光催化氧化技術(shù)在VOCs廢氣治理過(guò)程中存在的難點(diǎn)及對(duì)策

摘要: 光催化氧化技術(shù)在 VOCs 廢氣治理領(lǐng)域有較為廣泛的應(yīng)用。光催化氧化技術(shù)在 VOCs 廢氣治理過(guò)程中的效率和穩(wěn)定性受污染物吸附性能、光催化氧化接觸時(shí)間、濕度、催化劑活性、光子利用效率、催化劑附著穩(wěn)定性等諸多因素影響。總結(jié)了光催化氧化技術(shù)在 VOCs 廢氣治理過(guò)程中存在的難點(diǎn)問(wèn)題，并多角度探討了解決以上問(wèn)題的相關(guān)對(duì)策。

摘要 ：光催化氧化技術(shù)在 VOCs 廢氣治理領(lǐng)域有較為廣泛的應(yīng)用。光催化氧化技術(shù)在 VOCs 廢氣治理過(guò)程中的效率和穩(wěn)定性受污染物吸附性能、光催化氧化接觸時(shí)間、濕度、催化劑活性、光子利用效率、催化劑附著穩(wěn)定性等諸多因素影響?？偨Y(jié)了光催化氧化技術(shù)在 VOCs 廢氣治理過(guò)程中存在的難點(diǎn)問(wèn)題，并多角度探討了解決以上問(wèn)題的相關(guān)對(duì)策。

 

揮發(fā)性有機(jī)污染物（Volatile Organic Compounds）， 簡(jiǎn)稱(chēng) VOCs，是指沸點(diǎn)在50~260℃，室溫下飽和蒸氣壓超過(guò)133.3Pa 的易揮發(fā)性有機(jī)化合物，包括醛類(lèi)、酮類(lèi)、烴類(lèi)、鹵代烴、芳香烴和多環(huán)芳香烴等。VOCs 常用處理方法包括吸附法、冷凝法、電暈法、膜分離法、催化燃燒法和生物處理法等。由于其處理效率較高、低能耗、高效率、無(wú)二次污染等特點(diǎn)，近年來(lái)在 VOCs 處理應(yīng)用的研究越來(lái)越多。

 

1  光催化氧化技術(shù)在降解VOCs廢氣過(guò)程中存在的難點(diǎn)及對(duì)策

 

光催化氧化法 VOCs 處理的主要機(jī)理如下 ：

 

這些反應(yīng)產(chǎn)生了多種具有高活性的氧化物和自由基，例如 H 2 O 2 、•OH、•HO 2 等。這些自由基和催化劑表面吸附的有機(jī)分子發(fā)生氧化還原作用，使有機(jī)分子部分氧化、化學(xué)鍵斷裂或完全降解為 CO 2 和 H 2 O，達(dá)到礦化有機(jī)物的目的。盡管光催化氧化法處理 VOCs 廢氣具有處理效率高、能耗低、無(wú)二次污染等特點(diǎn)，但光催化氧化技術(shù)降解 VOCs 廢氣過(guò)程中同樣存在諸多難點(diǎn)，針對(duì)這些難點(diǎn)，總結(jié)了相關(guān)對(duì)策。

 

1.1 VOCs廢氣的傳輸

 

在 VOCs 處理過(guò)程中，如何將污染物傳輸?shù)焦獯呋瘎┑谋砻媸且粋€(gè)需要解決的重要因素之一，否則將影響到后續(xù)的氣體處理。特別是對(duì)于室內(nèi)氣體來(lái)說(shuō)，由于有太多的污染源點(diǎn)，很難做出污染源的判斷。大多數(shù)對(duì)室內(nèi)空氣的光催化處理的裝置都是基于空氣的強(qiáng)制流動(dòng)，通過(guò)使用各種鼓風(fēng)機(jī)將污染空氣傳送到光催化劑的表面附近。

 

大氣治理中，大多數(shù)都是采用固定床反應(yīng)器，其中多數(shù)采用涂布膜反應(yīng)器，少數(shù)采用流化床反應(yīng)器。圍繞在涂布膜反應(yīng)器中的光催化劑，大氣的流動(dòng)可以采取各種裝置，包括 ：蜂窩結(jié)構(gòu)體、折貼纖維氈、涂有催化劑的柔性條帶等^[1] 。

 

