火焰化学气相沉积法制备多晶纳米二氧化钛及其在气体净化中的应用

谢洪勇,马长文,孙志国,高桂兰,邴乃慈,田震朱路平,汪玲玲,杨丹丹,陈胜文

(上海第二工业大学城市建设与环境工程学院,上海201209)

火焰化学气相沉积法制备多晶纳米二氧化钛及其在气体净化中的应用

谢洪勇,马长文,孙志国,高桂兰,邴乃慈,田震朱路平,汪玲玲,杨丹丹,陈胜文

(上海第二工业大学城市建设与环境工程学院,上海201209)

综述了作者近年来在火焰化学气相沉积(CVD)法制备多晶纳米二氧化钛及其在光催化气体净化中应用的研究成果。总结了以工业丙烷为燃料、空气为催化剂、四氯化钛为先驱物的火焰CVD法制备多晶纳米二氧化钛中热负荷对燃烧室内的温度分布和金红石含量的影响。以光致发光(PL)光谱为表征手段,研究了金红石含量对光激电子和空穴的分离作用。用管式光催化反应系统,研究了初始浓度和相对湿度对多晶纳米二氧化钛光催化降解挥发性有机物(VOC)气体和氨气的影响,及最佳光催化效率的金红石含量。针对多晶纳米二氧化钛在低相对湿度下光催化降解效率低的缺陷,用复合法对其性能进行了改进,研究了改进的光催化剂在低相对湿度和干燥空气中光催化降解苯的效率。对500 m3/h模块化的填料式光催化气体净化设备进行了净化效率和催化剂寿命实验,讨论了光催化饱和浓度对净化设备设计的影响。

光催化;多晶纳米二氧化钛;填料式净化设备;相对湿度;光催化饱和现象

0 引言

由于羟基自由基(·OH)的强氧化能力,如表1所示,其氧化过程表现为无选择性、反应彻底、无二次污染等特点,可使大分子难降解有机物氧化成低毒或无毒的小分子物质。产生羟基自由基的氧化过程称为高级氧化过程,20世纪80年代以来,高级氧化技术在环境治理研究和技术开发领域受到了高度重视[1]。根据产生自由基的方式和反应条件的不同,高级氧化过程可分为光催化氧化、等离子体氧化、臭氧氧化、Fenton氧化及它们的组合等多种类型。

半导体粒子具有能带结构,由填满电子的低能价带(valence band,VB)和空的高能导带(conduction band,CB)构成,价带和导带之间存在禁带。当能量大于禁带宽度(也称带隙,Eg)的光照时,价带上的电子(e-)被激发跃迁至导带,价带上留下相应的空穴(h+)。与金属不同,半导体粒子的能带间缺少连续区域,电子-空穴对有皮秒级的寿命,足以使光生电子和空穴对向表面迁移。在表面上,跃迁的电子可以还原一个电子受体(在含有空气的水溶液中通常是氧),价带空穴则能与供给电子的物质结合,而使该物质氧化。电子和空穴迁移的速率和概率,取决于导带和价带的带边位置及吸附物质的氧化还原电位。电子和空穴的复合是其向表面迁移竞争的过程,电子和空穴的复合过程一般在半导体内,也可在表面进行。

表1 一些氧化剂的标准氧化还原电位Tab.1Oxidation potential of conventional and advanced oxidizes

以氧化钛为例,当经波长小于385 nm的光照射后吸收光量子ħr,产生光激电子和空穴对:

当催化剂表面没有吸附物质和表面缺陷态时,激发态的导带电子和价带空穴重新复合,以热能或其他形式散发。

当催化剂表面存在合适的吸附物质或表面缺陷态时,电子和空穴向表面迁移,电子和空穴的复合得到抑制。迁移到催化剂表面的电子和空穴,与吸附在催化剂表面的物质发生氧化-还原反应。在光催化半导体中,空穴具有更大的反应活性,与表面吸附的H2O或OH-离子反应形成具有强氧化性的羟基自由基。

