舰船舱室环境对分子筛负载纳米TiO2分解甲醛性能的影响

杜 毅，刘 军

(海军潜艇学院训练部，山东青岛266042)

舰船舱室环境对分子筛负载纳米TiO2分解甲醛性能的影响

杜 毅，刘 军

(海军潜艇学院训练部，山东青岛266042)

采用密闭实验舱模拟舰艇舱室环境。以分子筛负载纳米TiO2的分解效率为依据，考察了其对甲醛的催化分解性能。结果表明，纳米TiO2的分解效率随着温度的上升而显著提高，随湿度的升高而降低，光照强度对纳米TiO2的催化效能影响不大，而过高的甲醛初始浓度也会降低纳米TiO2的分解效率。

纳米TiO2;甲醛;分解效率

1 概述

甲醛是舰艇舱室特别是军用舰艇密闭舱室中经常出现的有害气体。其主要来源于舱室内涂料、装饰板材等材料的释放。甲醛不仅对人体器官具有极强的刺激作用，而且还能使蛋白质变性，对细胞具有很强的破坏作用，对人的致死剂量为142 mg/kg。研究表明，人对甲醛嗅觉阈值为0.06～0.8 mg/m3，刺激阈值浓度为0.21 mg/m3，说明很低浓度的甲醛对人体机能会产生影响［1－2］。舰艇舱室中甲醛的存在极大地危害着艇员的人身健康和舰艇的安全航行。因此，消除舱室中特别是军用舰艇中的甲醛气体一直是环境工作者的重要课题。

目前，适应于舰艇舱室的甲醛去除技术主要有通风换气、物理吸附、空气负离子净化、材料封闭、催化分解等。其中，催化分解是一种新兴的很有发展前途的甲醛去除技术，其优点是分解率高、分解速度快、低温可引发反应、设备简单、成本低。作为具有催化分解作用的主要成分，分子筛负载纳米二氧化钛 (TiO2)是对甲醛产生分解作用的主体。TiO2是一种具有光催化功能的物质，其光催化机理可用下式表示［3－4］:

由上式可以看出，在TiO2的催化过程中，产生的·OH是主要的活性物质，对光催化起决定作用。其对甲醛的分解机理可用下式表示:

在常规环境中，分子筛负载纳米TiO2对甲醛的分解效果十分明显。肖劲松等采用涂有纳米TiO2涂料的玻璃板并将其暴露在紫外光中，40 min内使80%以上的甲醛分解成二氧化碳和水［5］。清华大学朱永法等利用溶胶凝胶法在不锈钢以及玻璃载体表面制备了具有多孔结构的TiO2薄膜光催化剂，利用含甲醛空气研究了薄膜光催化剂的活性，当反应进行到20 h时，其甲醛的光催化降解率达到90%［6］。而舰艇舱室是一种特殊的环境，其温度、湿度、光照条件等都异于普通的环境，对分子筛负载纳米TiO2催化作用的发挥具有一定的阻碍作用。本文采用密闭实验舱，模拟舰艇舱室的真实环境，研究了TiO2在舱室环境中对甲醛的分解性能，分析了温度、湿度、光照条件、初始气体浓度等对分解性能的影响，为使舰艇舱室中分子筛负载纳米TiO2对甲醛的分解作用充分发挥提供了依据。

2 实验部分

2.1 仪器及试剂

不锈钢密闭实验舱(自制);紫外杀菌消毒灯(上海金光特种光源有限公司);黑光灯(上海金光特种光源有限公司);荧光灯(上海波力通照明有限公司);数字温控仪(0－100℃，上海华辰医用仪表有限公司);接触调压器(0～250 V，振华调压器厂);甲醛溶液(上海化学试剂有限公司，分析纯)。

图1 密闭实验舱示意图Fig.1 The scheme of closed JEM

2.2 实验步骤

称取5 g自制分子筛负载纳米TiO2样品，均匀放入陶瓷托盘，放入密闭实验舱，固定于实验舱中央部位。在样品正上方分别放置紫外灯、黑光灯、荧光灯光源，调节光照强度分别为8，15，23和31 W;实验舱设有采样口，用以调节湿度、气体浓度和抽取样品，分别调节舱内相对湿度为85%，75%，60%和40%，气体初始浓度分别为1.2，0.8，0.6和0.3 ppm;实验舱内设有加热装置，用以调节温度，控制温度分别为 15℃，25℃，35℃和40℃。在不同的时间段分别从3个采样口抽取气体测试其中甲醛的浓度，求其平均值，确定其分解效率。

2.3 表征

采用XP-308便携式甲醛分析仪测定甲醛浓度，其量程范围为0～3 ppm，最小检测量为0.01 ppm。采用分解效率来表征纳米TiO2的催化性能，其计算公式为

式中:Y为分解效率，%;Ci为实测甲醛浓度，ppm;C0为甲醛初始浓度，ppm。

3 结果与分析

3.1 温度对催化性能的影响

采用8 W的紫外灯作为光源，设定湿度为60%，甲醛初始浓度为0.8 ppm，在不同温度下对TiO2的分解性能进行研究，结果如图2所示。

图2 不同温度条件下的分解效率Fig.2 The decomposition efficiency in different temperatures

由图2中可以看出，随着反应体系温度的升高，光催化反应的速率加快。温度越高，分解效率越高，体系从15℃ ～40℃，甲醛的8 h分解效率提高了17%左右。研究表明，TiO2的催化活性在一定温度范围内，随着温度的上升而上升，本实验中出现的结果可能是由于温度的升高提高了TiO2催化剂表面的活性，导致产生的活性自由基增加，促进了催化分解反应。同时，由于温度上升，催化反应的反应速率增大，这也会使分解效率提高。