這些反應(yīng)器的的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都是為達(dá)到使涂層表面能夠獲得足夠的光照，污染物的輸送更加容易，材料結(jié)構(gòu)中光催化及更接近污染點(diǎn)源的目的。

 

1.2 污染物的吸附

 

為了得到較好的光降解效率，揮發(fā)性有機(jī)物在光催化劑表面的吸附起到了一個(gè)重要因素。對(duì)于水污染物來(lái)說(shuō)，控制氣體污染物的吸附似乎就變得更加復(fù)雜。有研究表明，通過(guò)改變二氧化鈦表面的酸度可以提高對(duì)氣體的吸附^[2] ，從而提高光催化效率。

 

吸附作用通常可以通過(guò)使用特種復(fù)合材料而得到提高，氣體污染物首先被吸附到復(fù)合材料中，然后再擴(kuò)散到光催化劑上。這些吸附材料包括活性炭氈、合成纖維、碳納米管和二氧化鈦復(fù)合材料等[3] ，這些材料有利于協(xié)助光催化作用。

 

1.3 光催化反應(yīng)的接觸時(shí)間

 

對(duì)于預(yù)先設(shè)計(jì)好的裝置，其光催化的最佳接觸時(shí)間很難得到保證。原因是因?yàn)椴煌恢玫奈廴疚锏臐舛榷际遣灰粯拥?。如果控制接觸時(shí)間，一種有效的方法是將光催化單元設(shè)置在進(jìn)入到主空氣管路的旁路上，通過(guò)不斷地探索來(lái)確定氣體被照射的時(shí)間。

 

1.4 濕度對(duì)光催化的影響

 

水分子在整個(gè)光催化過(guò)程中，既參與吸附競(jìng)爭(zhēng)，又是 OH自由基的重要來(lái)源。因此，很明顯，相對(duì)濕度的變化對(duì)光催化效率將會(huì)起到顯著的影響。研究表明，在甲苯和丙醇的降解過(guò)程中（不適合丁烷），該涂層可以有效地降低光催化劑對(duì)濕度的依賴(lài)性，例如三氯乙烯的降解過(guò)程。

 

1.5 光催化劑的失活

 

光觸媒的失活是在實(shí)際應(yīng)用中遇到的最為重要的問(wèn)題之一。值得注意的是，光催化的實(shí)際過(guò)程遠(yuǎn)比實(shí)驗(yàn)室的模擬環(huán)境要復(fù)雜得多，因此，光催化活性問(wèn)題的研究和解決將會(huì)在未來(lái)持續(xù)很長(zhǎng)的時(shí)間。在所有能夠?qū)е麓呋瘎┦Щ畹幕衔镏校瑫?huì)有苯和其他芳香族化合物，三氯乙烯，以及最為重要的揮發(fā)性含硅化合物（VSCCs）。催化劑失活的問(wèn)題也就是近幾年才被人們所重視，較低濃度 VSCCs 便會(huì)對(duì)光催化的性能

產(chǎn)生重大影響。

 

為了減少或阻止硅化合物對(duì)催化劑活性的影響，可以采用引入能夠分解硅化合物的摻雜劑的方法，也可采用添加二氧化鈦晶體，以防止在硅氧烷吸附到催化劑上的方法。另外一種阻止 VSCCs 鈍化的方法，是采用一個(gè)系統(tǒng)能夠在 VSCCs到達(dá)催化劑之前將其氧化。該系統(tǒng)包括吸附過(guò)濾器、能夠加熱過(guò)濾器的熱源、等離子體裝置、光催化劑和紫外光源。VSCCs 首先被吸附在過(guò)濾器上，在加熱器和等離子體關(guān)閉情況下，打開(kāi)紫外光催化系統(tǒng)。到一定時(shí)間后，關(guān)閉紫外燈源而打開(kāi)加熱器以此加熱過(guò)濾器，從而將預(yù)吸附 VSCCs 進(jìn)行解吸附。這時(shí)等離子體源接通，從而將 VSCCs 氧化成二氧化硅并沉積在等離子體偏置電極上。

 

1.6 提高光子的利用率

 

