掺碳纳米TiO2制备及光催化降解VOCs的研究

论文摘要

本文采用C3H8／空气火焰气相法（CVD）制备了掺碳纳米TiO2光催化剂，用透射电镜，X射线衍射仪，电子探针及UV光谱对催化剂进行了表征。利用自制的连续管式光催化氧化装置和掺碳纳米TiO2薄膜研究了挥发性有机气体（VOCs）：苯、甲苯、甲醇、丙酮和正庚烷的光催化降解规律；探讨了相对湿度、初始浓度、气体流量及光照强度等因素对光催化降解反应的影响；并与P25粉的光催化性能进行了比较。结果表明：（1）CVD法制备的纳米TiO2光催化剂，颗粒球形度好、粒径在40～80nm之间；最大吸光度值所对应的波长为200～320nm；含碳量约为4.6％；晶型组成主要为锐钛矿型，金红石的含量约为22.43％；（2）在相对湿度为8％～80％范围内，苯的光催化降解率随着相对湿度的增大而增大；甲苯在相对湿度为60％时达到最好降解效果，当相对湿度增大到80％时光催化效果降低；（3）将正交实验设计及实验方案应用于气相甲醇、丙酮和正庚烷光催化降解研究，实验结果表明：三者最高降解率分别为84.5％、93.39％和93.45％；（4）有254nm紫外灯参与的光催化实验可以大大提高有机气体的光催化降解率；在日光灯的照射下，掺碳纳米TiO2对气相甲醇、丙酮和正庚烷具有一定的光催化氧化能力；（5）较P25粉，在相同的光催化操作条件下：气相苯的平均降解率达15％，高于P25粉10％的降解率；气相甲苯在初始阶段具有较高的反应速率；气相甲醇、丙酮和正庚烷的降解率略低于P25粉。理论上，初步对光催化反应动力学进行了探讨；并通过建立反应-扩散模型对光催化反应器内有机气体浓度分布进行了数值模拟。结果表明：（1）有机气体光催化反应满足Langmuir-Hinshelwood动力学特性。（2）低浓度光催化反应条件下，光催化反应级数为一级反应。（3）通过修正拟一级反应速率常数k′可以很好地描述反应器中有机气体的浓度分布。最后，完成了多组分有机气体光催化实验和光催化剂活性以及稳定性测定。实验结果表明：在较低初始浓度下，各组分降解率分别为：甲醇74.62％、甲苯23.19％、正庚烷19.75％、苯14.47％以及丙酮12.67％。掺碳纳米TiO2光催化剂在约43小时反应时间内，保持了较高的光催化活性和稳定性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 文献综述
• 1.1 室内空气污染的现状
• 1.1.1 室内空气污染物的种类及危害
• 1.1.2 室内空气污染物的来源
• 1.1.3 我国室内空气质量相关标准
• 1.1.4 改善室内空气质量的措施
• 1.2 纳米材料概述
• 1.2.1 纳米光催化剂的特性
• 2颗粒光催化作用机理'>1.2.2 纳米TiO₂颗粒光催化作用机理
• 2光催化氧化的应用领域'>1.2.3 纳米TiO₂光催化氧化的应用领域
• 2光催化的性能研究'>1.3 改善纳米 TiO₂光催化的性能研究
• 2颗粒晶形'>1.3.1 纳米 TiO₂颗粒晶形
• 2金属离子掺杂'>1.3.2 纳米 TiO₂金属离子掺杂
• 1.3.3 改变体系反应条件
• 1.3.4 表面光敏化
• 1.3.5 碳黑掺杂
• 1.3.6 半导体与黏土交联
• 2发生红移'>1.3.7 TiO₂发生红移
• 1.4 气-固相光催化反应动力学的研究与进展
• 1.4.1 光催化反应过程、反应模型及反应器种类
• 1.4.2 光催化反应动力学的研究进展
