载银活性炭负载TiO2对甲醛的吸附降解性能研究

段 琼，付正详，邱 梅

（四川工商职业技术学院，四川 都江堰 611830）

载银活性炭负载TiO2对甲醛的吸附降解性能研究

段 琼，付正详，邱 梅

（四川工商职业技术学院，四川 都江堰 611830）

以载银活性炭颗粒负载TiO2作催化剂, 在紫外光照射下降解甲醛气体, 考察了微波特殊场处理、紫外光光强、TiO2负载量及反应时间等主要因素对甲醛光催化降解率的影响，并考察了催化剂在反复使用后的失活情况。

甲醛； 光催化；微波；载银活性炭；TiO2

室内空气污染已经成为世界各国广泛关注的环境问题,甲醛是典型的室内空气有机污染物之一，主要来源于室内装饰装修材料、家具和涂料等，已经被世界卫生组织确定为致癌物和致畸物。常用的甲醛去除方法一般为吸附法、涂覆法、光触媒催化法、化学喷雾专业药剂等，但都有一定的局限性。本文以载银活性炭（ACF-Ag）为载体[1-4]制备TiO2-ACF-Ag催化剂，研究了催化剂TiO2-ACF-Ag对甲醛吸附与降解性能的影响因素。

1 实验

1.1 原料

载银活性炭，纳米二氧化钛粉末(Deggusa P-25)，甲醛(分析纯)。

1.2 TiO2-ACF-Ag催化剂的制备

所用载银活性炭（粒径0.15mm）使用前于150℃下活化2h。将一定量的TiO2粉末用少量蒸馏水拌匀，制得TiO2悬浮液。将制得的悬浮液涂抹到ACF-Ag表面，形成薄膜，风干10min 后重复涂抹（约2～3次）得到TiO2- ACF-Ag薄膜。

烘干法:将TiO2-ACF-Ag薄膜于烘箱中在105℃下烘2h后，冷却至室温，制得TiO2-ACF-Ag光催化复合材料，置于干燥器中备用。

微波法:将TiO2- ACF-Ag薄膜在600W的功率下辐射10min制得TiO2-ACF-Ag光催化复合材料,置于干燥器中备用。

2 结果与讨论

2.1 TiO2负载量和制备方法对甲醛去除率的影响

2.1.1 烘干法

图1 TiO2负载量对烘干样品甲醛去除率的影响

TiO2负载在ACF-Ag上势必会影响ACF-Ag的吸附特性，为了掌握TiO2负载量对ACF-Ag吸附性能的影响，进行了几组实验，结果如图1所示。图1给出的是烘干法制备时TiO2负载量对甲醛去除率的影响。实验条件为:紫外光源40W，温度25℃，湿度40%，甲醛初始浓度为80 mg·m-3。由图1可以看出，复合材料TiO2-ACF-Ag对甲醛的光催化降解能力随TiO2的负载量呈先增大后减小的趋势，当负载量达3.5g·g-1时，其净化甲醛的能力达到最大。这主要是由于少量TiO2附着在ACF-Ag上时，ACF-Ag的物理吸附起主要作用，后随TiO2量的增多，光催化作用充分发挥出来；当TiO2太多时，颗粒聚集，既堵塞了ACF-Ag的孔隙，使ACF表面积急剧减小，又因相互间遮光影响光催化效果。实验得出的最佳负载量为3.5g·g-1左右，这与之前研究结果[5]基本吻合。但催化剂的甲醛去除率较之前研究结果略高，这可能与活性炭载银的某些特殊性有关[6]。

2.1.2 微波法制备的TiO2- ACF-Ag催化剂

图2给出的是微波法制备时TiO2负载量对甲醛去除率影响和烘干法制备时甲醛去除率影响的对比。2种方法实验条件相同。从微波法的曲线可以看出，TiO2负载量对甲醛去除率的影响趋势线与烘干法基本相同，但微波法制备的样品净化甲醛能力的最大值出现在4g·g-1左右，比烘干法的负载量大。同时，相同负载量时，微波法制备的催化剂的甲醛去除率比烘干法催化剂略高，这可能是由于微波特殊场的处理能够增大活性炭的表面积[7]，从而增大TiO2负载量，增强吸附作用。以下实验均为微波法制备的4g(TiO2)/g(ACF-Ag)样品。

