董冰岩,施志勇,何俊文,王晖,周海金,张鹏,聂亚林
脉冲放电等离子体协同Mn/TiO2-分子筛、Fe/TiO2-分子筛、Cu/TiO2-分子筛催化剂降解甲醛
董冰岩1,2,施志勇1,何俊文1,王晖1,周海金1,张鹏1,聂亚林1
(1江西理工大学资源与环境工程学院,江西赣州 341000;2江西省矿冶环境污染控制重点实验室,江西赣州 341000)
为进一步提高脉冲放电等离子降解甲醛的效率,增加CO2选择性,降低O3产生量,研究采用放电等离子体和催化剂协同技术。实验以分子筛为载体,分别制备了Mn/TiO2-分子筛、Fe/TiO2-分子筛和Cu/TiO2-分子筛3种催化剂,并利用XRD、SEM、EDS、FT-IR方法对催化剂进行表征分析。进行了脉冲放电等离子体协同3种催化剂降解甲醛的研究,比较了不同催化剂协同等离子体对甲醛去除率、CO2选择性、O3产生量的影响。结果表明,3种催化剂与脉冲放电等离子体都存在协同作用,并能有效地提高甲醛去除率,增加CO2选择性,降低O3产生量。当脉冲电压为20kV、放电频率为40Hz、气体流量为0.5L/min时,Mn/TiO2-分子筛催化剂协同效果最佳,甲醛去除率为94.4%,CO2选择性为42.2%。催化剂表征结果显示Mn/TiO2-分子筛的活性组分颗粒分布均匀,锐钛矿相的TiO2和微晶状态的MnO的存在有效促进了甲醛的氧化分解。研究还对放电等离子体协同Mn/TiO2-分子筛催化剂降解甲醛的机理进行了探讨。
脉冲放电等离子体;TiO2-分子筛; 催化剂;甲醛;协同作用
挥发性有机物(VOCs)排放在大气中将影响人类的健康和破坏环境,甲醛作为VOCs中的典型代表,主要来源于建筑材料和化学工业中,长期接触可引起恶心、鼻炎、支气管炎和结膜炎等[1]。近些年来,放电低温等离子体协同催化剂降解VOCs成为一种新兴的环保技术,引起了很多研究者的兴 趣[2-6],采用催化剂可有效地主导反应方向,克服单独等离子体CO2选择性低和副产物较多的缺陷。张玮等[7]选择了不同介电常数的BaTiO3和CaTiO3催化剂填充在等离子体管中,结果发现介电常数较高的BaTiO3的甲苯去除率、碳平衡更高,而其对O3去除和CO2选择性几乎没作用。竹涛等[8]用复合型催化剂填充在等离子体反应器中,极大地提高了甲苯降解率,增加了能量效率,有效地加强了对臭氧的控制效果。陈砺等[9]得出在TiO2/γ-Al2O3上掺杂Mn元素,可以进一步提高等离子体-光催化作用效果和产物选择性。关绣娟等[10]研究了等离子体协同Mn、Fe、Ti、Co、A1和Cu的氧化物对甲苯的去除和分解O3的能力,发现甲苯的去除率与催化剂分解O3的能力一致。催化剂对O3的分解活性跟比表面积、晶体结构以及催化剂表面活性有关。Kim 等[11]在低温等离子体中加入光催化剂Ag/TiO2,发现Ag催化剂能够提高副产物CO2的选择性。
目前全面研究放电等离子体协同催化剂对有害物的去除率、CO2选择性和O3产生量的影响还比较少,为进一步提高甲醛去除率,增加CO2选择性,降低O3产生量,本文研究了脉冲放电等离子体协同催化剂降解甲醛,实验采用溶胶凝胶法和浸渍法制备了TiO2-分子筛复合载体及复合载体负载过渡金属元素(Mn 、Fe 和Cu)的催化剂,并用XRD、SEM、EDS、FT-IR 方法对催化剂进行表征分析,比较了不同催化剂对甲醛去除率、CO2选择性、副产物O3产量的影响,研究还提出等离子体协同Mn/TiO2-分子筛催化剂降解甲醛的机理。
试剂:5A分子筛,直径3~5mm球形颗粒,分析纯;甲醛、无水乙醇、冰乙酸、硝酸锰、硝酸铁和硝酸铜均为分析纯;钛酸四丁酯为化学纯。
