纳米TiO2与涂料的复合及其降解室内甲醛的实验研究

论文摘要

我国房地产业发展迅猛,人们在追求居住环境、办公环境美观舒适的同时,室内装修中使用的家具以及装饰装修材料也成为了室内空气污染的隐患。这些装饰装材料释放出来的污染气体严重恶化了室内空气品质,其中甲醛已被世界卫生组织（WHO）及美国环保局（ EPA）列为可疑致癌物。因此研制、开发和引进无污染的环保建材正成为人们亟待解决的重大课题。纳米TiO2光催化技术由于反应条件温和、催化反应速度快、二次污染小等特点受到了人们的普遍关注,并被认为是最具潜力的环境污染控制技术。但是纳米TiO2光催化剂存在光催化活性和可见光利用率不高等问题。TiO2粒子在溶剂中极易团聚,直接应用于涂料中不仅影响了纳米粒子本身优异性能的发挥,还可能导致涂料发生层析、沉降、结块等现象。因此本实验通过对纳米TiO2进行改性、分散来提高它的光催化活性和可见光利用率,并将其与涂料进行复合,达到去除室内空气中甲醛的目的。本论文采用溶胶-凝胶法制备了纯TiO2粉末、Zn-TiO2、N-TiO2以及Zn/N/TiO2,以甲醛为目标降解物,筛选出降解性能最优的掺杂配比,并对其进行XRD表征;考察了纳米TiO2在水溶液中的分散情况,分析不同pH值、不同分散剂、不同分散剂用量、不同分散时间等因素对纳米TiO2水悬浮液稳定性的影响;将纳米TiO2与涂料以不同工艺进行复合,考察不同复合工艺、纳米TiO2在涂料中的不同添加量等因素对甲醛降解率的影响;通过性能检测判断加入光催化剂后是否影响了传统涂料的基本性能。最后,采用L-F-H模型对甲醛的降解数据进行拟合,并分析甲醛初始浓度对反应速率k的影响。实验结果表明:①Zn-TiO2、N-TiO2、Zn/N/TiO2均能使TiO2光催化剂的光催化性能得到显著提高,当掺杂配比为n（Zn）:n（N）:n（TiO2） =0.8%:1%:1时,甲醛的降解效率最高,通过XRD表征发现,Zn/N TiO2的粒径分布均匀,平均粒径为19.8nm,实验制得的TiO2粉体为锐钛矿纳米TiO2粉体。②改性纳米TiO2添加量为5%,分散剂（聚丙烯酰胺）添加量为1%,调节体系的pH值为7,磁力搅拌器搅拌30min,超声分散1h,可得到实验最佳的改性纳米TiO2水分散体;相较工艺一,工艺二对甲醛的降解效果较好,即将改性纳米TiO2水溶液充分分散后添加到涂料中去,超声波振荡,均匀负载于经过预处理的瓷砖上,自然风干,且这种工艺的牢固性较好;纳米TiO2在涂料中的添加量为3%时,甲醛降解效果最好;该光催化薄膜置于白炽灯下,2h后甲醛的降解率达到了36.36%;复合涂料的基本性能检测结果为:多道喷涂无障碍、涂膜外观合格、涂膜硬度为2H、耐水、耐酸碱等。③L-F-H动力学模型能够较好地模拟甲醛的光催化降解规律,该模型与实验数据的相关性较高。在所研究的甲醛浓度范围内（0.28-0.85 mg/m3）,随着甲醛浓度的增加,反应进程加快。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 室内有害气体甲醛
• 1.2.1 甲醛的来源
• 1.2.2 甲醛的危害
• 1.2.3 甲醛的治理
• 2 光催化技术'>1.3 改性纳米TiO₂光催化技术
• 2 光催化降解甲醛的基本原理'>1.3.1 纳米TiO₂光催化降解甲醛的基本原理
• 2 光催化降解甲醛的影响因素'>1.3.2 纳米TiO₂光催化降解甲醛的影响因素
• 2 光催化的改性研究'>1.3.3 纳米TiO₂光催化的改性研究
• 1.4 纳米涂料的研究现状
• 1.4.1 纳米材料在建筑涂料中的作用
• 1.4.2 纳米复合涂料的研究现状
• 1.5 本课题的研究目的、意义及主要研究内容
• 1.5.1 课题研究的目的、意义
• 1.5.2 主要研究内容
• 1.6 本章小结
• 2 光催化剂的制备与筛选'>2 纳米 TiO₂光催化剂的制备与筛选
• 2 光催化剂的制备'>2.1 纳米TiO₂光催化剂的制备
• 2.1.1 实验仪器与材料
• 2 光催化剂的制备'>2.1.2 纳米TiO₂光催化剂的制备
• 2 光催化剂的筛选'>2.2 纳米TiO₂光催化剂的筛选
• 2.2.1 实验设计
• 2.2.2 实验准备
• 2.2.3 实验结果与讨论
• 2.2.4 改性光催化剂的表征
• 2.3 本章小结
• 2 与涂料的复合'>3 纳米 TiO₂与涂料的复合
• 2 的分散性研究'>3.1 纳米TiO₂的分散性研究
• 2 的分散理论'>3.1.1 纳米TiO₂的分散理论
• 2 的分散方法'>3.1.2 纳米TiO₂的分散方法
• 3.1.3 实验设计
• 3.1.4 实验结果与讨论
• 2 与涂料的复合及甲醛的降解实验'>3.2 纳米TiO₂与涂料的复合及甲醛的降解实验
• 2 与涂料的复合'>3.2.1 纳米TiO₂与涂料的复合
• 3.2.2 不同复合工艺对甲醛的降解性能的影响
• 3.2.3 不同负载量对甲醛降解率的影响
• 3.2.4 可见光下复合材料对甲醛的降解率
• 3.2.5 纳米复合材料的重复使用性
• 3.3 复合涂料的基本性能评价
• 3.4 本章小结
• 4 光催化降解甲醛的动力学研究
• 4.1 L-H-F 动力学模型的提出
• 4.1.1 L-H 动力学模型
• 4.1.2 L-H-F 动力学模型
• 4.2 数据处理方法
• 4.3 L-F-H 与L-H 模型的比较
• 4.4 甲醛初始浓度对反应速率的影响
• 4.5 本章小结
• 5 结论与建议
• 5.1 结论
• 5.2 建议
• 致谢
• 参考文献
• 附录