光催化氧化技術在VOCs廢氣治理過程中存在的難點及對策

摘要: 光(guang)(guang)(guang)催化(hua)(hua)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)技術(shu)在 VOCs 廢氣(qi)(qi)治(zhi)(zhi)理領域有(you)較為廣泛的(de)應(ying)用。光(guang)(guang)(guang)催化(hua)(hua)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)技術(shu)在 VOCs 廢氣(qi)(qi)治(zhi)(zhi)理過程中(zhong)的(de)效率和穩(wen)定(ding)性(xing)受(shou)污染(ran)物吸附性(xing)能(neng)、光(guang)(guang)(guang)催化(hua)(hua)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)接觸時間、濕(shi)度(du)、催化(hua)(hua)劑活性(xing)、光(guang)(guang)(guang)子利用效率、催化(hua)(hua)劑附著穩(wen)定(ding)性(xing)等諸多(duo)因(yin)素影響(xiang)。總結(jie)了光(guang)(guang)(guang)催化(hua)(hua)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)技術(shu)在 VOCs 廢氣(qi)(qi)治(zhi)(zhi)理過程中(zhong)存在的(de)難點問(wen)題，并多(duo)角度(du)探討(tao)了解決以上問(wen)題的(de)相關對(dui)策。

摘要 ：光(guang)催(cui)化(hua)(hua)(hua)(hua)氧(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)技(ji)術(shu)在 VOCs 廢(fei)氣(qi)治(zhi)理領域有較為廣泛(fan)的(de)應用(yong)。光(guang)催(cui)化(hua)(hua)(hua)(hua)氧(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)技(ji)術(shu)在 VOCs 廢(fei)氣(qi)治(zhi)理過程中的(de)效(xiao)率和穩定(ding)性受污染物吸附性能、光(guang)催(cui)化(hua)(hua)(hua)(hua)氧(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)接觸時間、濕度、催(cui)化(hua)(hua)(hua)(hua)劑(ji)活性、光(guang)子利用(yong)效(xiao)率、催(cui)化(hua)(hua)(hua)(hua)劑(ji)附著穩定(ding)性等(deng)諸多因素影響。總結了光(guang)催(cui)化(hua)(hua)(hua)(hua)氧(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)技(ji)術(shu)在 VOCs 廢(fei)氣(qi)治(zhi)理過程中存在的(de)難(nan)點問(wen)題，并多角度探討了解決以上問(wen)題的(de)相關對(dui)策。

 

揮發性(xing)有機(ji)污染(ran)物(wu)（Volatile Organic Compounds）， 簡稱 VOCs，是指(zhi)沸點(dian)在50~260℃，室溫下飽和(he)蒸(zheng)氣壓超過133.3Pa 的易(yi)揮發性(xing)有機(ji)化合物(wu)，包(bao)括醛(quan)類、酮類、烴類、鹵代烴、芳香烴和(he)多環芳香烴等。VOCs 常用處理(li)方(fang)法(fa)(fa)包(bao)括吸附法(fa)(fa)、冷凝法(fa)(fa)、電(dian)暈法(fa)(fa)、膜分離法(fa)(fa)、催化燃燒(shao)法(fa)(fa)和(he)生物(wu)處理(li)法(fa)(fa)等。由(you)于其處(chu)理效率較(jiao)高、低能耗、高效率、無(wu)二次污染等特點，近(jin)年來在 VOCs 處(chu)理應用的研究越來越多。

 

1  光催化(hua)氧化(hua)技術在降解VOCs廢氣(qi)過(guo)程中(zhong)存(cun)在的難(nan)點及對策

 

光催化氧(yang)化法 VOCs 處(chu)理的主要機理如下 ：

 

這些(xie)反應產生了多種具有(you)高活(huo)性(xing)的(de)(de)(de)氧化(hua)(hua)物和自由基(ji)，例如 H 2 O 2 、•OH、•HO 2 等(deng)。這些(xie)自由基(ji)和催(cui)化(hua)(hua)劑表面吸附的(de)(de)(de)有(you)機(ji)分子(zi)發生氧化(hua)(hua)還原作用，使(shi)有(you)機(ji)分子(zi)部分氧化(hua)(hua)、化(hua)(hua)學鍵斷裂或完全降解(jie)為 CO 2 和 H 2 O，達到(dao)礦化(hua)(hua)有(you)機(ji)物的(de)(de)(de)目的(de)(de)(de)。盡管光催(cui)化(hua)(hua)氧化(hua)(hua)法處(chu)理 VOCs 廢(fei)氣具有(you)處(chu)理效(xiao)率高、能耗低、無二次(ci)污染等(deng)特點，但(dan)光催(cui)化(hua)(hua)氧化(hua)(hua)技術(shu)降解(jie) VOCs 廢(fei)氣過程中同樣(yang)存在(zai)諸(zhu)多難點(dian)，針對(dui)這些(xie)難點(dian)，總結(jie)了相關對(dui)策。