仪器:AUY220型电子分析天平,KH5200V型超声波清洗器,CJJ-931(HJ-6)型磁力加热搅拌器,DHG-9140A型电热鼓风干燥箱,SHF·M25/10·a型马弗炉,XL30W/TMP扫描电子显微镜( SEM )及EDS能谱仪,丹东方圆公司的XRD-2700型X射线衍射仪( XRD),AVATAR370傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR)。
采用溶胶凝胶法制备TiO2溶胶。在室温下将17mL钛酸四丁酯加入到30mL无水乙醇中,搅拌30min,得到溶液A。将30mL无水乙醇、1.5mL去离子水和1mL冰乙酸充分混合,得到溶液B,置于分液漏斗中备用。磁力搅拌下,将溶液B缓慢滴加到溶液A中,得到均匀透明的TiO2溶胶。
取研磨40~60目的5A分子筛颗粒放入干燥箱中110℃烘干5h,马弗炉500℃焙烧3h,得到活化后的分子筛。将TiO2溶胶与活化后的分子筛颗粒按照1∶1.5的质量比混合均匀,搅拌浸泡一段时间,干燥箱110℃烘干5h,马弗炉500℃焙烧3h,得到TiO2-分子筛。
催化剂制备采用传统浸渍法,将Mn(NO3)2溶液、Fe(NO3)3·9H2O晶体和Cu(NO3)2·3H2O晶体按照Mn∶Ti、Fe∶Ti、Cu∶Ti摩尔比均为5∶100的比例配成浸渍液,加入TiO2-分子筛复合载体,浸渍24h,干燥箱110℃烘干5h,500℃焙烧3h,冷却后即可制得5%Mn/TiO2-分子筛、5%Fe/TiO2-分子筛和5%Cu/TiO2-分子筛催化剂。
催化剂的表面形貌、颗粒大小与形状通过SEM进行观察,表面元素分析通过EDAX进行测定,物相组成、晶粒大小与分散度通过XRD仪进行测试,负载前后物质表面的官能团变化、分子结构通过FT-IR进行分析。
实验装置如图1所示。实验流程由气体发生、气体反应、气体检测3部分组成。空气由空气钢瓶或气泵进入管路,经过缓冲瓶、质量流量计后分流:一路鼓入甲醛溶液的广口瓶中,带动甲醛气体分子的挥发进入混合瓶;另一路直接进入混合瓶,当两路气流在混合瓶混合趋于稳定后,进入脉冲放电等离子体反应器。实验在常温常压条件下进行,控制甲醛初始浓度为270mg/m3,气体流量为500mL/min进入到等离子体反应器中。
1—空气钢瓶;2—缓冲瓶;3—甲醛溶液;4—恒温水浴;5—混合瓶; 6—脉冲放电反应器;7—质量流量计;8—逆止阀;9—脉冲电源; 10—示波器;11—气相色谱仪
本实验采用多针-板脉冲放电等离子体反应器,反应器结构如图2所示。反应器外筒由石英玻璃制成,其内径为60mm,有效长度为150mm。7根针尖半径为0.5mm的针电极均匀布置在圆形板上,接地极为均匀多孔的不锈钢板。正高压脉冲电源的电压从0~60kV连续可调,脉冲上升前沿时间小于100ns,频率从0~300Hz可调,脉冲成形电容p为1.0nF。利用电压探头(TeK P6015A)、电流探头(PEARSONTM,mode411)和数字储存示波器(Agilent DSO-X-3054A)对放电参数进行观测。利用安捷伦气相色谱仪(GC 7890A)跟踪监测放电前后甲醛、CO2、CO的浓度,JSA8型便携泵吸式臭氧检测仪检测O3产生量。
甲醛去除率()计算如式(1)。
式中,为甲醛去除率,%;0为甲醛的进口浓度,mg/m3;1为甲醛的出口浓度,mg/m3。
CO2选择性(CO2)计算如式(2)。
式中,[CO]为反应后CO的浓度,mg/m3;[CO2]为反应后CO2的浓度,mg/m3。
图3显示了不同催化剂对甲醛去除率的影响。由图3可知,随着脉冲电压的升高,甲醛去除率也相应提高,这是因为脉冲电压上升,放电区所产生的高能电子数目增多,高能电子对甲醛、空气的碰撞产生·O、·OH、HO2·等自由基,正是这些高能自由基的存在,甲醛分子被分解成了CO、CO2和H2O。
