纳米TiO2光催化降解空气中甲醛的研究

熊 平*

(成都工业学院 教务处，成都 611730)

由于室内装修大量使用胶合板、细木工板、中密度纤维板、刨花板等装饰材料，导致甲醛成为室内空气污染的头号杀手，被WHO确定为强致癌和致畸物质［1］。据中国室内环境监测中心统计，每年我国由于室内污染引起的超额死亡数达11万，超额门诊数达22万人次，超额急诊数达430万人次［2］。如何通过室内空气净化治理设备和技术来提高室内空气质量，已成为全社会关注的热点，同时也成为环境污染治理研究迫切需要解决的问题。

光催化技术具有安全环保、无二次污染的特点，将其用于室内空气治理已成为国内外的研究热点［3］。国内外市场上已出现大量光触媒空气净化器，如日本东芝公司研制出一种利用放电活化光触媒技术的新型除臭器，该技术提高了家用冰箱所配备的“纳米光等离子+O3”的杀菌、除臭功能。英国的玻璃制造公司Pilkington开发了一种Pilkington Active的玻璃，这种玻璃涂有一层TiO2为核心的催化剂，用其作为窗玻璃既透光又能利用阳光和雨水自动净化［4］。本研究将吸附材料的良好吸附性能与TiO2光催化活性结合起来降解室内空气中的甲醛，这方面的研究目前还较少报道。

1 实验部分

光催化反应是以N型半导体材料TiO2为催化剂，利用紫外光对其进行激发，吸附在催化剂表面的氧气和微量水分别被光生电子和空穴还原或氧化为O2-和·OH，这2种物质为甲醛的深度氧化提供了高活性氧化剂，氧化过程是经过中间产物HCOOH而最终被氧化为CO2和H2O，其过程如下:

1.1 实验仪器与试剂

实验仪器为:GDYK-201S型室内空气现场甲醛测定仪，空气试验舱A、B。

实验试剂为:锐钛矿型TiO2，活性炭，甲醛(37% ～40%分析纯)，固体甲醛试剂、液体甲醛试剂。

1.2 纳米TiO2光催化降解空气中甲醛实验

1.2.1 实验方法

依据QB/T2761—2006《室内空气净化产品净化效果测定方法》，用2个空气试验舱(A为空白舱，B为样品舱)，内置甲醛释放源，测试纳米TiO2光催化降解一定时间后，空气试验舱内甲醛的浓度。通过对比A、B舱的甲醛浓度，求得纳米TiO2光催化降解反应的甲醛去除率。然后每隔一段时间采样一次，计算出不同时间的甲醛去除率，加以分析比较，得出纳米TiO2光催化降解对甲醛去除率随时间变化趋势图。

1.2.2 实验步骤

1)空气试验舱的制作

空气试验舱为尺寸1.1 m×1.1 m×1.1 m的密闭玻璃舱室，有效容积1 m3，壁、地板、顶板均为厚度8 mm的平板玻璃，顶部开有一直径为0.6 m的圆形舱门，内侧舱门旁粘连一12 W低速可调风扇，舱壁中部开采样孔，B舱顶部安装一盏紫外灯(如图1所示)。

图1 空气试验舱

2)甲醛释放源的配制

用移液管将甲醛(分析纯)25 mL移入250 mL容量瓶中，加蒸馏水至刻度线处，得到质量分数为4%的甲醛释放源。再分别取100 mL甲醛释放源于两烧杯中，分别标记为A、B，将A烧杯放入A舱，B烧杯放入B舱。

3)纳米TiO2的负载固定化

称取一定量的纳米TiO2溶于水中制成一定浓度的TiO2溶液。将活性炭载体放入其中浸泡18 h，取出放在阴凉处晾干。

4)甲醛浓度的测定

A、B舱内放入配制好的甲醛释放源，2 h后将经过纳米TiO2处理的活性炭载体放置于B舱，关闭舱门，开启风扇和紫外灯。实验进行至 0.5、1、2、4、6、8、12、24、36 h 时分别采样，测试A、B 舱中甲醛浓度，并计算甲醛去除率。

