改性二氧化钛在可见光下对一氧化氮的去除效率研究

文_段军 山西省环境保护技术评估中心

1 实验部分

1.1 纳米二氧化钛的制备（表1）

表1 实验药剂

纳米二氧化钛（TiO2）颗粒制作步骤：用移液管分别移取60mL无水乙醇、20mL钛酸丁酯、24mL冰醋酸加入到250mL锥形瓶中，用恒温磁力搅拌器强烈搅拌均匀，记为A溶液。继续量取 20mL无水乙醇、15mL蒸馏水加入到 60mL的滴定管中，记为B，同样在强烈的搅拌下，以10s每滴的滴定速度向锥形瓶滴加，因为酯类物质极易强烈水解，所以需要注意的是在滴定过程中速度要慢。滴定完毕后，继续搅拌60min，得到透明的TiO2溶胶，记为C。

将得到的透明溶胶C放在密闭的棕色干燥箱内静置。24h之后取出锥形瓶，将TiO2溶胶移至坩埚内，将坩埚放置在烘箱内，设定烘箱温度为700℃，烘干8h（确保有机物完全挥发，TiO2溶胶完全干燥为固体）。

8h后将坩埚放在马弗炉内，设定温度为5000℃，3h后取出坩埚，坩埚内的固体颗粒即为纳米TiO2颗粒。将配置好的纳米TiO2颗粒进行密封不见光保存。

1.2 粉煤灰的改性

1.2.1 粉煤灰的预处理

本次实验的粉煤灰由太原第一热电厂提供。

（1）水洗

用实验室的八号筛（90±4.6μm 15目）将未经处理的粉煤灰筛至指定烧杯内，用蒸馏水洗涤粉煤灰，并用玻璃棒匀速搅拌，使粉煤灰中的杂质悬浮在上液面，静置，使粉煤灰沉底，将表面水倒至指定容器。如此反复洗涤几次直至不再有杂质浮在水面上。用抽滤机将粉煤灰中的水分抽走，将粉煤灰放置在坩埚中，放入烘箱内，设定烘箱温度为1200℃，直至粉煤灰被完全烘干后再取出。

（2）酸洗-水洗

提前配制浓度为1mol/L的盐酸，将水洗干燥后的粉煤灰用同样上述的方法进行酸洗，倒入配制好的盐酸淹没粉煤灰，用玻璃棒搅拌，然后静置，将盐酸及其洗出杂质倒至指定废酸桶，继续用同样方法进行水洗，直至倒出的液体呈中性。用同样的方法用抽滤机抽滤，1200℃条件下烘干，烘干后将坩埚中的粉煤灰放入到设定为温度5000℃的马弗炉内，煅烧时间为3h。

1.2.2 粉煤灰的成型处理

（1）粉煤灰的成型最佳调配量

分别取磷酸硅：硅酸钠：粉煤灰比例为 2：2：6、2：3：5、1：2：7,分别加入2.5mL蒸馏水，并用玻璃棒搅拌均匀呈泥状后放置在滤纸上，用小刀摊平，将其切成条状物，用手指在手掌上搓，看是否可以成型，之后再用小刀切成直径约3cm、高度约5cm的柱状物。经实验发现，只有配比为2：3：5的一组可以较好地成型，且有一定的韧性和强度，易成型且不易断裂。最终选取最佳配比，磷酸硅：硅酸钠：粉煤灰比例为2：3：5。

（2）成型煅烧

按上述调配量制成的柱状物粉煤灰放在坩埚内，放置到干燥箱中，设定温度为1200℃，烘干4h后，将坩埚取出放到马弗炉内，设定温度为5000℃，煅烧时间设为3h。3h后，将坩埚取出，待药品完全冷却后，将成型的粉煤灰放在密封袋中进行保存。

1.3 尿素为氮源的氮掺杂二氧化钛的制备

依据实验室现有的条件，为不影响实验进度，本设计选用粉体烧结法进行负载。将纳米TiO2粒子研磨成粉末后溶于醇类或水溶液中，强烈搅拌，使得载体表面吸附TiO2，在1000℃下烘干脱醇或在自然状态下风干脱水。然后在高温（5500℃）下烧结，负载完成。

本文以掺氮即尿素(Urea)研究二氧化钛在可见光区域的光催化活性。具体步骤如下：将密封袋中的粉煤灰取出32g放入烧杯中。将制好的纳米二氧化钛颗粒取出，研磨成粉末状后，加入40mL乙醇，待颗粒完全溶解后，倒入烧杯中，用玻璃棒搅拌均匀后放入坩埚中，放置烘箱，设置温度为1200℃，时间为4h。

1.4 Ti02光催化剂烟气脱氮实验

1.4.1 模拟电厂排放的一氧化氮气体

将实验室的气袋事前通入空气进行反复清洗。先通入一定量的纯NO气体，之后通入N2，将气袋进行混匀，混匀之后通入NO检测器，使得气袋混合气体保证NO浓度在1000ppm以下。实验装置如图1所示。

图1 二氧化钛光催化烟气脱硝试验装置

1.4.2 实验过程

将混气袋中气体和空气按1：9比例通入混气瓶中，至混气瓶中的气体混合均匀，将混合气体经由A通入一氧化氮检测仪，直至数据稳定。

数据稳定后，将电脑与一氧化氮检测仪相连，将混气瓶中的气体经由B通入反应器，待粉煤灰吸附饱和之后，与检测仪相连的电脑上的曲线会有一个最低点。之后曲线会呈上升趋势，待数据再次稳定后，打开灯管。

分别在反应器中放入掺氮二氧化钛浓度依次为25%、35%、50%、100%、150%的负载粉煤灰，依次进行脱氮试验。用电脑记录数据。

用同样的方法做另两组实验。变量分别为当掺氮为25%，煅烧时间分别为2h、3h、4h、5h；当掺铁为10%时，煅烧时间分别为2h、3h、4h、5h。

2 实验数据分析

2.1 掺氮浓度

当掺氮量为50%时，改性后的粉煤灰对氮氧化物的吸附率效果最明显，但从整体来看，掺氮量的多少对于粉煤灰的吸附效率影响不明显。与此同时，当掺氮量为50%时，二氧化钛对氮氧化物的去除效率最高，为81.1%。掺氮量的变化对总去除效率的影响不是很大，整体在93%左右摆动。

2.2 掺氮的煅烧时间

总去除效率受煅烧时间影响不大，稳定在90%左右。当煅烧时间为3h时，粉煤灰对氮氧化物的吸附效率最高，为81.2%。当煅烧时间为4h时，光催化效率达到最高，为75.8%。

2.3 掺铁煅烧时间

当掺氮量为50%时，改性后的粉煤灰对氮氧化物的吸附率效果最明显，但从整体来看，掺氮量的多少对于粉煤灰的吸附效率影响不明显。与此同时，二氧化钛对氮氧化物的去除效率最高，为81.1%。总去除效率在此时也达到最高，为93.8%。

3 结语

由以上数据分析可知，掺氮量及掺氮的煅烧温度对粉煤灰的吸附性能没有明显的影响。总体来说，改性二氧化钛在可见光下对电厂排放的氮氧化物的去除率高达90%。

在粉煤灰成型过程中，粉煤灰所占比例为50%，对于电厂排放的这一废弃物，实践中没有得到有效利用。