不同催化剂对甲醛去除率的顺序为:Mn/TiO2-分子筛>Cu/TiO2-分子筛>Fe/TiO2-分子筛>单独脉冲放电(无催化剂)。催化剂的加入显著地提高了甲醛去除率,其中尤以Mn/TiO2-分子筛催化剂协同效果最佳,当脉冲电压为20kV、放电频率为40Hz、气体流量为0.5L/min时,甲醛去除率达到最高的94.4%,而单独等离子体仅为83.5%。这是因为微晶态的MnO2分解臭氧,产生活性氧自由基;锐钛矿的TiO2晶格中含有较多的缺陷和缺位,受低温等离子体激发形成大量的电子空穴对,电子空穴参与反应,产生大量活性物种[12],能够氧化分解吸附在催化剂表面的甲醛分子,因此去除率最高。
在脉冲放电反应中,O3的产生主要是由于空气中的O2和等离子体产生的·O结合形成的,虽然能氧化有机物和CO,但实际上O3的氧化活性并不高,相反多余的O3释放到空气中会造成二次污染。因此,利用O3的氧化作用消除多余的O3污染是等离子体应用研究亟待解决的问题之一。
图4显示了不同催化剂对O3浓度产量的影响。由图4可知,在单独等离子体时,随着电压的升高,O3浓度迅速增加。但是加入催化剂以后,O3的浓度得到了控制,其中Mn/TiO2-分子筛催化剂对O3的分解最为明显,能够有效地控制O3的产量。这是因为吸附在催化剂表面的O3被MnO2分解成表面活性氧原子和自由氧分子,这些活性粒子与CO和HCHO发生反应,不仅提高了甲醛去除率,同时也把CO氧化成了CO2,增加了CO2选择性。不同催化剂O3产量大小顺序为:Mn/TiO2-分子筛<Cu/TiO2-分子筛<Fe/TiO2-分子筛<单独脉冲放电(无催化剂)。
图5显示了不同催化剂对CO2选择性的影响。由图5可知,随着脉冲电压的升高,CO2选择性并没有随之提高,但是添加催化剂后,CO2选择性得到了显著的提高。这说明CO2选择性与脉冲电压无关,与催化剂的种类有关。
不同催化剂对CO2选择性的顺序为:Mn/TiO2-分子筛>Fe/TiO2-分子筛>Cu/TiO2-分子筛>单独脉冲放电(无催化剂)。其中Mn/TiO2-分子筛催化剂对CO2选择性最好,当脉冲电压为20kV、放电频率为40Hz、气体流量为0.5L/min时,CO2选择性达到42.2%,单独等离子体仅为24.1%。
(1)分子筛负载Ti、Mn的衍射谱图 催化剂活性组分的晶相与价态对催化剂活性有重大影响。实验对分子筛载体及其负载Ti、Mn催化剂进行了XRD表征,如图6所示,分子筛载体有分子筛的 晶型峰(2=7.18°、21.66°、23.98°、27.1°、29.92°;PDF 77-1335),而负载Ti、Mn后依然存在,不过衍射角度有微弱偏移,强度也相对减弱,说明负载活性物质以后,分子筛的主体晶型没有发生变化,仍然保持完好的有序孔道结构。TiO2/分子筛、Mn/TiO2-分子筛催化剂出现的是锐钛矿型的TiO2特征峰(2=25.36°;PDF 21-1272),其催化活性较金红石、锐钛矿都要高,而且锐钛矿TiO2晶格中含有较多的缺陷和缺位,能够提高电子迁移速率,有助于催化氧化甲醛,不过负载Mn以后TiO2强度有所减弱,可能是Ti、Mn之间的相互作用引起的。Mn/TiO2-分子筛催化剂存在MnO2特征峰(2=32.64°、52.68°;PDF 72-1982)和Mn3O4特征峰(2=38.09°、71.16°;PDF 75-1560),等离子体协同下Mn氧化物的多种价态有利于甲醛的去除,并且微晶状态的活性组分MnO具有更高的催化活性。
