大气中挥发性有机物的污染现状与光催化处理技术研究

宋璐璐

（晋能控股煤业集团环境督查大队，山西 大同 037001）

0 引言

挥发性有机物（VOCs）是大气污染当中最重要的一种成分，其不仅对生态系统有着恶劣的影响，还会对人体产生严重的危害，因此加大对大气中VOCs 的治理也是当前环保事业推行的重要部分[1]。现阶段，光催化技术是大气中VOCs 去除的主要手段，但同种催化剂在不同区域的VOCs 去除过程中有着不同的效果，因此根据VOCs 成分科学地制备催化剂也是提高光催化处理效率的关键所在。

1 某地区大气中VOCs 的污染现状

VOCs 是影响大气质量的关键因素，本次调查取某地区大气样本进行测验，分析其中VOCs 成分，经过研究发现该地区大气样本中VOCs 成分主要以芳香烃为主，经过对地方生产企业探究发现，该地区的各类工业企业均是产生VOCs 的源头，其中某企业内部大气中各污染源总挥发性有机物（TVOCs）浓度最高。因此，大气VOCs 污染治理也成为该地方政府环保事业推行的首要工作。

2 TiO2/ACF 复合光催化剂的合成

由上文可知，该地区某企业是VOCs 产出的主要源头，其中VOCs 中以芳香烃为主。因此本次光催化降解主要以甲苯作为目标化合物。

2.1 复合光催化剂的配制

本次光催化剂主要采用TiO2，为了提高催化效果，利用碳纳米材料活性炭纤维（ACF）对其进行改性处理，形成复合光催化剂，这不仅能够提高光催化过程中催化剂的吸附能力，实现催化效率的提升，还能解决TiO2粉体分布杂乱的问题[2]。复合光催化剂的合成步骤如下：

2.2 对ACF 进行预处理

取规格为10 cm×10 cm，厚度1 mm 的AFC 置于超纯水当中，利用超声波清洗装置清洗10 min，去除其中纤维碎片。之后将其放置于干燥箱中，温度设置为100 ℃，干燥时间3 h。后依次将其放置于0.5 mol/L的氢氧化钠、0.5 mol/L 的稀盐酸中，浸泡0.5 h，每次浸泡完成后均需要利用超纯水进行清洗，并利用镊子将其中水分压干。最后放置于超纯水中，利用超声波清洗装置清洗20 min，后放入干燥箱当中进行干燥，干燥时间24 h，干燥温度120 ℃。

2.3 配制TiO2 溶液

配制质量分数为1%～5%的TiO2溶液，溶液配制完成后需要进行至少3 h 的搅拌和1 h 的超声波振荡，确保所配制的TiO2溶液稳定。

2.4 配制磷酸铝（AlPO4）溶胶

以水浴加热的方式将磷酸温度升至80 ℃，之后加入氢氧化铝并不断搅拌，直至形成AlPO4胶体形态，之后在其中加入超纯水便可得到AlPO4溶胶。

2.5 配制TiO2/ACF 复合光催化剂

将第一步制备的ACF 进行浸渍处理，将其放入AlPO4溶胶中匀速缓慢提拉，之后将其在120 ℃干燥机内干燥20 min，之后再次按上述步骤根据要求进行多次浸渍，在浸渍完成后在120 ℃干燥机内干燥6 h，后取出在室温环境下冷却，便可得到TiO2/ACF 复合光催化剂。

3 TiO2/ACF 复合光催化剂VOCs 治理效果研究

3.1 光催化实验装置

光催化反应装置包含4 个方面，分别为其他发生系统、温度控制系统、光催化系统以及检测系统。其中气体发生系统主要为SPG-ATO1 甲苯发生器，以此来实现对甲苯浓度的控制；反应系统包含有紫外线灯以及装有TiO2/ACF 复合光催化剂的石英管；检测系统为气象色谱仪；温度控制系统包含有气路所缠绕的加热带，确保管内温度高于120 ℃以上，以此来避免甲苯冷凝造成测量结果误差。

3.2 TiO2/ACF 复合光催化剂VOCs 治理效果分析

3.2.1 浸渍次数对TiO2/ACF 复合光催化剂性能的影响

在配制质量分数3%TiO2时，在TiO2/ACF 复合光催化剂过程中分别浸渍1～5 次，浸渍时间控制为30 min，开启紫外线灯，进行甲苯去除实验，具体结果如图1 所示。

图1 不同浸渍次数下TiO2/ACF 复合光催化剂甲苯去除效果

由图1 可知，随着浸渍次数的逐步增多，甲苯去除率呈现先增大后减小的趋势，其中浸渍3 次TiO2/ACF 复合光催化剂在甲苯去除过程中效果最佳。出现此种情况的主要原因在于在浸渍1～3 次时，随着浸渍次数的增大，ACF 上的TiO2含量增大，这也使光催化效率有了进一步的提升。直到浸渍4 次、5 次时，虽然ACF 上的TiO2含量还在持续增多，但TiO2出现了严重的团聚现象，进而导致催化剂与甲苯接触的表面积并没有增大，并且由于TiO2含量过高，ACF上对甲苯的吸附位点也相对较少，进而影响甲苯的去除效率，因此在浸渍4～5 次时，甲苯去除率越来越低。

