張建平1、張川2、張千2、李玲3、張偉3
(1. 河北麥森鈦白粉有限公司總工程師 2. 河北麥森鈦白粉有限公司工程師 3.河北麥森鈦白粉有限公司助理工程師)
摘要: 以具有直通孔的成型支承體膠粘活性炭 ( A C ) 為載體, 采用浸涂法在復(fù)合載體上形成納米Ti02/SiO2復(fù)合光催化劑薄層, 制備出可用于室內(nèi)空氣凈化的活性炭和納米復(fù)合復(fù)合光催化凈化材料。
關(guān)鍵詞: 光催化; 空氣凈化; 活性炭; 納米二氧化鈦
一、技術(shù)背景
TiO2是迄今為止應(yīng)用最為廣泛的理想光催化劑，但TiO2納米催化劑存在著易凝聚、對太陽光的利用率低、并且由于微粒細(xì)小造成回收困難的問題，而TiO2塊體或球體表面的吸附性差，光催化效率低，需要較長時間才能達(dá)到對有機物完全降解，因此可以采用具有大比表面積、多孔的惰性吸附劑(沸石、SiO2、活性炭等)作為載體，對污染物進行快速的吸附凈化和表面富聚，是提高光催化活性的有效途徑。
在常見的吸附材料中，比較多見的是活性炭和二氧化硅。活性炭是利用木炭、木屑、椰子殼一類的堅實果殼，果核及優(yōu)質(zhì)煤等做原料，經(jīng)過高溫炭化，并通過物理和化學(xué)方法，采用活化、酸性、漂洗等一系列工藝而制成的黑色、無毒、無味的物質(zhì)。但是目前市面上常見的炭包使用的活性炭都是顆粒狀或粉末狀，只有當(dāng)活性炭的孔隙結(jié)構(gòu)略大于有害氣體分子的直徑，能夠讓有害氣體分子完全進入的情況下(過大或過小都不行)，才能達(dá)到最佳的吸附效果。因此使用具有局限性。河北麥森鈦白粉有限公司發(fā)現(xiàn)活性炭纖維有較發(fā)達(dá)的比表面積(2000m2/g)和較窄的孔徑分布，與活性炭相比，有較快的吸附脫附速度和較大的吸附容量。介孔二氧化硅的孔徑介于10nm到100nm之間，這樣的單分散的介孔二氧化硅納米粒子具有孔材料和納米材料的雙重功能，在催化，吸附等方面都有相應(yīng)的功能。河北麥森鈦白粉有限公司將活性炭和介孔二氧化硅作為雙載體，對其進行納米TiO2負(fù)載，并進行了室內(nèi)甲醛氣體去除實驗，結(jié)果證明其光催化性能優(yōu)于單一的載體。
二、新吸附復(fù)合技術(shù)原理
吸附是由于吸附劑和吸附質(zhì)分子間的作用力引起的，根據(jù)作用力的不同，可分為物理吸附和化學(xué)吸附。物理吸附主要靠分子間的范德華力，把吸附質(zhì)吸附在吸附劑表面，是可逆過程，只能暫時阻擋污染而不能消除污染。當(dāng)吸附條件改變，如降低氣相中吸附質(zhì)的分壓力或提高被吸附氣體的溫度，吸附質(zhì)會迅速解吸。
單一吸附技術(shù)主要表現(xiàn)為以下三點局限性：1.單一吸附劑大多具有專一性，對某種或某類組分具有較好的吸附效果，但室內(nèi)空氣組分復(fù)雜，所需除去的物質(zhì)種類、濃度不同，就需要開發(fā)具有較大吸附范圍的新型吸附劑。2.物理吸附存在吸附飽和問題，吸附劑工作一段時間后吸附能力達(dá)到飽和，失去吸附功能�；瘜W(xué)吸附隨著吸附劑的消耗，吸附能力也變?nèi)酢?.吸附劑吸附空氣中的有機物，如不及時清理，可能會成為細(xì)菌滋生的場所，成為二次污染。
利用活性炭與介孔SiO2上負(fù)載納米TiO2的方法，首先在活性炭纖維、SiO2表面形成吸附層，然后再將納米TiO2負(fù)載在上面形成最外層的光催化層�？梢赃_(dá)到以下的特點：1)合理的幾何形狀支撐體，使凈化比表面積較大和氣流阻力較小。2)TiO2處于最外層，紫外光直接作用在TiO2光催化劑上，提高利用率。3)借助活性炭、SiO2的吸附作用，對空氣中極低濃度的污染物進行快速吸附凈化和表面富集，加快了光催化降解反應(yīng)的速率，抑制了中間產(chǎn)物的釋放，提高了污染物完全氧化的速率;TiO2的光催化作用促使被活性炭吸附的污染物向TiO2表面遷移，從而實現(xiàn)了活性炭的原位再生，延長使用周期。通常被稱為“協(xié)同效應(yīng)”。