电子与表面吸附的氧分子反应,分子氧不仅参与还原反应,也是羟基自由基的来源:

产生的羟基自由基·OH、超氧离子·O-2、氢过氧基·HO2等活性基团,能够将有机物直接氧化为CO2和H2O等无机小分子。光催化氧化过程具有可在常温下进行、可利用太阳光、催化剂来源广、无二次污染等优点,将其应用于污水与大气治理中有机物的降解和消毒杀菌等领域,尤其是在处理不可生物降解的有机物及杀灭氯化过程杀菌效率低的革兰菌时,可以获得其他技术难以达到的极佳效果[2-3]。

由于我国正处于城市化进程加速的过程,发达国家上百年工业化过程中分阶段出现的大气污染问题,在我国近20年内集中出现,主要的大气污染物有粉尘、二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳、挥发性有机物和臭氧。全国47个重点城市中,约70%以上的城市大气环境质量达不到国家规定的二级标准;参加环境统计的338个城市中,137个城市空气环境质量达不到国家三级标准,占统计城市的40%,属于严重污染型城市。从全国范围来看,我国大气污染来源主要是生产和生活用燃煤,但就局部地区而言,分散在各地的工业污染源构成了对当地空气污染的主要威胁,特别是数量众多的化工及制药企业,其生产过程中所排放的废气通常含有甲醛和苯类化合物等挥发性有机物的有害气体,不仅严重损害了操作工人的身体健康,也大大降低了当地居民的生活质量。研究结果表明,碳氢化合物、氮氧化物和臭氧是形成光化学烟雾的关键物质。碳氢化合物和大气中的羟基、超氧或单线态氧等自由基反应,形成了二次大气污染物。尤其是当碳氢化合物和氮氧化物同时存在并达到一定比例时,碳氢化合物形成二次大气污染物的速度加快、程度加剧。碳氢化合物形成的二次大气污染物和硫酸盐颗粒物也是大气中PM2.5的主要来源。目前很多城市都处于烟雾笼罩的大气污染状况下,也能说明挥发性有机物和氮氧化物是目前大气污染状况的主要根源之一[4]。

工业废气和恶臭气体的处理方法主要有物理法、生物滤池法和化学氧化法,如表2所示。生物滤池法对可生物降解的有机物有运行成本低的优点,但不适用于不可生物降解的物质,如化工、制药等工业废气;化学氧化法包括了燃烧、低温等离子体、臭氧氧化和光催化等方法,其中低温等离子体技术虽然适用范围较广,净化效率也较高,但一次性投资大,且运行过程有爆炸等安全隐患。半导体光催化方法除了具有等离子体技术的优点外,还有投资和运行费用低等优点,如表3所示。但光催化技术长期停留在实验室阶段,鲜有工业企业实际运用的案例,其关键瓶颈在于催化剂性能的改善和净化器结构设计与填充料的选择。本文介绍我校城市建设与环境工程学院谢洪勇教授等人近年来在火焰化学气相沉积(CVD)法制备纳米光催化剂以及光催化技术应用于气体净化方面的研究工作。

表2 工业废气和恶臭气体的主要处理方法Tab.2 Treatment methods of industrial effuents and odors

表3 光催化技术与吸附和燃烧法的比较[5]Tab.3 A comparison between photocatalysis and adsorption and combustion processes

1 火焰CVD法制备多晶纳米二氧化钛光催化材料

液相法和气相法制备超细二氧化钛的能耗比较列于表4[6]。火焰气相沉积法由于具有工艺简单、产品纯度高、球形度高、粒径可控、生产成本低等优点,是工业上生产超细TiO2和SiO2的主要方法之一(生产成本仅需2$/kg)[6-7],也是近年来研究与开发的纳米颗粒材料,特别是纳米陶瓷颗粒材料的主要制备技术之一[8]。目前,主要有甲烷/空气火焰CVD法、H2/空气火焰CVD法和工业丙烷/空气火焰CVD法这几种制备纳米光催化材料的技术[9-10]。

