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發(fā)酵廢氣治理——光催化氧化技術(shù)

更新時間:2018-04-27 10:29 來源: 作者: 閱讀:19527 網(wǎng)友評論0

1.光催化機理與催化工藝
 
光催化降解VOCs屬于多相催化反應(yīng),是氣相反應(yīng)物(VOC)與固相光催化劑的表面進行接觸而發(fā)生在兩相界面上的一種反應(yīng)。該過程一般可分為以下六個步驟:
 
 
 
光催化降解VOCs反應(yīng)步驟圖
 
文獻中涉及較多的光催化反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)形式主要包括:平板型、管狀、蜂窩型和光纖反應(yīng)器等。下圖列舉了三種常見的反應(yīng)器形式。
 

三種常見光催化反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)示意圖
 
根據(jù)半導(dǎo)體的電子結(jié)構(gòu),當(dāng)半導(dǎo)體(光催化劑)吸收一個能量大于其帶隙能(Eg)的光子時,電子(e-)會從充滿的價帶躍遷到空的導(dǎo)帶,而在價帶留下帶正電的空穴(h+)。價帶空穴具有強氧化性,而導(dǎo)帶電子具有強還原性,它們可以直接與反應(yīng)物作用,還可以與吸附在光催化劑上的其他電子給體和受體反應(yīng)。納米光催化是利用TiO2作為催化劑的光催化過程,反應(yīng)條件溫和,光解迅速,產(chǎn)物為CO2和H2O或其他的離子如NO3-、PO43-、Cl-等,而且適用范圍廣,包括烴、醇、醛、酮、氨等有機物,都能通過TiO2光催化清除。其機理主要是光催化劑二氧化鈦吸收光子,與表面的水反應(yīng)產(chǎn)生羥基自由基(•OH)和活性氧物質(zhì)(•O,H2O2),其中羥基自由基(•OH)是光催化反應(yīng)的一種主要的活性物質(zhì),對光催化氧化起決定作用。羥基自由基具有120kJ/mol的反應(yīng)能,高于有機物中的各類化學(xué)鍵能,如:C-C(83kJ/mol),C-H(99kJ/mol),C-N(73kJ/mol),C-O(84kJ/mol),H-O(111kJ/mol),N-H(93kJ/mol),因而能迅速有效地分解揮發(fā)性有機物和構(gòu)成細菌的有機物,再加上其它活性氧物質(zhì)(•O,H2O2)的協(xié)同作用,其殺菌效果更為迅速。
 
TiO2的帶隙能Eg=3.2eV,只有波長小于380nm的紫外光才能激發(fā)TiO2產(chǎn)生導(dǎo)帶電子和價帶空穴,導(dǎo)致VOCs的氧化分解。光催化劑TiO2反應(yīng)效率很高,但顆粒微小而極易流失,因此將TiO2固定在活性炭載體上解決其分離回收問題。

2.光催化劑
 
VOCs光催化降解的速率主要受吸附效率和光催化反應(yīng)速率的影響,具有較高吸附性能的VOCs不一定有較快的降解速率,因此選擇光催化劑至關(guān)重要。
 
目前,研究中經(jīng)常采用的紫外光催化劑大多為金屬氧化物或硫化物,如TiO2、ZnO、ZrO2、SnO2、WO3、CeO2、Fe2O3、Al2O3、ZnS及CdS等。其中,TiO2的綜合性能最好,其光催化活性高、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、氧化還原性強、抗陰極腐蝕性強、難溶、無毒且成本低,是研究應(yīng)用中使用最廣泛的單一化合物光催化劑。TiO2晶型對催化活性的影響很大。其晶型主要有三種:板鈦型(不穩(wěn)定)、銳鈦型(表面對O2吸附能力較強,具有較高活性)和金紅石型(表面電子-空穴復(fù)合速度快,幾乎沒有光催化活性)。以一定比例共存的銳鈦型和金紅石型混晶型TiO2的催化活性最高。其中,德國Degussa公司使用氣相法生產(chǎn)的TiO2-P25(平均粒徑30nm,比表面積50m2/g,30%金紅石型,70%銳鈦型)光催化活性高,是研究中經(jīng)常采用的一種光催化劑。
3.光催化氧化的特點
 
1)光催化氧化適合在常溫下將廢臭氣體完全氧化成無毒無害的物質(zhì),適合處理高濃度、氣量大、穩(wěn)定性強的且能吸收光子的有毒有害氣體的廢氣處理。
 
2)光催化氧化利用人工紫外線燈管產(chǎn)生的真空波紫外光作為能源來活化光催化劑,驅(qū)動氧化—還原反應(yīng),而且光催化劑在反應(yīng)過程中并不消耗,利用空氣中的氧作為氧化劑,有效地降解有毒有害廢臭氣體成為光催化節(jié)約能源的最大特點。
 
3)氧化性強:半導(dǎo)體光催化具有氧化性強的特點,對臭氧難以氧化的某些有機物如三氯甲烷、四氯化炭、六氯苯、都能有效地加以分解,所以對難以降解的有機物具有特別意義,光催化的有效氧化劑是羥基自由基(OH-)和超氧離子自由基(O2-、O-),其氧化性高于常見的臭氧、雙氧水、高錳酸鉀、次氯酸等。
 
4)廣譜性:光催化氧化對從烴到羧酸的種類眾多有機物都有效,即使對原子有機物如鹵代烴、染料、含氮有機物、有機磷殺蟲劑也有很好的去除效果,只要經(jīng)過一定時間的反應(yīng)可達到完全凈化。
 
5)壽命長:在理論上,光催化劑的壽命是無限長的,無需更換。
 
在光催化TiO2的產(chǎn)物上一直存在爭論,不能確定中間產(chǎn)物是否會造成二次污染;光催化氧化法存在著催化劑的失活、催化劑難以固定,且催化劑固定后催化效率降低的缺點;對不能吸收光子的污染物質(zhì)效果差,對于成分復(fù)雜的廢氣無法達到預(yù)期處理效果。

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