• 2光催化剂降解有机气体的研究进展'>1.5 纳米TiO₂光催化剂降解有机气体的研究进展
• 2对有机气体降解的研究进展'>1.5.1 未经改性纳米TiO₂对有机气体降解的研究进展
• 2对有机气体降解的研究进展'>1.5.2 改性纳米 TiO₂对有机气体降解的研究进展
• 1.6 本文的主要工作
• 2的制备、表征及光催化薄膜的制备'>2 掺碳纳米TiO₂的制备、表征及光催化薄膜的制备
• 2.1 实验主要原料和仪器
• 2的制备与表征'>2.2 掺碳纳米TiO₂的制备与表征
• 2的制备方法'>2.2.1 掺碳纳米 TiO₂的制备方法
• 2的表征'>2.2.2 掺碳纳米TiO₂的表征
• 2薄膜的制备'>2.3 掺碳纳米 TiO₂薄膜的制备
• 2光催化降解挥发性有机气体的研究'>3 掺碳纳米TiO₂光催化降解挥发性有机气体的研究
• 3.1 实验装置
• 3.2 实验方法
• 3.2.1 实验原料和主要仪器
• 3.2.2 有机气体的浓度分析
• 3.2.3 有机气体降解效果的评价指标
• 2薄膜降解气相苯的实验研究'>3.3 掺碳纳米 TiO₂薄膜降解气相苯的实验研究
• 3.3.1 苯气体的浓度标定
• 3.3.2 加载催化剂与未加载催化剂的对比
• 3.3.3 流量对苯光催化作用的影响
• 3.3.4 初始浓度对苯光催化作用的影响
• 3.3.5 相对湿度对苯光催化作用的影响
• 3.3.6 与P25粉的比较
• 3.3.7 本节小结
• 2薄膜降解气相甲苯的实验研究'>3.4 掺碳纳米 TiO₂薄膜降解气相甲苯的实验研究
• 3.4.1 甲苯气体的浓度标定
• 3.4.2 加载催化剂与未加载催化剂的对比
• 3.4.3 流量对甲苯光催化的影响
• 3.4.4 初始浓度对甲苯光催化的影响
• 3.4.5 相对湿度对甲苯光催化的影响
• 3.4.6 与P25粉的比较
• 3.4.7 本节小结
• 2薄膜降解气相醇、酮及烷烃的实验研究'>3.5 掺碳纳米 TiO₂薄膜降解气相醇、酮及烷烃的实验研究
• 3.5.1 气相甲醇、丙酮和正庚烷的气相色谱条件
• 3.5.2 气相甲醇、丙酮和正庚烷的浓度标定
• 3.5.3 正交实验设计
• 3.5.4 正交表设计和实验结果分析
• 3.5.5 单一因素对光催化降解效果的影响分析
• 3.5.6 与P25粉的比较
• 3.5.7 本节小结
• 4 气相光催化氧化动力学分析与反应器模拟
• 4.1 光催化动力学方程
• 4.1.1 光催化反应动力学分析
• 4.1.2 低浓度下光催化反应级数的确定
• 4.2 光催化反应器模拟
• 4.2.1 一维光催化反应器模型的建立与模拟
• 4.2.2 二维轴对称光催化反应器模型的建立与模拟
• 4.3 本章小结
• 5 光催化氧化模拟应用及催化剂寿命测试
• 5.1 光催化技术模拟应用实验
• 5.1.1 多组分有机气体色谱参数确定
• 5.1.2 多组分的光催化降解
• 2光催化剂的寿命测试'>5.2 掺碳纳米TiO₂光催化剂的寿命测试
• 2光催化剂寿命'>5.2.1 掺碳纳米TiO₂光催化剂寿命
• 2光催化剂寿命测试'>5.2.2 掺碳纳米TiO₂光催化剂寿命测试
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录A 光催化管式反应器模型MATLAB计算程序
• 附录B 多组分有机气体色谱分析谱图
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