图2 TiO2负载量对微波法和烘干法的甲醛去除率的影响对比

2.2 紫外灯强度对甲醛去除率的影响

图3 光强对甲醛去除率的影响

图3的实验结果说明，反应120min时开1支（20W）和2只(40W)紫外灯甲醛的去除率分别为90.91%和98.77%，紫外光的增强使催化剂对甲醛的去除率有一定程度的提高，这是因为光反应的活化能来源于光子的能量，光子的吸收与光强成正比，光催化反应速率随光强而增加，入射光源功率越大，光子越强，光催化效率越高。但甲醛的去除率并不随光强的增加成倍增大，这可能跟催化剂的活性位有关。以下实验均开启2只紫外灯，功率选择40W。

2.3 反应时间对甲醛去除率的影响

反应时间对甲醛去除率的影响见图4。由图4可知, 在反应初期甲醛的去除率上升得比较快, 80min时已达到92.14%。随着时间的延长, 甲醛去除率的上升越来越慢, 120min时反应基本停止, 最终甲醛去除率只能达到98.77%。究其原因可能是:首先, TiO2的催化反应只发生在与其直接接触的污染物表面， 在甲醛降解反应后期过多反应产物会附着在催化剂表面， 阻碍催化剂与甲醛的直接接触，造成催化剂失活；随着反应的进行，活性炭的空隙也会被反应产物和水分堵塞，使其对甲醛的吸附聚集作用逐渐减弱。其次， 随着甲醛浓度的降低， 甲醛从气相主体向催化剂表面的传质扩散和吸附成为控制反应进程的主要影响因素[8]， 极低浓度的游离甲醛分子很难被TiO2全部吸附到表面， 反应无法进行到底。

图4 反应时间对甲醛去除率的影响

2.4 光催化剂的失活与再生

重复使用次数对甲醛去除率的影响见图5。从图5可以看出，反复使用5次后，催化剂对甲醛的去除率仍可以达到82%，保持了较高的催化效果；第6次使用后，催化效果有明显减弱，甲醛的去除率降到63%。这是由于反应副产物、中间产物及最终产物（水和二氧化碳分子）在催化剂表面吸附或积累，封锁活性位， 阻碍·OH和·O自由基的生成。同时，光催化氧化反应的关键是实现光生电子和空穴的有效分离，并且迁移至表面的空穴被捕获生成具有强氧化性的羟基自由基，从而把有机污染物氧化为CO2和H2O等无害物质。因而在光催化甲醛氧化反应中，随着羟基自由基数量的减少，一定程度上会降低光催化剂活性。

图5 重复使用次数对甲醛去除率的影响

3 结论

1) 烘干法制备的TiO2-ACF-Ag催化剂担载量为3.5g·g-1时，其净化甲醛的能力最大，而微波法制备的催化剂担载量为4g·g-1左右时最大。且由于微波特殊场的作用，微波法制备的催化剂去除甲醛的能力略高于烘干法制备的催化剂，故制备催化剂时，微波法优于烘干法。

2)增大紫外光的光强，可以提高甲醛的去除率。当反应120min后，紫外光从20W增大到40W时，甲醛去除率增大了8%。

3)随着反应时间的延长, 甲醛去除率上升幅度逐渐减小，120min达98.77%后反应保持不变,甲醛最终无法被彻底清除。

4)催化剂在连续使用一段时间后， 光催化降解甲醛过程中， 会产生催化剂失活现象。重复使用次数控制在5次以内，对甲醛的去除率不会有明显的下降。

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[8] 杨庆，郭奋，邢颖，等.TiO2多孔性薄膜光催化降解低浓度甲醛[J].环境科学，2005，26(4):35-39.

Adsorption and Degradation Properties of TiO2-ACF-Ag for Formaldehyde

DUAN Qiong, FU Zheng-xiang, QIU Mei
(Sichuan Technology & Business College, Dujiangyan 61183 0, China)

Adsorption and degradation properties of TiO2-ACF-Ag under UV-light was studied. The main controlling factors which affected the degradation rate of formaldehyde such as the microwave irradiation, the intensity of UV-light, the capacity of TiO2loaded and the reactive time were discussed. Then the deterioration of the catalyst activity after long term of use was obvious.

formaldehyde; photocatalytic; microwave irradiation; activated carbon with silver; titanium dioxide

O 647.32

A

1671-9905(2015)04-0020-03

2015-02-02