不同粒径二氧化钛光触媒及掺杂对室内空气中甲醛降解的研究

2022-10-25张绍原,罗成,盛剑波

浙江建筑 2022年5期

随着社会的日益进步和人们生活质量的逐渐提升，民用建筑装修工程的复杂程度与日俱增，在方便生活的同时，室内装饰装修产生的有害物质会污染室内空气。这些有害物质会令人头疼、头晕、嗜睡、乏力，造成人体抵抗力下降，记忆力衰退，染色体突变等［1］。甲醛是室内空气污染的重要组成部分，已经成为社会各界越来越重视的焦点［2］。

光触媒是具备光催化效果的纳米半导体材料的总称，例如TiO2、Fe2O3、SiO2等，其中TiO2在一定光强作用下，具有较强的催化降解有害物质的功能，且自身耐酸碱腐蚀、无毒无害，被广泛应用。TiO2光触媒在光能的激发下，能产生高能电子，将TiO2表面的H2O和OH-结构转化成·OH自由基，从而使甲醛、苯系物等降解为H2O、CO2等。但纯净的TiO2光触媒催化效果较差，催化周期较长。因此，如何改性TiO2光触媒，成为近年来科研的重点。

目前市场上普遍能够买到的光触媒治理产品的治理周期为7～15 d，且其产品质量良莠不齐，治理效率较低，难以满足需求。由于不同粒径的纳米TiO2对甲醛的催化分解效果不同，且在掺入其他元素后，可将TiO2的吸收光范围扩展至可见光，提高其催化效率。因此，本文通过比较不同粒径的TiO2光触媒对甲醛的分解效率，选择最佳粒径的TiO2，并通过掺入Ag元素，旨在提高纳米TiO2光触媒的催化分解效率，缩短治理周期。

1 实验

1.1 实验方法

TiO2光触媒对甲醛降解能力的研究在自制密封舱中进行。密封舱为两个体积为1.28 m×1.02 m×0.83 m的玻璃结构，分别为样品舱和对照舱，内置0.5 m×0.5 m玻璃板，设有抽气口，见图1。

图1 测试舱结构

实验时，将市售甲醛2 mL（AR，36%～38%）滴覆在洁净的棉花团上，放入样品舱和对照舱内［3］，静置12 h。打开抽气口，用大气采样器对密封舱内的气体进行采样，并立即关上抽气口。采用《居住区大气中甲醛卫生检验标准方法分光光度法（GB/T 16129—1995）》测定样品舱及对照舱中空气甲醛初始浓度。

在样品舱的玻璃板上均匀涂上10 g纳米TiO2光触媒，使其呈薄膜状。另外的对照舱的玻璃保持洁净，不做处理以供对比。在稳定的30 W日光灯下照射5 d后，再次打开抽气口，对舱内的气体进行采样，测定此时两舱内空气甲醛浓度。

通过实验，制得不同粒径的TiO2光触媒，掺杂Ag元素，在日光灯下照射5 d，比较抽气舱中甲醛浓度，得出其最佳粒径的Ag-TiO2光触媒。

1.2 实验条件

实验室模拟日常居住室内环境，控制温度为16℃～30℃，空气相对湿度为40%～60%，样品舱和对照舱在相同强度30 W日光灯下照射。

1.3 TiO2光触媒的制备

在烧杯中加入9.3 mL异丙醇，然后加入3.2 mL异丙醇钛，搅拌均匀后，倒入三口烧瓶中。三口烧瓶中装入自动搅拌装置，在60℃下反应10 min，继续加入10.3 mL乙酸，搅拌15 min。最后，加入24 mL甲醇，搅拌2 h后得到纳米TiO2[4]。在高分辨率透射电子显微镜下观察反应生成的TiO2光触媒的形态，将均一性良好的产品用于实验。

2 结果与讨论

2.1 选择反应时间

首先，测试样品舱和对照舱中甲醛浓度自然衰减的情况，进而选择合适的反应时间。对样品舱和对照舱检漏后，在不放入TiO2光触媒的情况下，用相同强度的日光灯照射样品舱和对照舱，在样品舱和对照舱内放置沾有甲醛溶液的棉花团，静置12 h后，测得舱内甲醛的初始浓度为0.58 mg/m3。随后记录1～9 d内样品舱及对照舱中甲醛浓度的变化情况，见图2。为了尽可能增大甲醛与光触媒的接触反应时间，且保证样品舱和对照舱中甲醛浓度的自然衰减率处于较低水平，本实验中，选择5 d为TiO2光触媒和甲醛的反应时间。

图2 样品舱和对照舱中甲醛浓度自然衰减和时间的关系

2.2 不同粒径TiO2光触媒对甲醛的降解效率

对不掺入其他元素的不同粒径纳米TiO2光触媒进行实验，在样品舱和对照舱分别放置沾有2 mL甲醛（AR，36%～38%）的棉花团。静置12 h后，在样品舱内放入涂有10 g纳米TiO2光触媒薄膜的玻璃，在30 W日光灯照射5 d后，分别记录样品舱和对照舱的甲醛浓度，测得不同粒径TiO2光触媒对甲醛的降解效率，见图3。实验表明：在扣除甲醛自然衰减的情况下，平均粒径为0.1～1.0 μm的纳米TiO2光触媒对甲醛的降解效率最佳。