闭式循环系统中TiO2/ACF复合光催化材料吸附-光催化降解气相甲醛的研究

摘要

随着室内挥发性有机化合物（VOCs）污染问题日益受到重视，具有良好降解效果的光催化技术正成为室内空气净化领域研究的新热点。利用一定的负载技术，将光催化剂TiO2负载到吸附型载体ACF上，形成TiO2/ACF复合光催化材料，复合之后表现出强吸附力、高光催化活性的协同效应，对室内VOCs具有较高的降解效率。但是，利用TiO2/ACF复合光催化材料降解室内VOCs的技术仍存在一些问题：大多数降解实验的反应舱体规模有限，设备简单，难以准确模拟真实室内降解环境；TiO2负载效果欠佳；各因素对吸附-光催化降解过程的影响效果、相关机理以及动力学分析不明确；缺乏吸附-光催化降解过程对各环境参数的影响研究等。
　　本文在充分总结相关研究内容的基础上，设计并搭建带有光催化反应器的闭式循环系统，更接近真实条件下的室内污染物扩散模式。采用浸渍提拉法，以AlPO4为粘结剂制备TiO2/ACF复合光催化材料，并对所制得的样品进行XRD、BET及热重表征分析。在此基础上，以气相甲醛为目标污染物，在闭式循环系统中设计并进行了一系列吸附-光催化降解实验。制备不同TiO2负载量的TiO2/ACF复合光催化材料，并在闭式循环系统中进行甲醛的吸附-光催化降解实验以探求其降解效果；在反应体系中加入气相二甲苯以探究其他种类VOCs的干扰对甲醛降解效果的影响；通过改变吸附-光催化降解反应的初始浓度、反应温度以及相对湿度，考察上述环境因素对甲醛降解效果的影响并进行相应的光催化动力学分析，同时进一步研究吸附-光催化进程中各个影响因素变化对降解后的空气参数的影响。所得到的结论包括以下几点：
　　（1）根据TiO2及TiO2/ACF复合光催化材料XRD表征结果， TiO2粒子的晶型经过负载过程并没有发生改变，TiO2已经成功负载到ACF表面；负载前后TiO2的粒径分别为24nm、17nm。
　　（2）根据N2等温吸附脱附图谱显示，TiO2、ACF及TiO2/ACF复合光催化材料的吸附脱附等温线分别为Ⅲ型、Ⅰ型和Ⅳ型。对比吸附量可以看出，负载TiO2后的TiO2/ACF较ACF的吸附量有所下降，但远高于TiO2。
　　（3）通过对比ACF、TiO2及TiO2/ACF的比表面积和孔结构参数发现，负载TiO2会使ACF的比表面积减小，吸附性能下降。但与TiO2相比， TiO2/ACF仍保持着非常大的比表面和较强的吸附能力，加入AlPO4作为粘结剂对的TiO2/ACF孔结构的影响不显著。
　　（4）据TiO2与TiO2/ACF复合光催化材料的TG图谱显示，复合光催化材料的最优热处理温度大约在400℃，负载后的复合光催化材料较ACF具有更高的热稳定性。不同负载量的复合材料热稳定性大致相同，TiO2负载量越大，复合材料热稳定性越强。
　　（5）采用浸渍提拉法分别制备质量分数为1％、2%、3%的TiO2悬乳液进行ACF的浸渍负载过程，使用制得的三种类型的TiO2/ACF复合光催化材料对闭式循环系统内的气相甲醛进行吸附-光催化降解。实验结果表明，负载量较少时，ACF吸附性能好但光催化速率受限，负载量较多时吸附过程受阻但光催化效果良好。
　　（6）控制一定的反应条件，重复进行两组分VOCs（甲醛与二甲苯）气体的吸附-光催化降解实验。结果表明，闭式循环系统中二甲苯的存在会抑制甲醛的吸附-光催化降解过程，并且随着系统中二甲苯浓度的增大，甲醛的吸附-光催化降解率降低。
　　（7）以甲醛作为目标污染物，在不同初始浓度下，吸附-光催化降解率并没有呈现出显著的差异，最终降解率均能达到80%以上。吸附段甲醛的降解率可以达到65%以上，而光催化段甲醛的降解率则为15%～32%。吸附-光催化降解率与甲醛初始浓度之间没有显著关系。通过对不同初始浓度下甲醛光催化降解过程的反应动力学分析发现，闭式循环系统中TiO2/ACF复合光催化材料对甲醛的光催化降解过程符合L-H一级反应动力学模型。在吸附阶段内，相对湿度增加，复合材料对甲醛的吸附量降低；在光催化阶段内，由于水分子对光催化过程的双重作用，随着相对湿度的增加，甲醛的光催化反应速率呈现出一个先上升后下降的趋势。当相对湿度在50%-60%范围内时，光催化反应速率达到最大。在吸附阶段内，温度升高会引起吸附量的下降，而进入光催化阶段后，不同反应温度下的光催化降解速率并无显著差异，甲醛的光催化降解速率与反应温度没有显著关系。
　　（8）在不同的反应条件下，反应前后的系统整体湿度差最高不超过5%，温度差最高不超过1.3℃。气相甲醛的降解过程对人体的舒适度影响并不大，符合空气处理对人体舒适度的要求。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 室内VOCs污染

1.2 吸附-光催化降解VOCs技术

1.3 TiO2/ACF复合光催化材料的制备方法

1.4 吸附-光催化降解VOCs的影响因素

1.5 光催化反应动力学

1.6 论文的研究思路与研究内容

第二章 实验部分

2.1 大体积闭式循环系统

2.2 TiO2/ACF复合光催化材料的制备

2.3 TiO2/ACF复合光催化材料的表征

2.4 TiO2/ACF复合光催化材料对VOCs的吸附-光催化降解实验

第三章 TiO2/ACF复合光催化材料的表征结果分析

3.1 X-射线衍射（XRD）

3.2 TiO2负载前后的BET分析

3.3.热重（TG）

3.4 小结

第四章 TiO2/ACF吸附-光催化降解VOCs的影响因素

4.1甲醛吸附-光催化降解的基本过程

4.2二甲苯干扰下甲醛吸附-光催化降解过程

4.3 VOCs初始浓度对气相甲醛吸附-光催化降解的影响

4.4 温度对气相甲醛吸附-光催化降解的影响

4.5相对湿度对气相甲醛吸附-光催化降解的影响

4.6吸附-光催化降解反应对环境因素的影响

4.7 小结

第五章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

致谢

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