 

1.1 VOCs廢氣的傳輸

 

在 VOCs 處理(li)(li)過程中(zhong)，如(ru)何將污染(ran)物傳輸到光催(cui)(cui)化(hua)(hua)劑(ji)的(de)(de)(de)表(biao)面(mian)是(shi)一個需要(yao)解決(jue)的(de)(de)(de)重(zhong)要(yao)因素之一，否則將影響到后續(xu)的(de)(de)(de)氣體(ti)處理(li)(li)。特別(bie)是(shi)對于(yu)室內(nei)氣體(ti)來說，由于(yu)有(you)太多的(de)(de)(de)污染(ran)源點，很難做出污染(ran)源的(de)(de)(de)判斷。大多數對室內(nei)空(kong)氣的(de)(de)(de)光催(cui)(cui)化(hua)(hua)處理(li)(li)的(de)(de)(de)裝置都是(shi)基于(yu)空(kong)氣的(de)(de)(de)強(qiang)制流動，通(tong)過使(shi)用各種鼓(gu)風機將污染(ran)空(kong)氣傳送到光催(cui)(cui)化(hua)(hua)劑(ji)的(de)(de)(de)表(biao)面(mian)附(fu)近。

 

大氣治理中，大多數都是采用固定床反應器，其中多數采用涂布膜反應器，少數采用流化床反應器。圍繞在涂布膜反應器中的光催化劑，大氣的流動可以采取各種裝置，包括 ：蜂窩結構體、折貼纖維氈、涂有催化劑的柔性條帶等^[1] 。

 

這(zhe)些反應器的(de)的(de)結(jie)構(gou)設計都是(shi)為達到使涂(tu)層表面(mian)能夠獲得足夠的(de)光(guang)照，污染物的(de)輸送更(geng)加容易，材料結(jie)構(gou)中光(guang)催化及更(geng)接近(jin)污染點源的(de)目的(de)。

 

1.2 污染物的吸附

 

為了得到較好的光降解效率，揮發性有機物在光催化劑表面的吸附起到了一個重要因素。對于水污染物來說，控制氣體污染物的吸附似乎就變得更加復雜。有研究表明，通過改變二氧化鈦表面的酸度可以提高對氣體的吸附^[2] ，從而提高光催化效率。

 

吸附作(zuo)用通常可以通過使(shi)用特種復(fu)合(he)材料(liao)而得到(dao)提(ti)高，氣體污染物首先(xian)被吸附到(dao)復(fu)合(he)材料(liao)中(zhong)，然后再擴(kuo)散(san)到(dao)光催化劑上。這(zhe)些吸附材料(liao)包括活性炭氈、合(he)成纖維、碳(tan)納米(mi)管和二氧(yang)化鈦復(fu)合(he)材料(liao)等[3] ，這(zhe)些材料(liao)有利(li)于協助光催化作(zuo)用。

 

1.3 光催化反應(ying)的接觸時間

 

對于預先設計好的(de)(de)(de)裝置，其光(guang)催(cui)化的(de)(de)(de)最(zui)佳接觸時間很(hen)難(nan)得到(dao)保(bao)證。原因是因為(wei)不(bu)同位置的(de)(de)(de)污染物的(de)(de)(de)濃度(du)都(dou)是不(bu)一樣的(de)(de)(de)。如果控制接觸時間，一種有效的(de)(de)(de)方法是將光(guang)催(cui)化單(dan)元設置在(zai)進入到(dao)主空氣(qi)管(guan)路(lu)的(de)(de)(de)旁路(lu)上，通(tong)過不(bu)斷地探索(suo)來(lai)確(que)定氣(qi)體被照射的(de)(de)(de)時間。

 

1.4 濕度對光催(cui)化(hua)的影響

 

水分(fen)子在整個光(guang)催(cui)(cui)化(hua)(hua)過(guo)程中(zhong)，既(ji)參與吸附競爭，又是 OH自由基的重(zhong)要(yao)來源(yuan)。因此，很明顯(xian)，相對(dui)濕度(du)的變化(hua)(hua)對(dui)光(guang)催(cui)(cui)化(hua)(hua)效率將會起到顯(xian)著的影響(xiang)。研(yan)究(jiu)表(biao)明，在甲苯和丙醇的降解過(guo)程中(zhong)（不適合丁烷），該涂(tu)層(ceng)可以有效地降低光(guang)催(cui)(cui)化(hua)(hua)劑對(dui)濕度(du)的依賴性，例如三(san)氯乙烯的降解過(guo)程。

