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光电催化空气净化器净化甲醛性能研究http://www.jiuliangmei.com/
信息来源:http://www.jiuliangmei.com/ 发布时间:2019/5/13 TAGS:$cvcvtt$

人们长期生活、工作的室内空气污染问题受到社会越来越广泛的关注[1]。现阶段室内空气污染物中,超标最严重的为甲醛[2]。其中人造板材、床褥会散发大量游离甲醛,其释放是一个持续且缓慢的过程[3]。研究表明,新装修新房中游离甲醛质量浓度平均为0. 35 mg /m3,高于室内甲醛安全质量浓度0. 08 mg /m3[4]。其会对人体眼部、呼吸等系统产生影响,甚至会立即致人死亡[5]

随着半导体光催化技术的发展,目前光催化技术也逐渐运用到空气净化器中[6,7]。常见的光催化剂多为金属氧化物,其中Ti O2的综合性能最好[8]。 采用纳米Ti O2光催化材料进行空气净化已经成为治理环境最有前途的方法之一[9,10]

笔者以Ti O2纳米管为光催化剂,结合活性炭吸附海绵设计了一款光电催化空气净化器。在工作效果检测中,通过向密封舱中注入甲醛,并利用空气净化器对其进行降解。考察了空气净化器各部件的工作效果,外加电流对光催化剂净化甲醛的影响和光催化剂的使用寿命。

1实验部分

1. 1光催化剂制备与表征

以钛板( 纯度为99. 7%) 为基板,裁剪成20. 0 cm × 10. 0 cm × 0. 1 cm,在超声波清洗机( KQ -100B型, 昆山市超声仪器有限公司生产) 中依次用丙酮和去离子水进行清洗。用HNO3和HF混合的抛光液去除表面的氧化膜。干燥后,以阳极为钛板,阴极为镍板,电解液选用NH4F、H2O和乙二醇的混合溶液, 用H3PO4调节电解液p H至5. 0,调节电压至60 V, 搅拌下反应2 h。反应结束后洗净,放入马弗炉( MJ -L2301型,天津华北实验仪器有限公司生产) 中450℃煅烧2 h。

通过扫描电子显微镜( Zeiss Supra 55型,德国蔡司公司生产) 观察Ti O2纳米管样品的外观形貌, 再通过X-射线衍射仪( XD -3型,北京谱析通用仪器责任有限公司生产) 测试样品的晶型结构。

1. 2空气净化器的设计与制作

KONGQIJINGHUAQIWAIXINGCHICUNWEI220 mm × 255 mm × 440 mm,JIEGOURUTU1SUOSHI。

图1空气净化器结构

图1空气净化器结构   下载原图

1—外壳; 2—风机; 3—镇流器; 4—金属过滤网; 5—活性炭海绵; 6—紫外灭菌灯; 7—三棱柱支架; 8—TiO2纳米管; 9—变压器

风机出风口直径为150 mm,风量为200 m3/ h。 由铁丝网栅格和活性炭过滤海绵组成一级过滤层。紫外灯选用3个9 W的H型双灯管,波长为253. 7 nm。 在三棱柱支架迎风的2个平面固定Ti O2纳米管基板,三棱柱状设计有利于提高紫外光的有效利用率。 在尾部单独安装变压器,将220 V交流电转化为5 V直流电,将4块基板以并联的方式连入电路中, 利用变阻箱改变光催化剂上的通过电流。

1. 3检测步骤

空气实验舱为30 m3的密封舱,密封舱可控温[( 15 ~ 40) ± 0. 5℃]、调湿[( 20% ~ 90% ) ± 5% ]。 根据《空气净化器》( GB /T 18801—2002) 的实验步骤,调节密封舱内温度为20℃,相对湿度为40% 。 密封舱内甲醛选用标定后的37% 的甲醛原液自然挥发,用风扇使密封舱内甲醛混合分布均匀,使室内甲醛质量浓度为( 0. 34 ± 0. 2) mg /m3。在室内中心放置空气净化器并工作,甲醛测定仪选用Interscan 4160型甲醛测定仪,预热调零后采样读数。

2结果与讨论

2. 1 Ti O2纳米管光催化剂表征

Ti O2纳米管电镜图如图2所示。

图2 Ti O2纳米管电镜图

图2 Ti O2纳米管电镜图   下载原图

由图2可见,阳极氧化法制备的Ti O2纳米管排列整齐、轮廓清晰。在纳米管表面有部分亮白色区域,其为劈裂的纳米线。纳米管内管径平均约为132 nm左右,壁厚约为10 nm左右,管长为( 5. 8 ± 0. 2) μm。

Ti O2的XRD图如图3所示。

图3 Ti O2纳米管XRD图

图3 Ti O2纳米管XRD图   下载原图

A WEIRUITAIKUANGJINGXING; Ti WEITAIJIDI

二氧化钛纳米管在烧结后结晶,晶型有锐钛矿晶型和金红石晶型,其中锐钛矿晶型光催化活性高。 由图3可以看出,2θ 在37. 92、40. 52、53. 20°出现的衍射峰为钛基底的特征峰,这是由于X射线穿透能力强,透过Ti O2膜照射至钛基底形成。在26. 63、 47. 95、63. 57°和70. 58°为锐钛矿型Ti O2的特征峰, 峰强度高,光催化活性强。