關(guān)于優(yōu)化光子效應(yīng)的方法可以分為兩大類(lèi) ：一是提高光子被轉(zhuǎn)換為電荷的效率 ；二是減少那些既不可被吸收又不能到達(dá)催化劑表面的光子數(shù)目。提高光子被轉(zhuǎn)換成電荷的效率是和有效地防止電子 - 空穴復(fù)合密切相關(guān)的。防止重組的主要機(jī)制是存在被吸附的氧氣，這是空氣凈化單元中基本存在的。第二個(gè)機(jī)理是提高電荷分離，該分離裝置由接近光催化劑的電子穴組成。

 

重組是一個(gè)二階過(guò)程關(guān)乎于電子的濃度，因?yàn)樗蕾?lài)于兩個(gè)電荷載體的濃度。與此相反，羥基的形成是個(gè)一階過(guò)程。因此，當(dāng)光子通量增加時(shí)，量子效率將下降。同樣地，由光子分流到一個(gè)更大的面積減少了光通量可以提高光催化活性。使用多組涂有二氧化鈦的玻璃介質(zhì)是一種有效的方法。

 

在過(guò)去十幾年中，越來(lái)越多的研究是關(guān)于應(yīng)用長(zhǎng)波長(zhǎng)的光催化劑，因而進(jìn)一步地提高了太陽(yáng)光子的使用效率。這種技術(shù)通常是通過(guò)摻雜氮，碳，或硫來(lái)進(jìn)行的。摻雜離子通常位于氧位點(diǎn)（間隙位置），或二氧化鈦顆粒的晶界。

 

1.7 光催化劑在載體上的吸附

 

目前，關(guān)于如何將催化劑黏附在基體上的研究不多見(jiàn)。然而，當(dāng)最終的產(chǎn)品有可能持續(xù)數(shù)年的情況下，產(chǎn)品的黏結(jié)就顯得非常重要了。好的黏結(jié)劑非常難得，一方面要能夠很好的黏結(jié)催化劑和基體，另一方面黏結(jié)劑本身也要防止被光催化劑降解。也有研究不采用黏結(jié)劑而是直接將催化劑注入到多孔材料或者纖維骨架中去的做法。一種做法是不采用任何黏合劑來(lái)直接制備催化劑薄膜。另一種做法是采用溶膠 - 凝膠法將有機(jī)鈦酸酯前驅(qū)體涂布在基體上，接著進(jìn)行熱處理即得到最后的產(chǎn)品。

 

另外一種比較好用來(lái)黏附光催化劑的方法是采用快速加熱或者將光催化劑附著在電沉積金屬上面（比如樹(shù)狀或者泡沫狀結(jié)構(gòu)）。也有直接采用鈦金屬自然形成氧化物的，不過(guò)這種材料的光效率比較低，而且所形成的二氧化鈦有部分是無(wú)定形的結(jié)構(gòu)，同時(shí)比表面積比較低。

 

有機(jī)硅烷聚合物（有機(jī)硅），由于能夠形成無(wú)機(jī)鍵從而被用來(lái)作為二氧化鈦的黏合劑。雖然該有機(jī)殘留物有可能被光產(chǎn)生的氧化物進(jìn)行攻擊，不過(guò)也已證明這種鍵合不受光催化劑化學(xué)活性的影響，因?yàn)檫@些聚合物的主鏈不含有可氧化原子。

 

2 結(jié)語(yǔ)

 

VOCs 廢氣的傳輸、污染物的吸附、光催化反應(yīng)的接觸時(shí)間、濕度、光催化劑的活性、光子的利用率、光催化劑在載體上的吸附是光催化氧化技術(shù)在 VOCs 廢氣治理技術(shù)上經(jīng)常出現(xiàn)的難點(diǎn)和制約光催化氧化效率及穩(wěn)定性的主要因素。本文分別闡述了這些問(wèn)題，并針對(duì)以上問(wèn)題提出了相應(yīng)的優(yōu)化措施及對(duì)策。隨著光催化氧化技術(shù)研究日益成熟，光催化氧化技術(shù)設(shè)備在 VOCs 廢氣治理領(lǐng)域的應(yīng)用會(huì)更加高效，應(yīng)用場(chǎng)合也會(huì)更加廣泛。

 

參考文獻(xiàn)

[1] Jacoby，W.A.and D.M.Blake.Photocatalytic reactor with flexiblesupports [P].1995，Google Patents.

[2] Wei，D.Tungsten oxide/titanium dioxidepHotocatalyst for improvingindoor air quality [P].2007，Google Patents.

[3] Wang，R.-S.Photocatalyst synthesized fiber product [P].2006，GooglePatents.

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