(2)Mn/TiO2-分子筛、Fe/TiO2-分子筛、Cu/TiO2-分子筛催化剂的XRD图 图7是Mn/TiO2-分子筛、Fe/TiO2-分子筛、Cu/ TiO2-分子筛催化剂的XRD衍射谱图,由图7可知,3种催化剂均出现了分子筛的晶型峰(2=7.18°、21.66°、23.98°、27.1°、29.92°;PDF 77-1335),衍射峰角度、强度有稍微差异。说明负载不同的活性物质后,分子筛还是保持了以前的主体晶型,孔道结构仍然保持良好。3种催化剂均有锐钛矿型的TiO2特征峰(2θ=25.36°;PDF 21-1272),其较高的电子迁移速率可以提高催化剂的催化活性。一般认为:晶态中锐钛矿型比金红石型的光催化效果要好[13]。Mn/TiO2-分子筛催化剂存在MnO2特征峰(2= 32.64°、52.68°;PDF 72-1982)和Mn3O4特征峰(2=38.09°、71.16°;PDF 75-1560),等离子体协同下Mn氧化物的多种价态有利于甲醛的去除,并且微晶状态的活性组分MnO具有更高的催化活性。Fe/TiO2-分子筛催化剂存在FeO特征峰(2=41.52°;PDF 74-1886),推测晶相的FeO起催化活性作用。Cu/TiO2-分子筛催化剂存在CuO特征峰(2=35.56°、38.78°;PDF 74-1886),推测晶相的CuO起催化活性作用。
图8是5A分子筛、Mn/TiO2-分子筛、Fe/TiO2-分筛、Cu/TiO2-分子筛催化剂的电镜图片。从图8中可以看出,5A分子筛表面由很多小球组成且颗粒大小比较均匀,而且颗粒之间存在很多微孔,孔隙的存在既有利于活性物质的进入,又有利于甲醛气体在分子筛表面的吸附。Mn/TiO2-分子筛催化剂表面覆盖了颗粒大小均匀的白色细小微粒,是活性物质MnO和TiO2,而且孔道结构完好,增加了活性位的点数,改善了载体的结构,有利于提高催化剂的比表面积。Fe/TiO2-分筛表面不规则,呈现团聚和结块的的现象,说明活性物质分散不均匀,影响催化剂的比表面积。Cu/TiO2-分子筛表面呈现丝状结构,说明CuO晶粒在生长中和分子筛载体结合导致分子筛的表面结构发生了变化,不利于甲醛的吸附氧化分解。
实验通过X 射线光电子能谱(EDS)对5A分子筛和Mn/TiO2-分子筛催化剂的表面元素组成进行了测定,结果如图9和表1所示。由图9和表1可知,O、Na、Mg、Al、Si 和Ca 为5A分子筛载体的元素组成,其中Al、Si、O是主要元素,活性组分Ti、Mn成功负载至5A分子筛表面。Mn/TiO2-分子筛催化剂中Mn的理论负载量为5%,表1中为3.57%,推测可能与催化剂制备过程中烘干和高温焙烧损失有关。
表1 催化剂表面元素分析
图10是分子筛、Mn/TiO2-分子筛、Fe/TiO2-分筛、Cu/TiO2-分子筛催化剂的红外光谱图。图中曲线a在3421cm−1附近的吸收峰是—OH键的伸缩振动峰,负载Mn、Fe、Cu元素后,此峰向高波数方向移动;曲线a在1662cm−1附近出现的吸收峰是 H—O—H的弯曲振动峰,负载Mn、Fe、Cu元素后,此峰向低波数方向移动;这主要与样品表面羟基和表面吸附水有关,负载元素也会与分子筛载体之间发生相互作用。
曲线a在1188cm−1处出现的是C—O键伸缩振动峰,曲线b、c、d中此峰向低波数偏移,在1160~1165cm−1处出现,这些峰的出现归因于催化剂制备过程中加入的乙醇。在945cm−1处出现Si—O键伸缩振动峰,这是分子筛的组成成分含有SiO2的原因。
曲线a在2183cm−1出现了CO2的吸收峰,可能与样品中残留的CO2有关,曲线b、c、d均未出现此峰,说明在负载Mn、Fe、Cu元素的过程中,载体经过浸渍、烘干、焙烧已经去除了残留物。
曲线b、c、d与曲线a相比,红外峰均出现了弱化、峰型变宽,说明负载元素对分子筛的结构造成了一定的影响,进入了分子筛的孔隙中,改善了载体的孔道结构,这将有利于甲醛的吸附与氧化。同时负载Mn元素的催化剂能够增加O3的活性吸附位,加强等离子体与催化剂的协同作用,提高甲醛去除率。