 

1.5 光(guang)催(cui)化(hua)劑的失活

 

光(guang)觸媒的(de)(de)失活是在(zai)實(shi)際(ji)(ji)應用(yong)中(zhong)遇(yu)到的(de)(de)最(zui)為重要的(de)(de)問題之一。值得注意(yi)的(de)(de)是，光(guang)催化(hua)(hua)的(de)(de)實(shi)際(ji)(ji)過程遠比(bi)實(shi)驗室的(de)(de)模擬(ni)環境要復雜(za)得多，因(yin)此，光(guang)催化(hua)(hua)活性問題的(de)(de)研究和解決將(jiang)會(hui)(hui)在(zai)未來(lai)持續很長的(de)(de)時間。在(zai)所有能夠(gou)導致催化(hua)(hua)劑失活的(de)(de)化(hua)(hua)合物(wu)(wu)中(zhong)，會(hui)(hui)有苯和其他(ta)芳香族化(hua)(hua)合物(wu)(wu)，三氯乙烯，以及最(zui)為重要的(de)(de)揮(hui)發性含硅(gui)化(hua)(hua)合物(wu)(wu)（VSCCs）。催化(hua)(hua)劑失活的(de)(de)問題也就是近幾(ji)年才被(bei)人們所重視，較低濃度 VSCCs 便會(hui)(hui)對光(guang)催化(hua)(hua)的(de)(de)性能

產生(sheng)重大影響。

 

為了減少或阻止(zhi)硅(gui)化(hua)(hua)合物對催(cui)(cui)化(hua)(hua)劑(ji)活(huo)性(xing)的(de)(de)影響(xiang)，可以(yi)(yi)采(cai)用(yong)引入能(neng)夠(gou)分解硅(gui)化(hua)(hua)合物的(de)(de)摻雜劑(ji)的(de)(de)方(fang)法，也可采(cai)用(yong)添(tian)加(jia)二氧化(hua)(hua)鈦晶體，以(yi)(yi)防止(zhi)在硅(gui)氧烷吸(xi)附到催(cui)(cui)化(hua)(hua)劑(ji)上的(de)(de)方(fang)法。另外一種阻止(zhi) VSCCs 鈍化(hua)(hua)的(de)(de)方(fang)法，是采(cai)用(yong)一個系統能(neng)夠(gou)在 VSCCs到達催(cui)(cui)化(hua)(hua)劑(ji)之前將其氧化(hua)(hua)。該系統包(bao)括吸(xi)附過(guo)濾(lv)器(qi)、能(neng)夠(gou)加(jia)熱過(guo)濾(lv)器(qi)的(de)(de)熱源(yuan)、等離子體裝(zhuang)置、光催(cui)(cui)化(hua)(hua)劑(ji)和紫(zi)(zi)外光源(yuan)。VSCCs 首先被吸(xi)附在過(guo)濾(lv)器(qi)上，在加(jia)熱器(qi)和等離子體關(guan)(guan)閉情況(kuang)下(xia)，打開紫(zi)(zi)外光催(cui)(cui)化(hua)(hua)系統。到一定時間后，關(guan)(guan)閉紫(zi)(zi)外燈(deng)源(yuan)而(er)打(da)開加熱(re)器以(yi)此加熱(re)過濾器，從(cong)(cong)而(er)將預(yu)吸附(fu) VSCCs 進(jin)行解吸附(fu)。這時(shi)等離子(zi)(zi)體源接通，從(cong)(cong)而(er)將 VSCCs 氧化(hua)成二(er)氧化(hua)硅(gui)并(bing)沉(chen)積在等離子(zi)(zi)體偏(pian)置電(dian)極(ji)上(shang)。

 

1.6 提高光子的(de)利用(yong)率

 

