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大气环境的光触媒净化技术​

浏览:526 时间:2018-12-05 分类:服务中心
监测与评价大气环境的光触媒净化技术侯痒棕廖洁田劲松(武汉理工大学资源与环境工程学院武汉430070)题等。并对光触媒技术的未来作了展望。以期推动我国在光触媒技术方面的研宄。
大气环境的光触媒净化技术
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  监测与评价大气环境的光触媒净化技术侯痒棕廖洁田劲松(武汉理工大学资源与环境工程学院武汉430070)题等。并对光触媒技术的未来作了展望。以期推动我国在光触媒技术方面的研宄。
 
  地球温室效应与地球环境问题愈来愈引起人们的关注,似乎环境问题已转移到了地球环境,但是作为传统地域环境问题的大城市氮氧化物(NOx)和浮游粉尘为中心的大气环境污染却依然严峻。特别是NOx它不仅对人的健康有害,而且是光化学烟雾和酸雨的原因物质之一。因此,开发一种具有适用于大气污染物质极低浓度、扩散性高等特点的大气直接净化技术十分重要。
 
  许多学者在调查涉及光化学烟雾与大气化学反应的粒子状物质影响过程中,发现若干金属氧化物在光照射下能吸收氮氧化物,从而开始了利用光触媒来净化、修复大气的应用研宄。
 
  1光触媒大气环境净化的机理光触媒大多是半导体,其中最具代表性的是Ti2半导体。各种半导体光触媒特性如表1所示。
 
  以Ti2为例,当其遇到具有3.2eV禁带宽以上能量波长的光时,内部的电子被激起之后剩下带正电荷的电子穴(即发生电子、电子穴分离的现象)。它们向光触媒表面扩散与外部的物质反应,分别引起还原和氧化反应(见)。
 
  由于大气中氧浓度较高,且有水分存在,会在Ti2表面表1各种半导体光触媒的特性11生成O-OH等活性氧种,故通常只发生氧化反应。尤其是半导体禁带宽/eV波长nm水的溶解性药品的溶解性SnO23.8326不溶碱溶融ZnS3.5354微溶酸Ce(>23.4365不溶硫酸ZnO3.2387不溶酸、浓碱WO33.2387微溶碱TiO23.2387不溶热浓硫酸、碱溶融SrTiO23.2387不溶稳定SiC3.0413不溶热碱ZnSe2.6477不溶酸CdS2.4517微溶热硝酸、热硫酸Fe2(>32.3539不溶盐酸GaP2.26549不溶王水、热磷酸CdSe1.7729不溶酸GaAs一886不溶t王水OH的氧化能力比氯、臭氧高,从而使得Ti2具有防污、抗菌、脱臭、分解去除环境污染物质等众多机能。OH在大气化学中起着相当重要的作用,即使是其在大气中只有106 10-5也和大气污染物质的除去过程有关。尽管环境中污染物质种类繁多,但它们与OH的反应速度却是光触媒能否处理污染物质的重要指标(见表2)。
 
  当大气中氮氧化物存在时,受上述活性氧种的攻击,NO氧化成NO2NO2再氧化成HNO>但是,NO2的一部分不能充分保持,有脱离的倾向。为抑制NO2的脱离,应适当加入辅助触媒或吸着剂,例如疏水性吸着剂活性炭等。
 
  2TiO2光触媒的活性与固定TiO2对于污染物质除去的活性随TiO2的结晶型、粒径、酸离子浓度差不多,通常被粉尘中的碱分所中和。但在高污71994-2015ChinaAcademicournal活性较高。宄其原因,除了反应场的表面积大以外,激起电子及电子穴的移动距离小,且发挥了其量子尺寸的效果等有重要作用。
 
  表2大气污染物质与OH的反应速度常数(K=10污染物质(邱(:扎(满由于使光触媒活性化所必要的300~400nm紫外线只占到达地表太阳能量的3%~5%,因此去除大气中的NO不一定要有强力紫外线。就是说光触媒只要获得0.1mWVcm2的能量(这和阴天获得的紫外线强度相等)就能发挥其机能。
 