2. 2空气净化器各部分工作效果

空气净化器各部分的净化效果如图4所示。由图4可以看出,空气净化器在甲醛初始质量浓度为0. 34 mg / m3时,空气净化器在使用3 h后彻底净化甲醛。去除活性炭吸附层,单一的光催化部分工作时,其表面通过电流为0. 1 A时,在使用3 h后,甲醛净化率已达到98. 7% ,3. 5 h后彻底降解密封舱内甲醛。只有活性炭吸附海绵工作时,活性炭海绵吸附4 h后甲醛降解率为84. 3% 。

图4空气净化器各部件净化效果

图4空气净化器各部件净化效果   下载原图

1—ZHENGTI; 2—GUANGCUIHUA; 3—HUOXINGTAN

HUOXINGTANXIFUHAIMIANSUIRANXIAOGUOBURUGUANGCUIHUAJI,DANSHIQIKEYIXIFUKELIHUICHEN,FANGZHIGUANGCUIHUAJIBEIWURAN。

2. 3外加电流大小对光催化剂处理甲醛的影响

QUCHUHUOXINGTANHAIMIANHOU,DIAOJIEBIANZUXIANGSHIGUANGCUIHUAJISHANGTONGGUODEDIANLIUFENBIEWEI0. 20、0. 10、0. 05、0. 01 AHE0 A。 QIJINGHUAXIAOGUORUTU5SUOSHI。YOUTU5KEYIKANCHU,WUWAIJIADIANLIUSHI,4 hHOUJIANGJIELVWEI70. 3% 。DIANLIUWEI0. 2、0. 1、 0. 05 AHE0. 01 ASHI,QIJIANGJIELVFENBIEWEI100% 、 100% 、84. 5% HE76. 1% 。SUIZHEDIANLIUCONG0 AZENGJIAZHI0. 1 ASHI,QIJINGHUAJIAQUANXIAOGUOYEBUDUANTIGAO,YOUCIKEJIAN, WAICHANGDIANLIUDUIGUANGCUIHUAJIDEGONGZUOXIAOGUOYOUTISHENG。DANSHIDANGDIANLIUDAODAYIDINGCHENGDU,DIANLIUCONG0. 1 ATISHENGZHI0. 2 AHOUDUIGUANGCUIHUAJIJINGHUAXIAOGUOXIANGSI,XIAOGUOTISHENGBUMINGXIAN。

图5电流大小对光催化剂工作效果影响

图5电流大小对光催化剂工作效果影响   下载原图

1—0. 2 A; 2—0. 1 A; 3—0. 05 A; 4—0. 01 A; 5—0 A

ZHEISHIYINWEIWAIDIANCHANGZHONGDIANSHITIDUDECUNZAISHIQITIGAOLEBUHUOGUANGSHENGDIANZIDENENGLI,GUANGSHENGDIANZIXIANGYANGJIFANGXIANGDINGXIANGYIDONG,JINERJIANGDILEDIANZI-KONGXUEDUIDEFUHE,ZHENGGEGUANGCUIHUAJIDEJINGHUANENGLIYINCIDEDAOMINGXIANJIAQIANG。DANSHIJIFACHUDEGUANGDIANZISHULIANGYOUXIAN,WAIJIADIANLIUZHISHIYIGEWAIJIADETISHENGSHOUDUAN,GUANGDIANZISHULIANGZHUYAOLAIYUANYUGUANGCUIHUAJIDEJINGXINGJIEGOUDENGZISHENXINGZHI,YINCIWAICHANGDIANLIUDAODAYIDINGDAXIAOHOU,DUIGUANGCUIHUAJIDETISHENGXIAOGUOBUZAIZENGJIA。YINCI,XUANZEKONGQIJINGHUAQIWAICHANGDIANLIUWEI0. 1 A,JIBIANYUKONGZHIYOUXIANGDUIANQUANJIENENG。

2. 4光催化剂使用寿命

空气净化器去除活性炭吸附层后,Ti O2纳米管在使用0、240、480 h和960 h后净化甲醛效果如图6所示。 工作3 h后,其净化率分别为98. 7% 、 96. 5% 、94. 1% 和92. 6% 。使用960 h后,光催化剂净化效果降低为6. 2% 。

图6光催化剂使用寿命

图6光催化剂使用寿命   下载原图

3结论

( 1) 采用阳极氧化法制备的Ti O2纳米管排列整齐,具有较强光催化性能,可以降解空气中甲醛。

( 2) 通过密封舱实验,当甲醛初始质量浓度为0. 34 mg / m3时,空气净化器整体工作3 h后彻底降解甲醛。单一的光催化部分工作3. 5 h后彻底降解甲醛。单一活性炭吸附海绵工作4 h后降解率为84. 3% 。

( 3) WAICHANGDIANLIUDEJIARUTIGAOLEGUANGCUIHUAJIDEGONGZUOXIAOGUO,DIANLIUZENGDADAO0. 1 AHOU,DUICUIHUAJIJINGHUAXIAOGUOBUZAITISHENG。

( 4) Ti O2纳米管基板上在使用960 h后,光催化活性没有明显降低。

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