光催化分解作业环境中氨的规律研究

2020-12-21郭文杰李超付明明马有营许兰娟

安徽化工 2020年6期

郭文杰，李超，付明明，马有营，许兰娟

（滨州学院化工与安全学院，山东滨州256600）

作业环境中的氨对人体具有较大的危害。研究降解氨气的影响因素和方法尤为重要。用TiO2做光催化剂降解氨气的影响因素中，相对湿度对氨气降解率的影响不甚明显。研究表明，氨气降解效率随气体初始浓度的上升而缓慢增加，光催化反应速率常数与光照强度密切相关。TiO2光催化净化氨气的性能与负载量有关，氨气的降解反应受到TiO2浓度、pH和温度的影响。

实验表明，研究影响室内光催化降解氨气的因素一般采用傅里叶变换红外光谱(FTIR)或者气相色谱(GC)间接记录氨气浓度变化情况，继而通过对反应中氨气的降解率来分析、解释光催化降解氨气的规律，此方法具有广阔的研究前景。

1 实验部分

1.1 实验材料

氨水（浓度为75%）、紫外灯（8 W）、日光灯（6 W、8 W）、活性炭纤维无纺布、活性炭无纺布、聚丙烯腈纤维、玻璃片、蒸馏水、锐钛型纳米TiO2粉末（5～10 nm、40 nm、100 nm）。

实验装置如图1所示，将紫外灯、日光灯、数显温湿度计固定在挥发箱内，通过探针孔注入氨水来改变作业环境中的氨气浓度，接上NH3传感器、rs485 转换器，连接上位机，氨气传感器实时测量装置内的氨气浓度，并每隔1 s记录一次数据。

1.2 实验方法

图1 光催化装置示意图

在常温常压下，取0.02 mL 氨水放入挥发箱（54 cm×40 cm×31 cm），使其全部挥发为NH3，得到NH3起始浓度为27 mL/m3。通过改变光催化反应条件：TiO2粒径（5～10 nm、40 nm、100 nm）、TiO2悬浊液浓度（0.1 g/L、0.2 g/L、0.3 g/L、0.4 g/L、0.5 g/L、0.6 g/L、0.7 g/L 和0.8 g/L）、光照强度（6 W和8 W日光灯作为对照组，8 W紫外灯依次叠加做实验组）、光源（8 W紫外灯和日光灯）、载体（空白载体对照，活性炭纤维布、聚丙烯腈、普通无纺布、玻璃片）等因素设计实验，在实验过程中，氨气传感器将信号传送给上位机，气体探测上位机每隔1 s 记录一次装置内氨气浓度，画出实时氨气浓度变化图，探究TiO2光催化降解NH3效率的影响因素，找到比较适合的催化条件。

通过公式ɳ=(C0-C)/C0×100% 计算氨气的降解率，式中ɳ表示氨气的降解率，C0表示实验开始时的氨气浓度，C 表示实验后期的氨气浓度。利用origin 对比和分析各因素对TiO2光催化降解氨气的影响。

2 结果与讨论

2.1 载体对光催化降解氨气的影响

如图2所示，有载体时，TiO2光催化效率比没有载体时要好，氨气降解效率顺序为：活性炭无纺布＞聚丙烯腈＞普通无纺布＞玻璃片。

图2 载体对氨气光催化的影响

由图2容易看出，活性炭无纺布的催化效果比聚丙烯腈纤维要好，原因是活性炭的粒径小，孔隙结构发达，孔隙分布均匀，比表面积大，因而吸附和富集效果好，而纤维对氨气的吸附作用在短时间内易饱和,导致反应体系中的氨气浓度迅速回升；除活性炭无纺布外，相同时间内，负载TiO2量相同，聚丙烯腈纤维的催化效率比其他催化剂高，与纤维对氨气的吸附作用可以提高纤维表面氨气的浓度,有利于纳米TiO2对氨气的催化降解反应有关；对负载型TiO2光催化降解催化剂而言, 较为理想的载体应该具有较大的饱和吸附量, 而实验所用活性炭无纺布具有一定的吸附能力，能更多地富集反应中的氨气，使吸附在载体上的氨气能够向光催化活性中心迁移, 从而促进吸附-迁移-光降解反应的进行。

2.2 粒径对TiO2光催化降解氨气的影响

图3 催化剂粒径对氨气光催化的影响

从图3 可知，TiO2对NH3的光催化降解主要是在t≤500 s阶段，当t＞500 s时，NH3浓度变化较小，可以得出NH3的降解效率：TiO2粒径5～10 nm＞TiO2粒径40 nm＞TiO2粒径100 nm，即相同条件下，NH3的降解效率随TiO2粒径的减小而增大，光催化剂粒径越小，相同时间内NH3降解得越快，光催化效果越好。

实验所用光催化剂为纳米TiO2粉末，对于该催化剂颗粒来说，发生光催化反应时所产生的光生电子迁移到反应晶面的时间t可由式（1）来估算：

式中: r 为TiO2纳米的晶粒半径；D为载流子的扩散系数。由公式可知，t随着TiO2粒径的增大而增大，光生电子和光生空穴的复合几率随着升高，到达NH3表面与之反应的光生电子就越少，催化活性越低。

2.3 TiO2悬浊液浓度对TiO2光催化降解氨气的影响

图4 TiO2悬浊液浓度对氨气光催化的影响

如图4 所示，光催化反应阶段主要在t≤1 500 s，从载体负载TiO2悬浊液浓度量为0.1 g/L、0.2 g/L、0.3 g/L和0.4 g/L时NH3的降解浓度变化曲线，相同载体上TiO2悬浊液浓度对NH3的光催化降解存在影响，相同时间内，TiO2催化效率关系为：ɳ（0.4 g/L）＞ɳ（0.3 g/L）＞ɳ（0.2 g/L）＞ɳ（0.1 g/L），即相同时间内，TiO2悬浊液的浓度越高，NH3光催化降解得越快，但TiO2浓度过大时，TiO2附着量过多，不但会造成催化剂浪费，而且过量的催化剂将堵塞更多的活性炭孔隙，降低活性炭的吸附能力，还可能对紫外光产生一定的遮蔽作用，导致光催化效率下降，影响光催化降解反应效率。

2.4 光照强度对TiO2光催化降解氨气的影响

验证光照强度对TiO2光催化降解NH3的影响规律猜想，设置了对比实验，图5 是不同强度可见光（6 W、8 W日光灯）对TiO2光催化降解室内NH3的影响；图6则是可见光（日光灯）、紫外光（紫外灯）以及两者共同作用时的对照实验，也证实了猜想，但可以看出，光照强度对TiO2光催化降解NH3不是倍数或简单的加和关系。