表4 液相法和气相法制备超细TiO2的能耗比较[6]Tab.4Comparisons on energy consumption between chloride and sulfate processes

图1是火焰CVD法制备纳米光催化材料的流程图[9-10]。反应器是内径0.15 m、高0.5 m的不锈钢管。燃烧喷嘴是型号为2000 kcal(1 cal= 4.1868 J)的霍尼韦尔燃烧喷嘴。燃料是工业丙烷,氧化剂是空气。干燥的携带空气将光催化材料的先驱物送入燃烧室,先驱物在燃烧室内氧化生成纳米光催化材料。先驱物可在不同的高度位置送入燃烧室,以考察停留时间对纳米光催化材料的尺寸和结构的影响。其中位置1距离燃烧室顶部50 mm,位置2距离燃烧室顶部192 mm,位置3是先驱物流经燃烧喷嘴。燃烧室内的温度由S型热电偶测量,测量的轴向位置分别距离燃烧室顶端43、116、197、236、275、315、336和360 mm,径向位置分别距离中心轴0、6、12、18、24、39、54和69 mm。纳米光催化材料由置于燃烧室顶端的颗粒收集装置收集。空气由压缩机压缩、冷干机干燥后,经燃烧喷嘴送入燃烧室。携带空气经硅胶深度干燥后,通过气泡器把先驱物送入燃烧室。空气、携带空气和燃料的流量均由质量流量计精确控制。

图1 火焰CVD法制备纳米光催化材料流程图[9-10]Fig.1 Schematic diagram of experimental apparatus of fame CVD process

实验中,质量流量计将空气和丙烷控制在设定的流量并点火,加热燃烧室。点火后开启引风机,燃烧室的真空度控制在150 mmH2O(1 mmH2O= 9.80665 Pa)。为了干燥先驱物输送气路,质量流量计将携带空气控制在设定的流量流经气泡器,此时气泡器内不放置先驱物。当颗粒收集装置的排气温度超过100◦C后,停止携带气体并将先驱物加入气泡器。先驱物加入气泡器后,开启携带气体,携带气体将先驱物带入燃烧室。先驱物在燃烧室氧化生成纳米光催化材料,并富集在颗粒收集装置上。随着反应的进行,富集在颗粒收集装置上的纳米颗粒增加,燃烧室的真空度下降。当燃烧室的真空度下降到接近零时,停止携带空气,打开颗粒收集装置并取出纳米光催化材料。重新放置好颗粒收集装置后,启动携带空气,重复纳米光催化材料的制备过程。

图2是燃烧室内温度的测量结果[9-10],燃烧室内温度随热负荷的增加而增加。径向的温度变化较大,但随燃烧室高度(h)的增加,径向温度的变化减小。燃烧室内的平均温度示于图3,平均温度是燃烧室内气体焓的平均值。燃烧喷嘴直径为24 mm,核心区域的平均温度是直径为48 mm柱体内的平均温度。由图3可见,平均温度与热负荷(Q)成正比。当热负荷在247～627 kJ/(m2·s)时,核心区域的平均温度在1 046～1 285 K之间,燃烧室的平均温度在753～1 067 K之间[9]。

二氧化钛的价带电势约为2.7 eV、导带电势约为-0.5 eV,价带氧化能力强,导带有一定的还原能力[11],且有无毒无害、耐腐蚀、化学和光稳定性好、成本低等优点,因此纳米二氧化钛成为被广泛研究和具有极大应用潜力的光催化材料。在光催化应用中,电子和空穴的复合是它们向表面迁移的竞争过程,有效地抑制电子和空穴的复合是提高光催化速率的有效途径。典型的抑制电子和空穴复合的方法有离子掺杂[2-3]和贵金属掺杂[2]等。

