环境空气中苯系物的光降解及光催化降解研究

摘要

近年来，我国经济的高速发展造成了大气污染，许多城市受到光化学烟雾污染的威胁，装修材料的使用又污染了室内环境。VOCs是光化学烟雾的前体物质，又是室内环境的主要污染物。苯、甲苯和二甲苯属于室内空气中浓度较高的VOCs，因此，苯、甲苯和二甲苯光降解及光催化降解的研究对大气污染防治具有十分重要的指导意义。 研究了苯、甲苯和二甲苯在直接光降解时反应物初始浓度和反应体系的影响；研究了苯、甲苯和邻二甲苯光降解中间产物浓度变化与光降解机理；研究了在无催化剂、纯锐钛矿催化剂、纯金红石以及复合催化剂时苯、甲苯和二甲苯的光催化降解情况；考察了反应物初始浓度、以及不同催化剂组成时苯、甲苯和二甲苯的光催化降解情况；研究了苯、甲苯和邻二甲苯光催化降解机理。 本论文的主要研究结果如下： (1)在苯、甲苯和二甲苯光降解或光催化降解时，由于光照可使反应器升温，而温度的变化又会影响反应物在反应器壁或催化剂表面的吸附平衡，故需控制反应器内温度。吸附平衡实验确定苯达到吸附平衡的时间为30min，甲苯40min，邻二甲苯50min，间二甲苯和对二甲苯均为45min。 (2)苯和甲苯直接光降解时，初始浓度越大，光降解越快。在相同的条件下苯系物的降解速率的顺序为邻二甲苯>间二甲苯>对二甲苯>甲苯>苯，主要原因是甲基供电基团的引入降低了苯环π-π共轭体系的键能，破坏了苯环的空间结构，从而使整个体系变得不对称。 (3)苯、甲苯和二甲苯在空气体系与通氮气20min后的氮气体系中的降解速率相差不大，而在120℃通氮气20min后的氮气体系中的降解速率明显变小。主要原因是H<,2>O作为OH·基的发生源，对光降解有促进作用，120℃通氮气可使吸附在反应器壁的水分子数量明显减少，故光降解速率降低。 (4) 苯光降解主要产物是丙炔、丁二烯、2-甲基己烷、3-甲基己烷和庚烷；甲苯光降解主要产物是丙炔、苯和苯甲醛：邻二甲苯光降解主要产物为丙炔、3-甲基丁醛、间二甲苯、2-甲基乙苯、甲苯和苯。苯、甲苯和邻二甲苯光降解主要产物都有丙炔，是反应物吸收光子后分解形成的。 (5)苯系物在无催化剂、锐钛矿催化剂和金红石催化剂三种条件下的降解速率大小关系为锐钛矿>金红石>无催化剂，这主要是由于金红石电子与空穴比较容易复合。 (6)在锐钛矿催化剂中掺入一定量的金红石可提高催化剂的光催化活性，锐钛矿含量80﹪、金红石含量20﹪的复合催化剂对苯和对二甲苯的光催化活性最高，而锐钛矿含量90﹪、金红石含量10﹪的复合催化剂对甲苯、邻二甲苯和间二甲苯的光催化活性最高。 (7)使用GC-MS分析苯、甲苯和邻二甲苯光催化降解气相中产物以及吸附在催化剂表面的产物。研究发现，气相中苯降解的主要产物为丙炔，甲苯降解的主要产物为丙炔和苯，邻二甲苯气相中降解的主要产物为丙炔、2-甲基乙苯、间二甲苯、甲苯和苯。吸附在催化剂表面上的产物比气相中产物多，苯的主要产物为3-甲基己烷、2，3-二甲基己烷、1-甲基-2-丙基环戊烷、2，4-二甲基己烷、2，5-二甲基己烷、3-甲基庚烷和2，4-二甲基庚烷；甲苯主要产物为苯、2，3，4-三甲基己烷、乙苯和对二甲苯；邻二甲苯主要产物为间二甲苯、2-甲基乙苯、2-甲基苯甲醛、甲苯和苯。从吸附在催化剂表面的苯和甲苯光催化降解产物中检测出了饱和的烷烃，说明苯和甲苯光催化降解的同时存在着加氢反应。邻二甲苯在气相和吸附在催化剂表面产物中都发现了苯、甲苯和间二甲苯，说明邻二甲苯既可发生脱甲基反应，也可发生异构反应。

目录

文摘

英文文摘

原创性声明及关于学位论文使用授权的声明

第1章绪论

1.1引言

1.2 VOCs的治理方法

1.3光催化氧化法国内外研究现状

1.3.1光催化反应的影响因素

1.3.2光催化剂的制备方法

1.3.3提高催化剂光催化活性的途径

1.3.4催化剂失活的研究

1.3.5 反应机理的研究

1.4研究的意义及主要研究内容

1.4.1研究的意义

1.4.2主要研究内容

第2章苯、甲苯和二甲苯的光降解研究

2.1实验部分

2.1.1主要仪器及试剂

2.1.2实验装置

2.1.3检测方法

2.1.4色谱条件

2.1.5标准曲线绘制

2.1.6实验内容

2.2结果与讨论

2.2.1反应器内温度与吸附平衡时间的确定

2.2.2初始反应浓度的影响

2.2.3苯、甲苯和二甲苯降解比较

2.2.4反应体系的影响

2.2.5光降解机理初探

第3章苯、甲苯和二甲苯的光催化降解研究

3.1实验部分

3.1.1主要仪器及试剂

3.1.2实验装置

3.1.3色谱条件

3.1.4实验内容

3.2结果与讨论

3.2.1 苯、甲苯和二甲苯光降解与光催化降解比较

3.2.2初始反应浓度的影响

3.2.3催化剂组成的影响

3.2.4光催化降解机理初探

第4章结论

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文