图2 不同形态活性炭载体的甲醛去除率折线图

2 实验结果与讨论

2.1 载体对甲醛去除率的影响

载体不同，对TiO2光催化能力有较大的影响，主要表现在不同载体对 TiO2、甲醛的吸附能力不同［5］。分别采用活性炭颗粒、活性炭纤维布、5 mm厚度的活性炭过滤网及10 mm厚度的活性炭过滤网作为光催化剂TiO2的载体，研究它们对甲醛去除效果的影响，如图2所示，在前12 h内，3种活性炭载体均对甲醛有较好吸附作用，12 h后达到吸附饱和，甲醛浓度不再变化。3种活性炭载体中，10 mm厚度的活性炭过滤网吸附效果最好，原因是其活性炭的粒径小，孔隙结构发达，孔隙分布均匀，比表面积大，活性炭吸附和富集效果好。因此，选择10 mm厚度的活性炭过滤网作为光催化剂TiO2的载体。

2.2 紫外光波长对甲醛去除率的影响

图3 不同波长紫外光照射的甲醛去除率折线图

TiO2是一种N型半导体，它最突出的特征是具有光敏导电性，带隙能3.2 eV，相当于波长为387.5 nm光子的能量。当TiO2受到波长＜387.5 nm的紫外光照射时，价带上的电子跃迁到导带上，形成空穴和光激电子，此时空气中的氧气和水蒸气与之作用便形成了高活性地氧化表面吸附物质的自由基·O和·OH，从而将甲醛等有机物分子降解为 CO2和H2O等无机小分子物质［6-7］。分别在波长为254、365 nm的紫外光照射以及无紫外光照射的条件下，研究对甲醛去除效果的影响，如图3所示，当光源的紫外线波长为365 nm时，其甲醛去除率明显高于紫外线波长为254 nm时的甲醛去除率，这是因为紫外线波长为365 nm时，光的强度更大，产生的光生电子和空穴更多，催化活性更高，从而提高了TiO2溶液对甲醛的降解率。

图4 不同TiO2浓度的甲醛去除率折线图

2.3 光催化剂TiO2浓度对甲醛去除率的影响

为考察TiO2负载量对甲醛去除效果的影响，分别在TiO2溶液浓度为0%、3%、4%、5%、6%的条件下研究TiO2溶液浓度对甲醛去除效果的影响，如图4所示，当TiO2溶液的浓度为4%时，甲醛去除率达到最高，为93.88%。因为当TiO2浓度过小时，载体表面能够附着的TiO2较少，参与降解反应的催化剂量较少，甲醛去除率较低;但TiO2浓度过大时，TiO2附着量过多，不但会造成催化剂的浪费，而且过量的催化剂将堵塞更多的活性炭孔隙，降低活性炭的吸附能力［8］，还可能对紫外光产生一定的遮蔽作用，导致光催化效率下降，影响光催化降解反应效率。

3 结语

以活性炭为载体的纳米TiO2光催化降解技术对室内空气中甲醛具有很好的降解效果，在波长为365 nm的紫外光照射下，以10 mm厚度的活性炭过滤网为载体，光催化剂TiO2浓度为4%的条件下进行光催化降解反应，甲醛去除率可达93.88%。

［1］张绍原，吴玉霞，郑豪，等.纳米TiO2光催化降解空气中甲醛的研究［J］.浙江建筑，2010，27(6):65-69.

［2］白志鹏，韩旸，袭著革.室内空气污染与防治［M］.北京:化学工业出版社，2006.

［3］郑水林，高如琴，王健东，等.TiO2/硅藻土基多孔陶瓷复合材料的制备及降解甲醛性能［J］.硅酸盐学报，2008，36(11):1633-1637.

［4］刘春艳.纳米光催化及光催化环境净化材料［M］.北京:化学工业出版社，2008.

［5］钱昱，李梅，路庆华.纳米二氧化钛光催化降解空气中甲醛影响因素的研究［J］.实验室研究与探索，2004，23(12):12-14.

［6］王文超，周仕学，姜瑶瑶，等.室内甲醛污染治理技术的研究发展［J］.环境科学与技术，2006，29(9):106-109.

［7］VIROTE B，SRISUDA S，WIWUT T.Preparation of activated carbon from coffee residue for the adsorption of form aldehyde［J］.Separation Purfication Technology，2005(42):159-168.

［8］孙和芳，张国栋，郑光宇.活性炭负载TiO2光催化降解甲醛［J］.安徽工业大学学报，2007，24(1):39-42.