当不同能级的半导体复合时,如导带电势不同,则光激电子可以通过复合半导体的相界面或表面迁移;如价带电势不同,则空穴可以通过复合半导体的相界面或表面迁移[2]。二氧化钛的金红石和锐钛矿的价带电势相同(2.7 eV),但锐钛矿的价带电势(-0.5 eV)高于金红石的价带电势(-0.4 eV)[11]。当金红石和锐钛矿的二氧化钛接触时,锐钛矿相的光激电子通过相界面或表面迁移到金红石相,从而抑制了电子和空穴的复合,如图4所示[12]。所以,制备锐钛矿和金红石的多晶纳米二氧化钛光催化材料能够提高光激电子和空穴的分离效率,从而提高纳米二氧化钛的光催化效率。

图2 燃烧室内温度的测量结果[9-10]Fig.2 Measured temperatures versus radial position at different height levels

图3 燃烧室内平均温度随热负荷的变化[9-10]Fig.3 Average temperatures in core region and entire reactor space versus reactor heat fux

图4 多晶二氧化钛的光激电子和空穴分离示意图[12]Fig.4 Illustration of the separation of photon-induced e-/h+pairs by rutile phase

火焰CVD法制备多晶纳米二氧化钛的金红石含量随燃烧室热负荷的变化示于图5,可以制备金红石质量分数w=15%～60%的多晶纳米二氧化钛。多晶纳米二氧化钛的形貌和尺寸分布示于图6,多晶纳米二氧化钛接近球形,平均尺寸在30～50 nm之间[9-10]。

图5 金红石含量随燃烧室热负荷的变化[9-10]Fig.5 Rutile fraction versus reactor heat fux

图6 火焰CVD法制备多晶纳米二氧化钛的形貌和尺寸分布[9]Fig.6 TEM picture and size distribution of nano-TiO2by a fame CVD process

图7 典型多晶纳米二氧化钛的光致发光(PL)光谱图和PL光强随金红石含量的变化[9,12-13]Fig.7 Typical PL spectrum and PL intensity versus rutile fraction

光激电子和空穴在向表面迁移以及迁移到表面后,电子和空穴将会碰撞而复合。光激电子和空穴在体内的复合能量将以热的形式散发,而在表面的复合能量将以光的形式散发。这样的发光可以通过光致发光(PL)光谱测量。图7是典型多晶纳米二氧化钛的光致发光(PL)光谱图和PL光强随金红石含量的变化[9,12-13]。可以看出:PL光强随金红石含量的增加而增加,当w=40%时,PL光强达到最大值;随金红石含量的进一步增加,PL光强开始降低。表明在表面复合的光激电子和空穴的数量随金红石含量的增加而增加,即到达表面的光激电子和空穴的数量随金红石含量的增加而增加[14];当w＞40%时,到达表面的光激电子和空穴数量随金红石含量的增加而减小。以上结果说明火焰CVD法能够制备提高光激电子和空穴分离效率的多晶纳米二氧化钛光催化材料[9-10,12-13]。

2 多晶纳米二氧化钛光催化降解挥发性有机物和氨气

图8是管式光催化反应系统的流程图[12]。光催化反应器是内径40 mm、外径50 mm、高1 200 mm的石英玻璃管。用沉淀法在石英玻璃管的内壁涂上二氧化钛薄膜[15]。一只波长为254 nm的紫外灯放置于石英玻璃管的中轴线上,紫外灯长1 200 mm、功率为36 W。石英玻璃管外包有反光材料,紫外对石英玻璃管内壁的照射强度为24 mW/cm2。

图8 管式光催化反应器示意图[12]Fig.8 Flow sheet of tubular photoreactor used in photodegradation experiments