3.2.2 浸渍时间对TiO2/ACF 复合光催化剂性能的影响

在配制质量分数3%TiO2，浸渍次数为3 次的基础上，将浸渍时间作为研究变量，分别为10、20、30、40、50 min，分析TiO2/ACF 复合光催化剂VOCs 治理效果，具体结果如图2 所示。

图2 不同浸渍时间下TiO2/ACF 复合光催化剂甲苯去除效果

由图2 可知，随着浸渍时间的增长，TiO2/ACF 复合光催化剂在甲苯去除方面的效果先增后减，在浸渍20、30 min 时，TiO2/ACF 复合光催化剂具有良好的催化效果。出现此种情况的原因与上述浸渍次数对TiO2/ACF 复合光催化剂性能影响原理相同，随着浸渍时间的增加，光催化反应活性中心数数量越少，进而导致光催化性能降低。

3.2.3 TiO2浓度对TiO2/ACF 复合光催化剂性能的影响

在TiO2/ACF 置备过程中，ACF 上的孔隙会被TiO2占据，进而对其催化效能产生影响，因此通过不同浓度的TiO2溶液进行实验分析，结果如图3 所示。

图3 不同TiO2 浓度下TiO2/ACF 复合光催化剂甲苯去除效果

由图3 可知，在180 min 以内紫外线灯未开启状态下，经过1%、2%TiO2[1%、2%均为w（TiO2）的值]配制的TiO2/ACF 复合光催化剂甲苯去除效果较高，但从整体来看1%～5%溶液质量分数下甲苯去除率相差较小，并且此段时间内处理效果均达到了70%以上。在180 min 开启紫外线灯后，在质量分数为3%的TiO2溶液中配制TiO2/ACF 复合光催化剂在去除甲苯过程中效率明显最高。

4 VOCs 实践去除效果分析

4.1 试验装置设计

本次测验主要是为了验证TiO2/ACF 复合光催化剂在大气VOCs 方面的去除效果，由于该区域VOCs的产生主要源头为某企业区域，因此整个装置设置在该企业区域内部。

试验装置为圆筒形，气体由下向上，整个装置下部设置有两层过滤网，第一层主要为过滤棉，第二层为玻璃纤维，以此来过滤大气内部较大的灰尘颗粒。TiO2/ACF 复合光催化剂用铁丝固定在第二层过滤网上部，固定方式为螺旋式结构，螺旋内部设置有一根波长为180～365 nm 的紫外线灯管，以此来增大VOCs与TiO2/ACF 复合光催化剂的反应时间。在TiO2/ACF复合光催化剂螺旋片上部安装风机，作为空气流动净化动力。整个装置设计处理气量为800 m3/h，气体流速为0.2 m/s。试验选用在质量分数3%TiO2溶液中浸渍3 次，浸渍时长20min 的TiO2/ACF 复合光催化剂。

4.2 试验初始条件

在装置设置完成后，采集装置进风口大气，对其中的成分进行测定，具体VOCs 中各成分质量分数为：苯32.15×10-9、甲苯40.73×10-9、二甲苯58.29×10-9、乙苯29.64×10-9、苯乙烯23.13×10-9、1，3，5-三甲基苯40.11×10-9、1，2，4-三甲基苯35.72×10-9、1，2，3-三甲基苯30.96×10-9、TVOCs2 461.37×10-9。

去除率计算公式为式（1）：

式中：η 代表VOCs 的治理效率；w0代表初始VOCs 质量分数；Ct代表在t 时VOCs 质量分数。

4.3 实验结果分析

打开风机，待装置稳定运行后计时，并在10、20、30、40、50、60 min 时取装置出气口气体样本，检测其中VOCs 中各成分含量，以此为基础计算VOCs 中各成分去除率，具体结果如图4 所示。

图4 TiO2/ACF 复合光催化剂对VOCs 治理效率

由图4 可知，随着处理时间的不断延长，出气样本中VOCs 各成分含量逐步降低，其中在处理60 min后，甲苯去除率最大为57.93%，1，2，4-三甲基苯去除率最低为50.35%，由此可见TiO2/ACF 复合光催化剂具有良好的VOCs 治理效果。

5 结语

1）对某地大气VOCs 污染情况进行分析，发现其中VOCs 成本主要以芳香烃为主。

2）利用浸渍法配制TiO2/ACF 复合光催化剂，配制过程中将TiO2溶液浓度、浸渍次数、浸渍时间作为变量，其中溶液质量分数控制为1%～5%，浓度变化梯度为1%，浸渍次数1～5 次，浸渍时间为10～50 min，时间梯度为10 min。

3）利用控制变量法分析TiO2/ACF 复合光催化剂对甲苯的去除效果，其中发现在TiO2质量分数3%TiO2溶液中浸渍3 次，浸渍时长20 min 时去除甲苯效果最佳。

4）对某地区区域大气VOCs 进行治理，试验结果表明，TiO2/ACF 复合光催化剂具有良好的大气VOCs治理效果，其中VOCs 各组分去除率均在50%以上。