[00143323]可见光催化降解分离VOCs气体膜装置的开发研究

一、课题的来源与背景 易挥发有机化合物（VOCs）是在常压条件下蒸汽压大于70.91 Pa且沸点小于260 ℃的有机液体和固体,严重威胁着人类健康,对环境的影响最大。因此,如何从空气中分离去除VOCs气体成为了人们研究的热点。VOCs气体的去除常采用吸附、燃烧、电晕、吸收、膜分离、冷凝、生物净化等方法处理。目前,对高浓度VOCs气体主要采取催化燃烧、吸收、吸附等净化处理措施,对低浓度VOCs气体从能量消耗、二次污染、去除效率等方面尚无有效治理方法。近年来,光催化技术处理低浓度VOCs也愈来愈受到世界各国的重视。目前,所研究的光催化剂主要局限于紫外光响应范围的TiO2、ZnO等半导体催化氧化剂,由于其表面积小、无孔,且为极性,对非极性VOCs气体吸附能力较差,其应用领域受到了很大限制。同时,在催化氧化过程中易产生醛、酮、酸和酯等中间产物,又造成了空气的二次污染。而最终产物水蒸汽也会在反应表面吸附,降低反应速率。因此,如何扩展催化剂的光响应范围,利用可见光催化降解空气中的VOCs气体,提高催化剂的催化效率和稳定性,控制和彻底分离产生的二次污染物,改善室内空气质量,成为目前光催化降解的主要研究方向。本项目是研究可见光催化膜装置开发成功,能够利用可见光有效降解处理空气中VOCs气体,解决低浓度易挥发性有机物处理困难,对VOCs的光催化氧化降解过程产生的醛、酮、酸和酯等中间产物进行分离,消除中间产物及水蒸汽对催化剂光催化氧化性能的影响,彻底解决影响人类身体健康、人们生活环境的问题,完成对室内空气的净化处理,为小型空气净化装置的开发提供了一定的理论依据和实验数据,具有较高的研究价值和应用前景。 二、技术原理与性能指标 本研究设计制备了以光催化活性和稳定性较好的TiO2为基础,通过掺杂Cu、Zn、Nb、Ce等金属元素手段提高其催化活性和稳定性,并对催化剂的组成及其光降解性能进行了系统研究。 结果表明,以金属离子Pr3+、Ce4+、Cu2+、Nd3+、Zn2+（记为Mn+）等作为掺杂元素,SiO2为载体,采用溶胶凝胶法制备了三元复合纳米光催化剂;Mn+-SiO2-TiO2复合纳米催化剂,成功抑制了TiO2锐钛矿型向金红石型的转化,使其在紫外光区的光催化活性明显增加;以三元复合纳米光催化剂催化降解罗丹明B染料废水的研究表明,确定了最佳掺杂摩尔比例（Si:Ti=0.3:1.0,Zn:Ti=1.5:100,Cu:Ti=1.0:100,Nd:Ti=2.0:100,Ce:Ti=1.5:100）和最佳煅烧温度均为500 ℃;以最佳配比的三元复合纳米光催化剂制成光催化膜,降解苯、甲苯、丙酮的效率达95%以上。因此,通过掺杂金属制备的TiO2基膜,在可见光下对VOC的降解分离有较好的作用。 三、技术的创造性与先进性 本项目是实现光催化反应过程与膜分离过程的耦合,达到净化室内空气的目的。其创新和先进性在于： （1）拓宽了光催化剂的光谱响应范围。 （2）有效去除室内空气中低浓度VOCs气体。 （3）光催化降解过程与膜分离过程的有效结合。 四、技术的成熟程度,适用范围和安全性 本研究成果是通过掺杂Cu、Zn、Nb、Ce等金属元素制备TiO2复合光催化剂,以降解分离有害物质VOC。其能够用于治理人们生活的居住环境,以及对大气环境和工业生产条件的改善,在环境保护和污染治理等方面具有很大的发展潜力,和一定的潜在经济和社会效益。 五、应用情况及存在的问题 本研究只是对光催化降解VOC的效果情况进行了研究,但对膜分离VOC气体的降解产物、理论内容等方面的研究还需不断完善和提高,特别是催化降解-分离机理仍需进一步探讨,为VOC气体的治理和分离提供足够的技术支持。