用本文制作的多晶纳米二氧化钛,配置浓度为2.5 mmol/L的纳米二氧化钛水溶液经超声波震荡30 min后,倒入石英玻璃管中。此时石英玻璃管的底端用橡胶塞封闭。垂直静置3 h后,拔出橡胶塞,纳米二氧化钛水溶液流出石英玻璃管,石英玻璃管的内壁涂有一层纳米二氧化钛薄膜。重复上述实验,可在石英玻璃管的内壁涂多层纳米二氧化钛薄膜。图9是典型的纳米二氧化钛薄膜对365 nm紫外光吸光度随镀膜次数的变化[15]。可以看出,吸光度随镀膜层数的增加而增加;当镀膜9次后,吸光度不再增加。说明镀膜达到一定次数后,脱附与吸附达到平衡,膜厚不再增加[15]。用测量的吸光度和纳米二氧化钛的摩尔吸光系数,可得到比尔-朗伯等效(膜孔隙率为零)膜厚。等效膜厚随镀膜次数的增加而增加;当镀膜9次后,等效膜厚达到约275 nm,且不再增加,如图9所示。3层镀膜的有效膜厚为99.6 nm,纳米二氧化钛的负载约为38µg/cm2[15]。实验结果表明,3层镀膜具有最好的光催化效果[16]。图10是镀膜3次后的扫描探针显微镜(SPM)扫描结果,可以看出此时仍有未被二氧化钛覆盖的石英玻璃表面[15]。

图9 吸光度和等效膜厚与镀膜次数的关系[15]Fig.9 Absorbance and effective flm thickness versus number of flms

图10 3次镀膜后二氧化钛薄膜的SPM图[15]Fig.10 SPM spectra of 3 layer of flms

空气分为两路,第二路空气通过挥发性有机物发生器,把挥发性有机物带入石英玻璃管。第一路空气通过去离子水,但旁通挥发性有机物发生器。两路气体在进入石英玻璃管前混合。第一路空气的流量设置为10 L/min,通过改变去离子水的高度控制石英玻璃管内的相对湿度。通过改变第二路空气的流量,可以控制进入石英玻璃管的污染物浓度。第二路空气的流量在0.02～0.6 L/min之间,气体在石英玻璃管内的停留时间约为5.7 s[12-13]。用Tenax采样管在石英玻璃管的进、出口同时采样,采样流量为0.5 L/min,采样时间在1～5 min之间,用气质联用仪分析进、出口的污染物浓度。

图11是多晶纳米二氧化钛中金红石含量对光催化降解苯、甲苯和氨气影响的实验结果[12-13,17]。结果表明,当w=20%～40%时,多晶纳米二氧化钛光催化降解苯、甲苯和氨气有最好的降解效果。这一结果与多晶纳米二氧化钛PL光强随金红石含量的变化(图7)一致。当w=20%～40%时,PL光强值大。此时到达表面的光激电子和空穴多,即光激电子和空穴分离效率高。因此w=20%～40%时的多晶纳米二氧化钛光催化材料的光催化活性高。

图11 多晶纳米二氧化钛中金红石含量对光催化降解苯、甲苯和氨气的影响[12-13,17]Fig.11 Effect of rutile fraction of mixed crystalized TiO2on degradation of Benzen,Tuluen and Amonia

进口污染物浓度对光催化降解的影响示于图12[16-17]。结果表明,当进口污染物质量分数减小到10-4后,光催化降解效率迅速增加。说明光催化适用于低污染物的应用领域。在高污染物浓度条件下,与空气中水分的吸附相比,污染物在光催化剂表面的吸附占主要地位,减少了羟基自由基的生成,从而降低了光催化活性。

研究表明,为了维持一定的羟基自由基数量以及避免光催化剂表面被反应产物所覆盖,一定的相对湿度对于光催化反应是必要的[18-19]。相对湿度对光催化降解影响的实验结果示于图13[16-17]。对于甲醛和苯,最佳的相对湿度约为80%;对于氨气,最佳的相对湿度约为65%;对于甲苯,最佳的相对湿度约为60%;对于甲醇,最佳的相对湿度约为40%。当相对湿度低于30%时,苯、甲苯、甲醛和氨气的光催化降解效率均低于10%。当相对湿度较高时,由于水分子在光催化剂表面的吸附占主要地位,减少了污染物在催化剂表面的吸附,从而也降低了光催化活性,如图13所示。