  Ti2光触媒通常都是粉末状,可以在悬浊液或流动层中使用,但最好还是固定在基材上使用,因为粉末状的T2在涂布、回收、洗净等工序中易飞散、流失。例如,可通过烧结的方法将其做成颗粒或蜂窝状。一般以防污、抗菌为目的的话可涂布Ti2制成比较薄的平滑膜。也可用合成树脂固定,其中氟树脂化学稳定性好,且不会降低光触媒的作用,应用较多,但若是普通树脂,则不可避免地会出现经年劣化现象。
 
  虽然Ti2的氧化能力也会波及基林但只要中间夹上无机膜,即使对于塑料等有机膜也能适用。不过,为确保处理污染物质的反应速度,常将Ti2固定在硬表面上,以得到比表面积大而厚的膜。例如在除去NOx的场合,固定在氟树脂板、水泥硬化体及胶质涂料上非常有效。因为它们均呈多孔质构造,有利于固定更多的Ti2目前光触媒板应用较多,但其机械强度较小,故应着重开发在己有的构筑物上容易施工的涂料、瓷砖及铺装材等各种复合材料。
 
  3Tl2光触媒对大气的净化3.1挥发性有机化合物的处理由表2可见Ti2上烯烃的分解比饱和碳氢化合物快,由此而生成对应的醛,接着完全氧化至CO2作为挥发性有机氯化物的三氯乙烯在Ti2光触媒上也能迅速地氧化至CO2但又生成少量的CO、COCl2、CHCb等。S.Kutsuna等人的实验表明,在干燥条件下反应进行得非常快(说明与分解过程生成的氯原子有关)而随着温度上升则反应速度变慢(必须对应增加照射光强度)13.在含有水蒸气的空气中,苯几乎100%能被分解,其中90%以上转换成CO2.7%左右变成C(O但是在干燥的空气中继续反应,TiO2表面会逐渐变色,分解率也迅速下降,说明在TiO2表面有少量碳素质残留,而且水蒸气对于苯的氧化分解有非常重要的作用。
 
  3.2NOx的除去和处理有机化合物不同,由于NOx、SO2生成不挥发的硝酸离子和硫酸离子残留在光触媒表面,从而降低光触媒性能,因此在处理NOx、S2时,必须通过下雨或水洗来再生光触媒。另外,当硝酸离子饱和时,若光强度小或在高湿条件下,会生成NO2故要在光触媒中混入吸着NO2的材料(如前述的活性炭)当然,充分利用微细光触媒、水泥硬化体、胶质涂膜适于吸着NO2的构造的同时,也要考虑光触媒材料的细孔径及其容量、亲水性/疏水性、酸盐基性等。
 
  1天的NOx除去能力在0.~1.5mmol且长期使用性能几乎没有什么变化。一般,在密度高的大城市,要确保这些大气净化材料安置的场所比较困难,所以只适合于交通繁忙道路两侧建筑物壁面、高速公路遮音壁、城市轻轨等其他交通用设备。另外,正如光触媒文字意义本身一样,NOx的除去机能依存于太阳光,在夜晚没有作用。但对于不能利用太阳光的隧道、地下停车场等空间,可以通过设置紫外荧光灯来解决(要求空气流速高,尽可能作为空调设备的一部分考虑进去等)而对于开放的环境,光触媒的NOx除去能力可能会因为有与NOx共存的污染物质的除去竞争及油状碳氢化合物造成的光触媒污染而降低。同时,从长期的观点来看,柴油黑烟与粉尘附着在光触媒表面使其机能降低也要考虑。
 
  4光触媒大气净化技术的展望作为大气环境直接净化的光触媒技术和发生源对策不同,它是以含有低浓度污染物质的量大的大气为处理对象且消耗能量少的一种具有广阔前景的环境净化对策。但是,这项技术要实用化,还要解决以下问题:①高活性光触媒、能利用可视光的光触媒以及性能好的光触媒二次加工品的开发;②净化系统的简洁化;③能量消耗小,经济性能高;④光触媒的安全性问题等。
 
