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新锡德尔对光电催化空气净化器净化甲醛性能研
发布时间:2019-08-22 22:19
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  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。

  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—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。

  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。

  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。

  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T◆●△▼●i 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 O•□▼◁▼2的特征峰, 峰强度高,光催化活性强。

  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% 。

  活性炭吸附海绵虽然效果不如光催化剂,但是其可以吸附颗粒灰尘,防止光催化剂被污染。

  去除活性炭海绵后,调节变阻箱使光催化剂上通过的电流分别为0. 20、0. 10、0. 05、0. 01 ◆▼A和0 A。 其净化效▲★-●果如图5所示。由图5可以看出,无外加电流时,4 h后降解率为70. 3% 。电流为0. 2、0.□◁ 1、 0. 05 A和0. 01 A时,其降解率分别为100% 、 100% 、84. 5% 和76. 1% 。随着电流从0 A增加至0. 1 A时,其净化甲醛效果也不断提高,由此可见, 外场电流对光催化剂的工作效果有提升。但是当电流到达一定程度,电流从0. 1 A提升至0. 2 A后对光催化剂净化效果相似,效果提升不明显。

  这是因为外电场中电势梯度的存在使其提高了捕获光生电子的能力,光生电子向阳极方向定向移动,进而降低了电子-空穴对的复合,整个光催化剂的净化能力因此得到明显加强。但是激发出的光电子数量有限,外加电流只是一个外加的提升手段,光电子数量主要来源于光催化剂的晶型结构等自身性质,因此外场电流到达一定大小后,对光催化剂的提升效果不再增加。因此,选择空气净化器外场电流为0. 1 A,既便于控制又相对安全节能。

  ( 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) 外场电流的加入提高了光催化剂的工作效果,电流增大到▪…□▷▷•0. 1 A后,对催化剂净化效果不再提升。

  ( 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。返回搜狐,查看更多

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