【文章內(nèi)容簡介】 TiO2結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的影響 研究中發(fā)現(xiàn)，由于 TiO2具有高活性和穩(wěn)定性等性質(zhì)，因此目前在光催化技術(shù)中廣泛應(yīng)用超細微粒 TiO2作為催化劑。 超細微粒的 TiO2催化劑只有將其復(fù)制于載體上，成型后才能用于實際場合。目前常用的惰性載體有： Al2O SiO玻璃纖維、光導(dǎo)纖維、活性炭等。制備途徑： ①粘結(jié)法：直接負(fù)載于載體上； ②熱處理固化在載體上。 技術(shù)上兩者均要達到： A ： TiO2不易脫落下來； B ： TiO2能獲得高的光催化活性。 光催化 (光觸媒 )凈化方法 室內(nèi)污染控制與潔凈技術(shù) A：晶型的影響 TiO2 有三種晶型：銳鈦礦型、金紅石型和銳鈦礦型。一般認(rèn)為銳鈦礦型活性較高。這主要是因為： ① 兩種晶型結(jié)構(gòu)均可由相互聯(lián)結(jié)的八面體表示，兩者的差別在于八面體的畸變程度和八面體間相互聯(lián)結(jié)的方式不同。銳欽礦的質(zhì)量密度（ g /cm3） ,金紅石型（ g /cm3）。 ②金紅石型 TiO2對 O2的吸附能力較差，比表面積較小，光生電子和空穴容易復(fù)合，導(dǎo)致催化活性降低。 光催化 (光觸媒 )凈化方法 室內(nèi)污染控制與潔凈技術(shù) B：粒徑的影響 ① 納米半導(dǎo)體粒子所具有的量子尺寸效應(yīng)使其導(dǎo)帶和價帶能級變成分立的能級，能隙變寬，導(dǎo)帶電位變得更負(fù)，價帶電位變得更正。這意味著納米半導(dǎo)體粒子獲得了更強的還原和氧化能力，從而使催化活性隨尺寸量子化程度的提高而提高。 ② 對半導(dǎo)體粒子而言，其粒徑通常小于空間電荷層的厚度。粒徑越小，電子從體內(nèi)擴散到表面的時間越短，所以電子與空穴復(fù)合幾率越小，電荷分離效果越好，從而導(dǎo)致催化活性的提高。 ③ 對于所有的催化劑，超微粒子化將使表面積增大，從而使催化劑活性增大，吸附位增加。 光催化 (光觸媒 )凈化方法 室內(nèi)污染控制與潔凈技術(shù) C：表面積的影響 在反應(yīng)物充足的情況下，表面積越大則活性越高。表面積是決定反應(yīng)基質(zhì)吸附量的重要因素。在晶格缺陷等其它因素相同時，表面積越大則吸附量越大，活性越高。 D：焙燒條件 通常情況下，提高焙燒溫度會導(dǎo)致光催化活性降低。這是因為焙燒會對 TiO2的表面產(chǎn)生影響，隨著焙燒溫度提高，比表面積減少，表面吸附量降低。此外焙燒溫度升高到一定程度，還會引起晶型由銳礦型向金紅型的轉(zhuǎn)變。 下表列出了不同熱處理條件對 TiO2粒子表面特征的影響。 光催化 (光觸媒 )凈化方法 室內(nèi)污染控制與潔凈技術(shù) 12 ??gm 1??gueqT/℃ 氣氛 比表面積 / 表面 OH－ 的密度 / 未經(jīng)處理 333 600 Ar 106 700 Ar 67 800 Ar 43 900 Ar 17 1000 Ar 6 1000 O2 13 表 55 TiO2熱處理之后的表面性能 光催化 (光觸媒 )凈化方法 室內(nèi)污染控制與潔凈技術(shù) 光催化在空氣凈化中的應(yīng)用研究 (1)納米光催化技術(shù)在空氣凈化中應(yīng)用的優(yōu)點 目前 ,納米光催化技術(shù)越來越受到重視 ,該技術(shù)在凈化室內(nèi)空氣污染物方面有很多其他方法所不具備的優(yōu)勢 : ① 廣譜性 。 