图12 进口污染物浓度对光催化的影响[16-17]Fig.12 Effects of initial concentration on photodegradation degree

图13 相对湿度对光催化的影响[16-17]Fig.13 Effects of relative humidity on photodegradation degree

3 光催化气体净化设备

目前研究与开发的光催化净化设备列于表5,主要有负载式、固定床式和填料式。负载式光催化净化设备是催化剂负载在不锈钢网上或栅条上,以及负载在泡沫金属板或泡沫陶瓷板上。不锈钢网和栅条有透光性好、阻力低的优点,但停留时间短,净化效率低。泡沫金属板或陶瓷板增加了光催化剂与气体的接触时间,由于阻力大,板厚较小(小于3 cm),所以接触时间的增加有限,净化效率不高。固定床式光催化净化设备用光催化剂作为床料,可增加光催化剂与气体的接触时间,但由于受床层透光性和阻力的限制,接触时间的增加有限,净化效率也不高。填料式光催化净化设备是把光催化剂负载在填料上,由于可选用高空隙率(可高达95%)的填料,有透光性好、阻力低的特点,可显著增加光催化剂与气体接触的停留时间,净化效率高,但设备的尺寸大。

表5 光催化净化设备及技术特点Tab.5 Technical properties of photocatalytic gas purifers

净化效率高和阻力低是光催化净化设备的基本要求。好的光催化净化设备还要具有结构简单、易于标准化与系列化、运行与维修方便等优点。采用模块式的填料光催化净化设备,每个模块包含紫外灯和填料,这样的结构有利于净化设备的标准化与系列化,而且运行简单,维修方便。500 m3/h填料式光催化气体净化设备的照片示于图14。气体净化实验的废气来自生产车间或有机溶液储罐,通过收集罩收集后进入净化设备的进口,废气经净化设备净化后,由引风机的出口排入大气,实验结果列于表6。当总挥发性有机物(TVOC)的质量分数w(TVOC)约为5×10-4时,废气的净化效率可高达91%,当ϕ(TVOC)高达1%时,废气的净化效率仍有40%～50%。

图14 500m3/h填料式光催化气体净化设备照片Fig.14 A photo of 500 m3/h fler photocatalytic gas purifer

催化剂寿命实验在浦东黎明垃圾填埋场进行。净化设备的进口连接到垃圾填埋场的一个排气管。运行方式为24h不间断运行。黎明垃圾填埋场于2010年封场。封场前,进入黎明垃圾填埋场的垃圾,是经过美商国际集团有限公司把有机物分拣后的无机垃圾,因此通过垃圾填埋场排气管的有机废气含量低,选取氨气为检测气体的实验结果示于图15。结果表明,前8个月内净化设备运行稳定,氨气降解效率在60%～80%之间。由于紫外灯的寿命,10个月后降解效果开始迅速下降。

表6 500 m3/h的填料式光催化气体净化设备的气体净化实验结果Tab.6 Test results of 500 m3/h fler photocatalytic gas purifer

图12的结果表明,在高污染物浓度的条件下,与空气中水分的吸附相比,污染物在光催化剂表面的吸附占主要地位,减少了羟基自由基的生成,从而降低了光催化活性。这一现象也称为光催化的饱和现象[2],如图16所示。光催化的饱和现象也是净化设备的设计需要考虑的一个重要因素。当污染物的浓度高于光催化饱和浓度时,净化设备的设计需要考虑气体的停留时间。苯、甲苯、甲醛、氨气的光催化饱和浓度值列于表7,甲醛的光催化饱和浓度较高,为720 mg/m3;苯的光催化饱和浓度较低,为0.063 mg/m3。