  由第1节可知,要除去大气污染物质,需使用半导体光触媒和吸着剂,尽管目前己知性质的半导体光触媒不少(见表1)而且从有效利用太阳光能考虑,希望是禁带宽为2.620nm)的半导体光触媒,但实际采用的是NOx除去活性高的TO2、ZnO等禁带宽大的半导体光触媒另外,从在环境中使用考虑,必须避免采用含有诸如镉等有害元素的半导体光触媒。同时,由于半导体光触媒一般都含有重金属,又要求其在风化作用下,即使是微量也不能溶出。
 
  因此,综合以上考虑,不溶于水且化学稳定性好,在地球上广泛分布的TiO2应是首选光触媒TiO2不仅作为涂料中的白色颜料大量使用,而且作为防紫外线用于直接接触人体皮肤的化妆品,可见,其对人体安全性是较高的。至于作为吸着剂使用的活性炭,它广泛用于空气过滤、防毒面具、净水器中,也没有安全性问题。
 
  用光触媒直接净化大气的直接生成物是硝酸及硫酸,这些都是强酸,若浓度高,则有腐蚀性、氧化性及毒性等。但是,对于浓度极低的氮氧化物和硫化物生成的酸,在大气中是以酸雨形式沉着的,光触媒的作用仅仅是在特定的场所促进大气中这些反应而己。假定通过降水(年间降水量为1500mm)定期洗净光触媒,那么从光触媒溶出的硝酸离子的浓度仅为10~30mg/L这和天然的初期降雨中检出的硝影响卩射线测尘仪测试精度问题探讨熊庆国(武汉科技大学信息科学与工程学院武汉430081)环境保护问题是各国政府面临的急待解决的问题。其收技术来测量大气中粉尘的质量浓度,其测量结果可与经典中粉尘污染是人类生存环境中最为普遍最为严重的污染之一,如何测尘防尘是一重要的环保课题。
 
  从20世纪中后期开始,国内外科学工作者着手研宄应用P射线吸收技术来测量大气中粉尘的质量浓度,获得了成功,研制出了多种卩射线测尘仪,在环保领域发挥了重要作用。
 
  1卩射线测尘仪工作原理一个强度恒定的P源发出的P射线通过介质时,P粒子与介质中的电子相互碰撞损失能量而被吸收。在低能条件下,吸收程度取决于介质的质量,与粉尘粒子的粒度、成分、颜色及分散状态等等无关。卩射线先后穿过清洁滤纸(未采集尘样)和己采有尘样滤纸(同一滤纸),根据2次卩射线被吸收量的差异来求取环境中粉尘浓度C C空气中粉尘浓度,mg/m3;N0采样前的卩计数(表征卩射线被吸收量)N采样后的卩计数(表征卩射线被吸收量,且与%计数时间相等)P射线测尘仪的工作原理基于公式I)应用卩射线吸的标准方法称重法等效;它可以减少样品的处理时间和受污染的机会,不会带来人为误差且无误差积累,不需要经常校准和调零,能实现自动连续监测,监测过的样品可以保留,因而得到了比较广泛的应用。
 
  2影响监测精度的因素及解决措施P射线测尘仪在工作过程中,可能受到种种因素的制约而使监测精度受到影响。这些因素或与检测系统有关或与采集系统有关我们应了解这些因素产生的原因及带来的不良后果,进而采取相应的措施提高P射线测尘仪的监测精度。
 
  2.1采样滤纸位移的影响一般P射线测尘仪监测时,采样滤纸要经计数门计数(未采样时,卩射线辐射),再经采样门采样(该滤纸上采集尘样),返回计数门计数(采样后,P射线辐射)的过程,实质是将某一面积的滤纸进行2次卩射线辐射,从而求出采样后的粉尘浓度。若这一过程中,滤纸位移误差存在,势必影响测量精度,故应用机械方法准确定位,保证准确传送滤纸。
 
  2.2放射性粉尘的影响大气中若有放射性粉尘存在,P射线测尘仪在工作中,将使最后的卩计数增加,使测量值小于实际值。一般情况下,大气中的放射性物质的强度与P源强度相比要小得多,不会对测量结果产生影响。若粉尘中含有较多的放射性物质。可预先测量粉尘粒子的本底计数,让其参与运算,以清除其影响。
 
  染地区,可能浓度会翻几翻,此时必须采取措施保证pH在5.8~8.6之间。还有一点就是尽量减少副次生成物以及在处理与净化中消耗最小的能量。