光催化對幾乎所有的污染物都具有治理能力 。 ② 經(jīng)濟性 。 光催化在常溫下進行 ,直接利用空氣中的氧氣作氧化劑 。 ③ 消毒滅菌 。 無論從降低微生物數(shù)目的效率 ,還是從殺滅微生物的徹底性 ,從而使其失去繁殖能力都比單獨采用紫外線技術(shù)或過濾技術(shù)所無法比擬的優(yōu)勢 。 (2)光催化凈化空氣技術(shù)的應(yīng)用產(chǎn)品 ,大致可分為 3種類型 ： 光催化 (光觸媒 )凈化方法 室內(nèi)污染控制與潔凈技術(shù) ① 結(jié)構(gòu)材料 :獲得具有光催化功能的新型材料 ,如貼面材料 、 天花板 、墻紙等 。 ② 綠色健康產(chǎn)品 :可在現(xiàn)有的家用電器產(chǎn)品上 (如空調(diào)器 、 加濕器 、 空氣凈化器 、 暖風(fēng)機等 )附設(shè)光催化凈化功能 ,開發(fā)而成的新一代高效綠色健康產(chǎn)品 。 ③ 潔凈燈 :將光催化劑直接復(fù)合到燈的外壁制成各種燈具 。 潔凈燈具具有 2種功能 :一是人員在燈具下辦公空間的空氣環(huán)境得到凈化 。二是燈的表面能達到自潔 。 總之 ,因光催化空氣凈化技術(shù)具有反應(yīng)條件溫和 、 經(jīng)濟和對污染物全面治理的特點 ,所以可廣泛應(yīng)用于有限空間空氣凈化領(lǐng)域 (如建筑室內(nèi) 、隧道 、 交通工具 、 飛行器等有限空間 )。 光催化 (光觸媒 )凈化方法 室內(nèi)污染控制與潔凈技術(shù) 光催化和其他方法的綜合作用 (1)光催化與吸附方法聯(lián)用 : 采用這種綜合方法處理揮發(fā)性有機物 (VOCs),可利用活性炭的吸附能力使 VOCs匯集到一特定空間 ,再利用光催化技術(shù)降解 。 從而達到提高光催化氧化反應(yīng)速率 。 同時 ,可以吸附中間副產(chǎn)物 ,使其進一步被光催化氧化達到完全凈化 。 (2)光催化與臭氧氧化聯(lián)用 : 利用臭氧裝置產(chǎn)生的臭氧進入光催化反應(yīng)裝置 ,臭氧作為一種強氧化劑與紫外光激發(fā)的光催化氧化協(xié)同作用 ,具有分解有機污染物 、 滅菌和除臭等高效率的凈化作用 。 這種聯(lián)合作用可以減少臭氧用量 ,可以增加羥基自由基的產(chǎn)生量 ,從而提高光催化效率 。還可以去除一些在單獨一種方法無法分解的有機物 。 目前 ,臭氧 —光催化凈化技術(shù)的研究還主要集中在液相中有機物的去除 。 室內(nèi)污染控制與潔凈技術(shù) 非平衡等離子體凈化 20世紀(jì) 60年代形成的等離子體化學(xué)是基于高能物理 、 放電物理 、放電化學(xué) 、 反應(yīng)工程學(xué) 、 高壓脈沖技術(shù)等領(lǐng)域的一門交叉科學(xué) 。 利用等離子體凈化氣態(tài)污染物自 20世紀(jì) 70年代開始研究以來 ， 顯示出了獨特的優(yōu)點和良好的發(fā)展前景 。 等離子體法具有處理流程短 、 效率高 、 能耗低 、適用范圍廣等優(yōu)點 ， 等離子體既可用于處理廢氣 ， 又可用于處理廢水 、固體廢物 、 污泥 ， 甚至放射性廢物 。 本節(jié)主要介紹等離子體及其分類 、制備 、 非平衡等離子體的產(chǎn)生方法及其在空氣凈化中的應(yīng)用 。 