图15 500 m3/h填料式光催化气体净化设备的催化剂寿命实验Fig.15 Life time test of 500 m3/h fler photocatalytic gas purifer

图16 光催化的饱和现象Fig.16 Illustration of saturation behavior in photocatalysis

表7 苯、甲苯、甲醛、氨气的光催化饱和浓度Tab.7Saturation concentration of benzene,toluene, formaldehyde and ammonia

图13的结果表明,光催化净化有最佳的相对湿度,在过低和过高的相对湿度下,光催化净化效率都较低。由于环境的相对湿度随季节和天气的变化很大,所以光催化净化设备的稳定性差,是限制光催化气体净化应用的一个关键因素。针对多晶纳米TiO2在光催化过程中的这一缺陷,通过复合的方法对其性能进行了改进。改进后的光催化剂在相对湿度只有25%的空气中对苯的降解效率仍可达到95%以上,且运行稳定;即使在干燥的空气里,其降解效率也在85%以上,如图17所示。改进后的多晶纳米二氧化钛可使光催化气体净化设备在干燥的条件下稳定运行。

图17 干燥条件下复合改性的多晶纳米二氧化钛光催化降解苯的实验结果[10]Fig.17 Photodegradation of benzene in dry air and N2by modifed nano-TiO2

4 结论

火焰CVD法制备的多晶纳米二氧化钛,当金红石质量分数在20%～40%时,光激电子和空穴的分离效率高,有很好的光催化活性。复合方法改性的多晶纳米二氧化钛,在干燥条件下,有很好的光催化活性,可使光催化气体净化设备在干燥的条件下稳定运行。模块式的填料光催化净化设备运行简单、维修方便、净化效率高,有利于标准化与系列化。当污染物浓度超过光催化饱和浓度时,净化设备的设计需要考虑净化气体的停留时间。

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Mixed Crystal Structures of Nano TiO2by Flame Chemical Vapor Deposition Process and Applications in Photocatalytic Gas Purifcations

XIE Hong-yong,MA Chang-wen,SUN Zhi-guo,GAO Gui-lan,BING Nai-ci,TIAN Zhen ZHU Lu-ping,Wang Ling-ling,YANG Dan-dan,CHEN Sheng-wen
(School of Urban Development and Environmental Engineering,Shanghai Second Polytechnic University, Shanghai 201209,P.R.China)

Progress achieved by the authors in recent years on synthesis of mixed crystal structures of TiO2nanoparticles by fame chemical vapor deposition(CVD)process of the oxidation of titanium tetrachloride(TiCl4)in industry propane/air turbulent fame and on applications in photocatalytic purifcation of gas pollutants have been summarized.Effects of reactor heat fux on temperature profles and rutile fraction of mixed crystal structures of TiO2nanoparticles,and effects of rutile fraction on the separation of electronhole pairs based on PL intensities have been summarized.Photodegradation of volatile organic compounds and ammonia are studied by using a tubular photoreactor.Effects of initial concentration and relative humidity on degradation effciency have been investigated experimentally and optimum rutile fraction for photodegradation effciency has been examined.Nano TiO2has been successfully modifed to achieve high photodegradation effciency at low relative humidity or even in dry air.Tests on purifcation effciency and lifetime of a 500 m3/h modular fler photocatalytic gas purifer have been performed,and effects of photocatalytic saturation behavior on design of gas purifer have been discussed.

photocatalysis;mixed crystal nano TiO2;fler gas purifer;relative humidity;photocatalytic saturation behavior

X511

:A

1001-4543(2014)01-0018-14

2013-08-03;

2014-03-06

谢洪勇(1961–),男,辽宁凤城人,教授,博士,主要研究方向为纳米材料和环境工程,电子邮箱hyxie@sspu.edu.cn。

上海市教委创新项目(No.07ZZ180)、上海市教育委员会重点学科建设项目(No.J51803)