三、制備
1.以河北麥森鈦白粉自制的納米TiO2粉體為原料，用去離子水100ml配制成1.5%的懸浮液并加入0.5g的六偏磷酸鈉作為分散劑，超聲振蕩30min。
2.將分散好的TiO2漿液加熱到80~90℃，稱取2g嵌段共聚物表面活性劑P123加入，滴入0.6g擴孔劑 1,3,5—三甲苯，將反應(yīng)溫度上升至40℃攪拌30min，同時加入50ml NaSiO3溶液和10ml稀H2SO4，調(diào)節(jié)PH值在8~10。40℃下繼續(xù)攪拌反應(yīng)20h。
3.對活性炭纖維進行預(yù)處理：將活性炭纖維布置于250 mL燒杯中，在0.5 mol L-1重鉻酸鉀溶液150ml中浸泡24 h ，用蒸餾水洗至無重鉻酸鉀桔紅色;然后用雙氧水浸泡48 h，再用蒸餾水反復(fù)沖洗，80℃烘干。
4.活性炭負(fù)載二氧化鈦：分別對上述未處理活性炭、和經(jīng)過預(yù)處理的活性炭采用浸漬法進行處理， 將經(jīng)過預(yù)處理的活性炭纖維布加入到2溶液中，充分?jǐn)嚢?h后，在超聲波中震動1h，然后放入沙星漏斗中抽真空濾出多余的溶膠，密封保存;凝膠化后在40℃下干燥12h，將所制備的TiO2凝膠/SiO2、活性炭纖維復(fù)合體，按同樣的工藝，重復(fù)滲涂3次后，把制得的復(fù)合體在250℃氮氣(大氣)中熱處理2h即可得到所需的光催化劑。
四、測試結(jié)論
以具有直通孔的成型支承體膠粘活性炭 ( A C ) 為復(fù)合載體, 采用浸涂法在復(fù)合載體上形成納米TiO2/SiO2光催化劑薄殼層, 制備出可用于室內(nèi)空氣凈化的復(fù)合型空氣凈化基材。
對其吸附性能及凈化性能進行測試，吸附曲線如下圖1：
從吸附曲線可以看出，TiO2負(fù)載對活性炭的吸附能力影響不大，吸附能力略有提升，即該負(fù)載方法可以較完整地保留活性炭的吸附能力或者吸附能力有提高。
為探討所研制的復(fù)合光催化凈化網(wǎng)的凈化過程, 將 單 純 活 性 炭 吸 附 凈 化 (A C ö 支 承 體) 、 單 純TiO2光催化降解凈化 ( TiO2 ö 支承體) 、 活性炭與TiO2 簡單混合物凈化網(wǎng) ( ( TiO2 + A C ) ö 支承體) 與所研制的活性炭負(fù)載殼層TiO2 的光催化復(fù)合凈化網(wǎng) (TiO2 ö A C ö 支承體) 的凈化過程進行了對比, 結(jié)果如表 1 。
結(jié)果表明, 以功率為 6 W 、 波長 254n m 的紫外殺菌燈照射 3h , 其甲苯凈化率為 98 . 8% , 三氯乙烯 (T C E ) 凈化率為 99 . 5% , 硫化氫凈化率為 99 . 6% , 氨氣凈化率為 96 . 5% , 甲醛凈化率為 98 . 5% , 一氧化碳凈化率為 60 . 1%。 通過對比實驗還表明, 所研制的復(fù)合型空氣凈化基材具有單純活性炭、單純光催化劑TiO2 / SiO2、 活性炭與二氧化鈦簡單混合等凈化裝置所不具備的綜合優(yōu)勢, 通過復(fù)合提高了光催化效率, 同時達(dá)到活性炭原位再生的目的 。
本研究制備的復(fù)合型空氣凈化基材具有以下特點:
( 1) 將支承體、吸附劑活性炭和光催化劑 TiO2 / SiO2有機地形成一個具有層次結(jié)構(gòu)的整體。 其中, 光催化TiO2/ SiO2處于最外層, 這樣的結(jié)構(gòu)使得紫外光在沒有遮擋的條件下直接作用在TiO2 / SiO2光催化劑上, 實現(xiàn)了較高的光利用率 。
(2) 借助活性炭的吸附作用, 對空氣中極低濃度的污染物進行快速的吸附凈化和表面富集, 加快了污染物光催化降解反應(yīng)的速率, 抑制了光催化中間產(chǎn)物的釋放, 提高了污染物完全氧化的速率 。
( 3)TiO2 / SiO2 的光催化作用促使被活性炭吸附的污染物向TiO2 表達(dá)遷移, 使活性炭的吸附能力得以恢復(fù), 實現(xiàn)了活性炭的原位再生 。