室內(nèi)污染控制與潔凈技術(shù) 非平衡等離子體凈化 等離子體及其分類、制備 當(dāng) Te=Ti時 ,稱為熱平衡等離子體 ,簡稱熱等離子體 (Thermal Plasma)。 (1)定義 :等離子體是一種非常特殊的導(dǎo)電氣態(tài)物質(zhì) ,又被稱為除了氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)之外的第四種物質(zhì)狀態(tài) ,是電子、離子、原子、分子或自由基等粒子組成的集合體。 (2)分類 :依據(jù)等離子體的粒子間溫度差 (即電子溫度 Te與離子溫度 Ti之差 ),可以把等離子體分為 2大類 : 當(dāng) Te≥T i 時 , 稱為非 平衡態(tài) 的等離 子 (Nonthermal Equilibrium P1asma)。 其電子溫度高達 104K以上 ,而離子和原子之類的重粒子溫度卻可低到 300K～ 500K。 因此 ,按其重粒子溫度也叫做低溫等離子體 (Cold P1asma)或冷等離子體 。 ①熱平衡等離子體 。 ② 非熱平衡等離子體。 室內(nèi)污染控制與潔凈技術(shù) 非平衡等離子體凈化 非平衡態(tài)的等離子體的電子具有足夠高的能量使反應(yīng)物分子激發(fā) 、 離解和電離 ,同時反應(yīng)體系又可保持低溫 ,乃至接近室溫 。 隨著技術(shù)的日益成熟 ,非平衡態(tài)的等離子體應(yīng)用的領(lǐng)域?qū)絹碓蕉?,空氣凈化大多通過非平衡等離子體實現(xiàn) 。 制備方法 :電子束輻射法、氣體放電法。 (1)電子束輻射法 電子束輻射法 (Ebean)的原理是利用電子加速器產(chǎn)生的高能電子束 ,直接照射待處理的氣體 ,通過高能電子與氣體中的氧分子及水分子碰撞 ,使之解離 ,形成非平衡等離子體 ,其中所產(chǎn)生大量活性粒子 (如 OH,HO2,O等 )可與污染物進行反應(yīng) ,使之氧化去除 。 利用電子束輻射使氣體電離產(chǎn)生等離子體具體有以下幾種 室內(nèi)污染控制與潔凈技術(shù) 非平衡等離子體凈化 ①利用放射性同位素發(fā)出的 α,β,γ 射線； ②利用 x射線； ③利用帶電粒子。 目前存在一些技術(shù)問題 , 電子槍價格昂貴 ,電子槍 、 靶窗的壽命短以及X射線的屏蔽與防護問題也不容易解決 ,從而限制了其在室內(nèi)空氣凈化方面的實際應(yīng)用和推廣 。 (2)氣體放電法 ①電暈放電 。② 介質(zhì)阻擋放電 。③ 表面放電。 其中 ,電暈放電又包括直流電暈、脈沖電暈和交流電暈。 共同的特點 :均能夠在較高的氣體壓力下 (常壓 )形成非平衡等離子體。 室內(nèi)污染控制與潔凈技術(shù) 非平衡等離子體凈化 非平衡等離子體空氣凈化機理 非平衡等離子體空氣凈化機理涉及到三個同時發(fā)生的三個過程 : (1)預(yù)荷電集塵 。(2)催化凈化 。(3)負(fù)離子發(fā)生。 (1)預(yù)荷電集塵原理 : 利用極不均勻電場 ,形成電暈放電 ,產(chǎn)生等離子體 ,其中包含的大量電子和正負(fù)離子在電場梯度的作用下 ,與空氣中的顆粒污染物發(fā)生非彈性碰撞 ,從而附著在上面 ,使之成為荷電離子 ,在外加電場力的作用下 ,被集塵極所收集 。 其處理過程分 3個階段 : ① e + M(氣體分子 )→M － 。 ② OM－ + SP(固體顆粒 )→(SPM) － 。 ③ (SPM)－ → SPM(沉積在集塵極上 )。 