明：在光源光量为100%，O2含量为10%，光催化剂负载量为10%的条件下，TCE初始浓度为150ppm时的光催化降解率最高可达68.2%，光量子效率为1.27%，单位质量催化剂的转化活性为4.84μmol/(g催化剂·min)。增大光源光量会提高TCE的降解率。增大初始浓度则会降低TCE的降解率。TCE的降解率随着O2含量的增大而增大，O2含量为10%、5%和2.5%时，TCE的降解效果差别不大。TCE的降解率随反应气中H2O含量的增加先增大后降低，H2O含量为1%时，TCE降解率达70.9%。
　　（5）采用固定床-光纤光催化反应器进行丙酮、三氯乙烯的光催化降解实验，与流化床-光纤光催化反应器进行对比。在光源光量、催化剂负载量以及反应气体组成相同的条件下，流化床-光纤光催化反应器比固定床-光纤光催化反应器具有更高的去除丙酮和TCE的能力，而且具有更高的光能利用效率和催化剂的转化活性。

目录

摘 要

Abstract

第1章 绪 论

1.1 课题背景

1.2 国内外挥发性有机物处理的研究现状

1.2.1 吸附法

1.2.2 直接燃烧法

1.2.3 催化燃烧去除

1.2.4 生物法

1.2.5 脉冲电晕等离子体降解

1.2.6 光催化降解

1.3 本课题研究的目的和意义

1.4 本课题的研究内容

第2章 实验材料、装置与方法

2.1 前言

2.2 实验材料

2.3 实验设备

2.4 实验装置

2.4.1 配气系统

2.4.2 流化床-光纤光催化反应器

2.4.3 检测分析系统

2.5 实验方法

2.5.1 光催化剂的制备

2.5.2 目标污染气体的配制

2.5.3 光催化反应的评价方法

第3章 流化床-光纤光催化反应系统的优化

3.1 前言

3.2 实验

3.2.1 光纤发射光的光强测定

3.2.2 草酸铁钾法与辐照计光强关系测定

3.2.3 光强在空气中的衰减测定

3.2.4 流化床流态的优化

3.2.5 光催化剂的表征

3.3 结果与讨论

3.3.1 光纤光强的测定

3.3.2 草酸铁钾法与辐照计测定光强的相关性

3.3.3 光纤光强在空气中的衰减

3.3.4 流化床的最佳参数

3.3.5 流化床反应器和固定床反应器的光纤光源

3.3.6 SEM的表征结果

3.3.7 BET的表征结果

3.4 本章小结

第4章 光催化反应器降解丙酮的研究

4.1 前言

4.2 实验

4.2.1 实验装置与分析方法

4.2.2 实验步骤

4.3 结果与讨论

4.3.1 实心玻璃珠的吸附

4.3.2 丙酮的直接光解

4.3.3 空白载体的光催化活性

4.3.4 光强的影响

4.3.5 初始浓度的影响

4.3.6 O2含量的影响

4.3.7 H2O含量的影响

4.3.8 催化剂负载量的影响

4.3.9 固定床反应器与流化床反应器降解丙酮的比较

4.4 本章小结

第5章 光催化反应器降解三氯乙烯的研究

5.1 前言

5.2 实验

5.2.1 实验装置与分析方法

5.2.2 实验步骤

5.3 结果与讨论

5.3.1 TCE的直接光解

5.3.2 空白载体的光催化活性

5.3.3 光强的影响

5.3.4 初始浓度的影响

5.3.5 O2含量的影响

5.3.6 H2O含量的影响

5.3.7 固定床反应器与流化床反应器降解TCE的比较

5.4 本章小结

结 论

参考文献

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明

致 谢