3.2 湿度对催化性能的影响

TiO2表面的·OH自由基在光催化过程中起着重要作用，而·OH的主要来源是空气中的水蒸气，因此水蒸气在TiO2对甲醛的分解过程中起重要作用。但是研究发现，过高的水蒸气浓度却不利于催化反应的进行［7］。分析其原因可能是由于过多的水蒸气会覆盖在TiO2表面，限制了甲醛与催化剂表面的接触，因此导致催化性能下降。在8 W紫外灯照射，甲醛初始浓度0.8 ppm，35℃的情况下，设定不同湿度进行实验，结果见图3。

图3 不同湿度条件下的分解效率Fig.3 The decomposition efficiency in different humidities

由图3中可以看出，在不同湿度条件下，分解效率都随着时间的延长而提高。但是随着相对湿度的增加，甲醛降解效率下降，当相对湿度达到85%左右时，甲醛的降解效率比相对湿度为40%时下降了16%左右。这种现象可能与上面分析的过多水蒸气覆盖了催化剂表面，造成甲醛的接触不良有关系。基于这点考虑，在将纳米TiO2催化剂用于舰艇舱室时，要特别注意保持舱室环境处于较低湿度，以便充分发挥其催化效能。

3.3 初始浓度对催化性能的影响

一般来说，舰艇舱室中的甲醛浓度虽然高于外界大气环境，但是仍处于较低的水平，因此研究不同气体浓度条件下，纳米TiO2的催化性能十分有必要。在8 W紫外灯照射下，设定温度35℃，湿度75%，配置不同的气体浓度进行测试，其结果见图4。

图4 不同初始浓度条件下的分解效率Fig.4 The decomposition efficiency in different initial concentrations

由图4可见，TiO2的催化效率与甲醛的初始浓度有较大关系，反应8 h时高浓度的消除率只有59.4%，低浓度75.8%，两者相差16.4%;初始浓度大时，甲醛的消除率较小;初始浓度小时，甲醛的消除率大。造成这种结果的原因可从以下2点考虑:一是由于TiO2对甲醛的分解需要一定时间，同一时间点内与催化剂接触的甲醛的量是一定的，只有当前期反应结束，剩余的甲醛才能继续被催化剂分解;二是由于甲醛被分解产生水分，会覆盖在催化剂表面，阻碍了甲醛与催化剂的接触。由于以上2点原因，使初始浓度较高的甲醛分解效率下降。

3.4 光照强度对催化性能的影响

纳米TiO2对甲醛的催化作用需要光的参与，光照的强度可能会对其催化性能产生影响。为此，分别采用了紫外灯、黑光灯和荧光灯，产生强度分别为8，15，23和31 W的光源对催化反应进行辐照，其分解效率的结果见图5。

图5 不同光照强度条件下的分解效率Fig.5 The decomposition efficiency in different light intensities

从图5可以看出，在催化剂用量和光照时间相同的条件下，不同的光照强度下降解曲线非常接近。说明在一定范围内，紫外光照射强度对甲醛消除率影响并不大。形成这种结果的原因是由于虽然光照强度持续增大，但是均已超过纳米TiO2的催化能阈值，均可以顺利引发反应［8］。并且由于纳米TiO2的用量和排布相同，其表面积相同，同一时间内与甲醛接触的催化剂的量相同，因此能够产生催化作用的效能是相同的。

4 结语

通过采用密闭舱来模拟舱室环境，分析了温度、湿度、气体初始浓度、光照强度对纳米TiO2催化分解效率的影响。结果发现:

1)纳米TiO2的分解效率随着温度的上升而显著提高;

2)纳米TiO2的催化性能在较低湿度条件下较易发挥，在舰艇舱室内使用时要尤为注意;

3)过高的甲醛初始浓度会降低纳米TiO2的催化效能，当舱室中甲醛气体浓度过高时，应该考虑采取其他手段去除气体;

4)光照强度对纳米TiO2的催化效能影响不大，只要光照强度超过催化阈值，纳米TiO2即可充分发挥催化性能。

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Research on the effect of ship cabin environment on decomposition of nano-TiO2zeolites to formaldehyde

DU Yi，LIU Jun
(Administrative Office of Training，Navy Submarine Academy，Qingdao 266071，China)

Simulated vessel cabin environment using closed JEM．The decomposition efficiency of nano-TiO2Zeolites was chosen as criterion to determine the performance of catalytic decomposition to formaldehyde．The results showed that the decomposition efficiency of the nano-TiO2increased significantly as temperature rised，reduces with the rise of humidity．And the light intensity had little effect on the decomposition efficiency．However，too high initial concentration of formaldehyde could also reduce the decomposition efficiency of nano-TiO2．

nano-TiO2;formaldehyde;decomposition efficiency

杜毅(1981－)，男，硕士，主要研究方向为舰艇舱室环境控制。

TQ031．3

A

1672－7649(2012)10－0123－04

10.3404/j.issn.1672－7649.2012.10.027

2011－12－14;

2012－02－17