靜電集塵是一個物理過程 ,在這個過程中 ,對懸浮在空氣中直徑小于100μm 的總懸浮顆粒 (TSP)和直徑小于 l0μm 的可吸入顆粒 (PM10)有較高的清除效率 。 室內(nèi)污染控制與潔凈技術(shù) 非平衡等離子體凈化 (2)催化凈化原理 : 催化凈化機理包括 2方面 : ① 在產(chǎn)生等離子體的過程中 ,高頻放電產(chǎn)生的瞬時高能量 ,打開某些有害氣體分子的化學(xué)鍵 ,使其分解成單質(zhì)原子或無害分子 。 ② 等離子體中包含了大量的高能電子 、 離子 、 激發(fā)態(tài)粒子和具有強氧化性的自由基 ,這些活性粒子的平均能量高于氣體分子的鍵能 ,它們和有害氣體分子發(fā)生頻繁的碰撞 ,打開氣體分子的化學(xué)鍵生成單原子分子和固體顆粒 ,同時產(chǎn)生的大量 OH、 HO O等自由基和氧化性極強的 O3,它們與有害氣體分子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成無害產(chǎn)物 。 在化學(xué)反應(yīng)的過程中 ,添加適當(dāng)?shù)拇呋瘎?,能使分子化學(xué)鍵松動或削弱 ,降低氣體分子的活化能從而加速化學(xué)反應(yīng) 。 室內(nèi)污染控制與潔凈技術(shù) 非平衡等離子體凈化 室內(nèi)空氣中的氣態(tài)污染物主要包括 VOCs(揮發(fā)性有機物 ),CO,CO2,H2S,SO2和 NH3,其低溫非平衡等離子體催化凈化的作用機理如下： ①自由基的產(chǎn)生 : ? ?2H O e 5 . 0 9 e V O H H ?? ? ? ?③ 氣體分子的氧化分解 : ②氣體分子離解 : ? ?2O e 3 . 6 e V O O ?? ? ? ?? ?2C O e 3 . 8 5 e V C O O ?? ? ?? ?C O e 1 1 . 1 2 e V C O? ? ?22C O O H H O C O? ? ? ?22H S O H H S H O? ? ? ?3 2 4H S O H S O??室內(nèi)污染控制與潔凈技術(shù) 非平衡等離子體凈化 (3)負(fù)離子發(fā)生過程 : 負(fù)離子的作用 :① 調(diào)節(jié)了空氣中的離子平衡 。 ② 有效地清除空氣中的污染物。 高濃度的負(fù)離子同空氣中的有毒化學(xué)物質(zhì)和病菌懸浮顆粒物相碰撞使其帶負(fù)電 。 則這些帶負(fù)電的顆粒物就會吸引其周圍帶正電的顆粒物 (通?？諝庵械募毦?、 病毒 、 孢子等是帶正電 )。 這種積聚過程一直持續(xù)到顆粒物的重量足以使它降落在地面為止 。 除了積聚過程外 ,在有限的空間里空氣中帶負(fù)電的顆粒物還被吸附到帶正電的表面上 ,而通常情況下 ,房間里面大多數(shù)物體的表面 (包括墻壁 、 地面 、 家具 、 電器等 ) 都是帶正電的 。 調(diào)節(jié)空氣中的離子平衡 ,使負(fù)離子濃度保持在適當(dāng)?shù)乃?,這對改善空氣品質(zhì)有著重要的意義 。 非平衡等離子體降解污染物是一個十分復(fù)雜的過程 ,而且影響這一過程的因素很多 。 深入研究非平衡等離子體降解有機物的機理及其應(yīng)用是一個重要的研究方向 。 室內(nèi)污染控制與潔凈技術(shù) 非平衡等離子體凈化 非平衡等離子體空氣凈化反應(yīng)器 根據(jù)等離子體區(qū)中是否填充了絕緣介質(zhì) ,把等離子體反應(yīng)器分為空腔