掺铁TiO2薄膜光催化降解室内苯污染的实验研究

论文摘要

人们在对室内进行装饰装修过程中所使用的材料大都含有甲醛、可挥发性有机物等对人体有害的物质,这些物质在室内持续散发,导致室内空气质量（IAQ）严重下降;另外,随着空调系统应用的普及,人们一方面提高建筑物的气密性和热绝缘性,同时降低室内最小新风量标准,就导致了室内有害污染物由于得不到新风稀释而使浓度增大,严重恶化了室内空气品质。如何改善室内空气品质,给人们的生活提供一个健康的室内环境,已经成为人们日益关注的焦点。室内空气污染中人们所关心的焦点当属室内有机污染,主要包括甲醛、苯及其同系物等。目前室内空气有机污染治理的主要有生物方法、物理方法、以及化学方法。光催化技术,是近年来兴起的一种治理室内空气污染的新技术,属于化学方法的一种,它主要是在光催化剂（二氧化钛等）的作用下,使污染物质分解为CO2和H2O等无害物质。该技术反应条件温和、二次污染小、运行成本低,并且可望利用太阳光作为光源,是目前最具发展前景的室内空气净化技术。然而,利用二氧化钛（TiO2）光催化技术净化室内空气仍处于起步阶段,还有待进一步完善。例如,如何提高TiO2的量子产率,如何提高其对可见光的利用率,如何改进催化剂的固定技术,以及如何处理中间产物等问题。本文采用改进的Sol-Gel法制备掺铁TiO2光催化薄膜,通过一组正交试验设计确定了最佳制备工艺参数,然后根据最佳制备工艺参数制备得到了釉面瓷砖和活性炭纤维（ACF）负载的掺铁TiO2薄膜,并使用X射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）等技术对薄膜样品的表面形态和晶型等进行了表征分析。本文还通过实验考察了掺铁TiO2薄膜的光催化活性,讨论了光源、苯初始浓度以及气流组织等因素对光催化活性的影响。最后,本文对TiO2光催化薄膜的耐用性能进行了研究,包括重复使用性和负载牢固性等。研究结果表明:采用改进的Sol-Gel法制备掺铁TiO2光催化薄膜时,各工艺参数均对最终的薄膜光催化活性有一定影响,本文通过正交试验确定各工艺参数的最佳取值分别为:PEG掺杂量1.2wt%,Fe3+掺杂量0.05wt%,焙烧时间2.0h,焙烧温度500℃。通过XRD和SEM等手段进行表征分析发现,实验制备的TiO2以锐钛矿和金红石结构为主,粒径分布均匀,平均粒径较小,约为28.5nm。使用掺铁TiO2薄膜催化降解苯污染物时表现出了良好的光催化活性,若采用产生O3的光源,将有利于增大薄膜光催化效率;光源波长越短,光催化性能越好;光催化活性随光照强度增大呈非线性增加;在一定浓度范围内（浓度较低）,光催化降效率随有机污染物浓度的增加而增大;气流组织对光催化效率也有一定影响,当气流正对光催化薄膜时,有机污染物降解率最高,气流方向与光催化薄膜表面平行时,有机物降解率最低;Fe3+的掺杂改性增强了TiO2对可见光的相应,即使在白炽灯照射下,这种掺铁的TiO2薄膜仍可表现出一定的光催化活性。ACF担载TiO2不会对其吸附活性位造成较大影响,相反两者特点相互补充可以提高有机污染物的降解效率,并可避免二次污染。釉面瓷砖和ACF担载TiO2薄膜具有良好的重复使用性和负载牢固性,耐用性能较好。最后,本文基于ACF/TiO2材料设计了一种室内空气净化器,认为装修完成初期采用ACF/TiO2空气净化器进行治理可以取得良好效果,装修完成一段时间后则单靠光催化釉面瓷砖亦可保持室内空气清洁。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 2 光催化技术研究进展'>1.2 纳米TiO₂光催化技术研究进展
• 2 光催化机理'>1.2.1 纳米TiO₂光催化机理
• 2 光催化活性的因素'>1.2.2 影响纳米TiO₂光催化活性的因素
• 1.2.3 国内外研究现状
• 2 光催化与室内空气污染治理'>1.2.4 纳米TiO₂光催化与室内空气污染治理
• 1.3 本课题的目的、意义及主要研究内容
• 1.3.1 课题目的及意义
• 1.3.2 主要研究内容
• 2 光催化薄膜的制备'>2 纳米TiO₂光催化薄膜的制备
• 2.1 引言
• 2.2 原理与方法
• 2.2.1 Sol-Gel 法基本原理
• 2.2.2 改进的Sol-Gel 法
• 2.2.3 负载工艺
• 2.3 光催化薄膜制备
• 2.3.1 实验仪器与试剂
• 2.3.2 光催化薄膜制备
• 2.3.3 负载过程中的问题分析与讨论
• 2.4 小结
• 2 光催化薄膜处理有机气体研究'>3 TiO₂光催化薄膜处理有机气体研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验方案
• 3.2.1 实验舱设计
• 3.2.2 样品尺寸的确定
• 3.2.3 降解对象及浓度确定
• 3.2.4 苯浓度检测器
• 3.3 自然衰减实验
• 3.4 正交试验
• 3.4.1 正交试验内容及结果
• 3.4.2 正交试验结果分析
• 3.5 优化实验
• 3.6 对比实验
• 3.6.1 样品制备
• 3.6.2 光催化活性检验
• 3.7 影响因素实验
• 3.7.1 光源对光催化效率的影响
• 3.7.2 苯初始浓度对光催化效率的影响
• 3.7.3 气流组织对光催化效率的影响
• 2 降解苯的实验'>3.8 ACF 负载TiO₂降解苯的实验
• 3.8.1 对比实验
• 2 光催化降解苯'>3.8.2 ACF 负载TiO₂光催化降解苯
• 3.9 小结
• 2 光催化薄膜表征分析'>4 纳米TiO₂光催化薄膜表征分析
• 4.1 引言
• 4.2 表征分析
• 4.2.1 XRD 表征分析
• 4.2.2 SEM 表征分析
• 4.3 表征结果及讨论
• 4.3.1 XRD 表征结果及讨论
• 4.3.2 SEM 表征结果及讨论
• 4.4 小结
• 5 薄膜物理指标测试及光催化产品设计构想
• 5.1 引言
• 5.2 产品耐用性能分析
• 5.2.1 重复使用性研究
• 5.2.2 负载牢固性研究
• 5.3 光催化产品设计
• 5.3.1 光催化瓷砖
• 2 光催化净化器'>5.3.2 ACF/TiO₂光催化净化器
• 5.4 小结
• 6 结论与建议
• 6.1 结论
• 6.2 建议
• 致谢
• 参考文献
• 附录