a—分子筛;b—Mn/TiO2-分子筛;c—Fe/TiO2-分子筛; d—Cu/TiO2-分子筛
放电等离子体协同Mn/TiO2-分子筛催化剂对甲醛的降解效果较好,这主要体现在Mn/TiO2-分子筛催化剂能够充分发挥脉冲放电产生的高能射线能量和臭氧的作用,其中能量和臭氧产生过程如式(3)~式(6)。
—→(4)
—→(5)
TiO2活性组分吸收来自放电产生的高能射线能量,产生电子空穴(e--h+),这些电子空穴能够分解吸附在催化剂表面的气态分子(O2、O3和H2O),生成活性物质对甲醛进行降解,其过程如式(7)~式(19)[14]。
—→(7)
—→(9)
—→(10)
—→(12)
—→(13)
—→(15)
—→(16)
(18)
有研究表明,MnO2活性组分对O3的分解能力较强,并且能将O3分解成活性氧原子O*,O*氧化性比O3强[15],能氧化吸附在其表面的HCHO和CO[16],如式(20)~式(24)。
—→(20)
—→(22)
—→(23)
综上所述,Mn/TiO2-分子筛催化剂在反应系统中提供了大量的·OH、、O*等高氧化活性粒子,这些活性物质将HCHO 最终分解为H2O和CO2,这样充分地发挥了脉冲放电等离子体和催化剂的协同作用,有效地提高了甲醛去除率和CO2选择性。
催化剂与脉冲放电等离子体存在协同作用,能有效提高甲醛去除率,增加CO2选择性,降低O3产生量,不同催化剂对甲醛的去除能力有很大的差异。
(1)3种催化剂的活性顺序为:Mn/TiO2-分子筛>Cu/TiO2-分子筛>Fe/TiO2-分子筛。当脉冲电压为20kV、放电频率为40Hz、气体流量为0.5L/min时,Mn/TiO2-分子筛催化剂协同效果最佳,甲醛去除率为94.4%,CO2选择性为42.2%。
(2)Mn/TiO2-分子筛催化剂的表征技术显示活性组分颗粒的均匀分布,锐钛矿相的TiO2、微晶状态的MnO的存在可促进甲醛的氧化分解,很好地证实了其催化活性较高的原因。
(3)脉冲放电等离子体场下MnO2分解O3成活性氧原子,TiO2的电子空穴分解气态分子,充分发挥脉冲放电等离子体与Mn/TiO2-分子筛催化剂的协同作用,有效地提高了甲醛去除率和CO2选择性。
[1] Salonen H,Pasanen A L,Lappalainen S,et al. Volatile organic compounds and formaldehyde as explaining factors for sensory irritation in office environments[J].,2009,6(4):239-247.
[2] 刘跃旭,王少波,原培胜,等. 催化型低温等离子体反应器净化废气研究进展[J]. 化工进展,2009,28(12):2232-2236.
[3] 张晓明,黄碧纯,叶代启. 低温等离子体-光催化净化空气污染物技术研究进展[J]. 化工进展,2010,29(7):964-967.
[4] 屈广周,李杰,梁东丽,等. 低温等离子体技术处理难降解有机废水的研究进展[J]. 化工进展,2012,31(3):662-670.
[5] 龙千明,刘媛,范洪波,等. 低温等离子体催化处理甲苯气体[J]. 化工进展,2010,29(7):1350-1357.
[6] 孙万启,宋华,韩素玲,等. 废气治理低温等离子体反应器的研究进展[J]. 化工进展,2011,30(5):930-935,996.
[7] 张玮,杨懿,王沛涛,等. 氧化物催化剂对非热等离子体催化降解甲苯的影响[J]. 环境工程学报,2013,7(7):2655-2661.
[8] 竹涛,李坚,何绪文,等. 吸附增效/催化-低温等离子体技术降解甲苯废气[J]. 高电压技术,2009(11):2764-2769.
[9] 陈砺,区瑞锟,严宗诚,等. 放电等离子体驱动下甲醛的光催化降解[J]. 华南理工大学学报:自然科学版,2011(1):68-73.
[10] 关绣娟,叶代启,黄海保. 介质阻挡放电-催化降解空气中甲苯的研究[J]. 环境工程学报,2008,2(7):977-982.
[11] Kim H H,Lee Y H,Ogata A,et al. Plasma-driven catalyst processing packed with photocatalyst for gas-phase benzene decomposition[J].,2003,4(7):347-351.
[12] 李晶欣,李坚,梁文俊,等. 低温等离子体联合光催化技术降解甲苯的实验研究[J]. 环境污染与防治,2011(3):69-73.
[13] Li X P,Zhang J B. Preparation and photocatalytic characterization of nanoporous TiO2[J].,2000,13(6):993-998.
[14] 杨建军,李东旭. 甲醛光催化氧化的反应机理[J]. 物理化学学报,2001,17(3):278- 281.
[15] Futamura S,Zhang A,Einaga H,et al. Involvement of catalyst materials in non-thermal plasma chemical processing of hazardous air pollutants[J].,2002,72:259-265.
[16] Radhakrishnan R,Oyama S T,Chen J G,et al. Electron transfer effects in ozone decomposition on supported manganese oxide[J].,2001,105(19):4245-4253.
Research of pulse discharge plasma combined with Mn/TiO2-molecular、Fe/TiO2-molecular、Cu/TiO2-molecular sieve catalysts decomposition of formaldehyde
1,2,1,1,1,1,1,1
(1Faulty of Resources and Environmental Engineering,Jiangxi University of Science and Technology,Ganzhou 341000,Jiangxi,China;2Key Laboratory of Environmental Pollution Control in Jiangxi Mining and Metallurgy,Ganzhou 341000,Jiangxi,China)
In order to further improve formaldehyde removal efficiency,increase carbon dioxide selectivity,and decrease the generation concentration of ozone in pulse discharge plasma,a method of discharge plasma combined with catalysts was adopted in this research. Molecular sieve was used as carrier,then three catalysts were prepared,i.e. Mn/TiO2-molecular sieve,Fe/TiO2-molecular sieve and Cu/TiO2-molecular sieve catalysts,which were characterized by XRD,SEM,EDS and FT-IR. Decomposition of formaldehyde in pulse discharge plasma combined with three catalysts was studied. Effects of plasma combined with different catalysts on formaldehyde removal efficiency,carbon dioxide selectivity and generation concentration of ozone were compared. The results showed that catalysts have synergistic effects on pulse discharge plasma. It could improve formaldehyde removal efficiency,increase carbon dioxide selectivity,and decrease generation concentration of ozone efficiently. Mn/TiO2-molecular sieve catalyst has the best synergistic effect with the impulse voltage of 20kV,the frequency of 40Hz and the gas flow rate of 0.5L/min,i.e. its formaldehyde removal efficiency achieved 94.4% and carbon dioxide selectivity achieved 42.2%. Characterization results showed that Mn/TiO2-molecular sieve catalyst uniform dispersion of active ingredients is as well as the existence of anatase TiO2,and microcrystalline state MnOincreased the oxidation of formaldehyde decomposition. Meanwhile,the mechanism of degrading formaldehyde in discharge plasma combined with Mn/TiO2-molecular sieve catalyst was also discussed.
pulse discharge plasma; TiO2-molecular sieve; catalyst; formaldehyde; synergistic effect
X 511
A
1000–6613(2015)09–3337–08
10.16085/j.issn.1000-6613.2015.09.020
2014-12-04;修改稿日期:2015-01-14。
国家自然科学基金(51167007)及江西省教育厅资助项目(GJJ11455)。
董冰岩(1974—),男,博士,教授,硕士生导师,从事脉冲放电低温等离子体在环境保护方面的应用及工业安全防护技术研究。E-mail dongbingyan1@sina.com。联系人:施志勇,硕士研究生,从事脉冲放电低温等离子体在大气污染治理方面的研究及催化剂的制备研究。E-mail 775844740@qq.com。