關(guan)于優化(hua)光子(zi)(zi)效應的(de)(de)方法可(ke)以分(fen)(fen)為兩大類 ：一是(shi)提(ti)(ti)高(gao)光子(zi)(zi)被(bei)轉(zhuan)(zhuan)換(huan)為電(dian)(dian)荷(he)(he)(he)的(de)(de)效率 ；二是(shi)減(jian)少(shao)那些既不可(ke)被(bei)吸(xi)收又不能(neng)到達催(cui)化(hua)劑(ji)表面的(de)(de)光子(zi)(zi)數(shu)目。提(ti)(ti)高(gao)光子(zi)(zi)被(bei)轉(zhuan)(zhuan)換(huan)成電(dian)(dian)荷(he)(he)(he)的(de)(de)效率是(shi)和(he)有(you)效地防止電(dian)(dian)子(zi)(zi) - 空穴(xue)(xue)復合密(mi)切相關(guan)的(de)(de)。防止重組的(de)(de)主(zhu)要(yao)機(ji)(ji)制是(shi)存在被(bei)吸(xi)附的(de)(de)氧(yang)氣，這是(shi)空氣凈化(hua)單(dan)元中基本存在的(de)(de)。第二個機(ji)(ji)理(li)是(shi)提(ti)(ti)高(gao)電(dian)(dian)荷(he)(he)(he)分(fen)(fen)離(li)，該分(fen)(fen)離(li)裝(zhuang)置由接近光催(cui)化(hua)劑(ji)的(de)(de)電(dian)(dian)子(zi)(zi)穴(xue)(xue)組成。

 

重組(zu)是(shi)一個二(er)階過程關(guan)乎于電子的(de)(de)濃度，因為它依賴于兩個電荷載體(ti)的(de)(de)濃度。與此相反，羥基(ji)的(de)(de)形成是(shi)個一階過程。因此，當光(guang)子通(tong)量增加(jia)時，量子效(xiao)率(lv)將下降(jiang)。同樣地，由光(guang)子分流到一個更大的(de)(de)面(mian)積減少了光(guang)通(tong)量可以提(ti)高光(guang)催化(hua)活(huo)性。使用多組(zu)涂有二(er)氧化(hua)鈦(tai)的(de)(de)玻(bo)璃介質(zhi)是(shi)一種(zhong)有效(xiao)的(de)(de)方(fang)法。

 

在(zai)過(guo)去(qu)十幾年(nian)中，越(yue)來(lai)越(yue)多的(de)研究(jiu)是關(guan)于應用長(chang)波長(chang)的(de)光催化劑(ji)，因而進(jin)(jin)一步地提高了(le)太陽(yang)光子的(de)使用效率。這種技術通常是通過(guo)摻雜(za)氮，碳，或硫來(lai)進(jin)(jin)行的(de)。摻雜(za)離子通常位于氧位點（間隙位置），或二氧化鈦顆粒的(de)晶(jing)界。

 

1.7 光催化劑在載體上的吸附

 

目(mu)前(qian)，關于(yu)如何(he)將催(cui)化(hua)劑(ji)(ji)(ji)(ji)黏(nian)附在基(ji)體(ti)(ti)(ti)上(shang)的(de)(de)研究(jiu)不多見。然而(er)，當最終的(de)(de)產(chan)品(pin)有可能(neng)持(chi)續數年(nian)的(de)(de)情況下，產(chan)品(pin)的(de)(de)黏(nian)結(jie)就顯得(de)非(fei)常重要(yao)了。好(hao)的(de)(de)黏(nian)結(jie)劑(ji)(ji)(ji)(ji)非(fei)常難得(de)，一方(fang)面要(yao)能(neng)夠(gou)很好(hao)的(de)(de)黏(nian)結(jie)催(cui)化(hua)劑(ji)(ji)(ji)(ji)和基(ji)體(ti)(ti)(ti)，另一方(fang)面黏(nian)結(jie)劑(ji)(ji)(ji)(ji)本身也(ye)要(yao)防止被光催(cui)化(hua)劑(ji)(ji)(ji)(ji)降解。也(ye)有研究(jiu)不采用黏(nian)結(jie)劑(ji)(ji)(ji)(ji)而(er)是(shi)(shi)直接(jie)將催(cui)化(hua)劑(ji)(ji)(ji)(ji)注入到多孔(kong)材料或者纖維骨(gu)架中去的(de)(de)做(zuo)法(fa)。一種(zhong)做(zuo)法(fa)是(shi)(shi)不采用任何(he)黏(nian)合劑(ji)(ji)(ji)(ji)來(lai)直接(jie)制備催(cui)化(hua)劑(ji)(ji)(ji)(ji)薄膜。另一種(zhong)做(zuo)法(fa)是(shi)(shi)采用溶(rong)膠 - 凝膠法(fa)將有機鈦(tai)酸酯(zhi)前(qian)驅體(ti)(ti)(ti)涂布(bu)在基(ji)體(ti)(ti)(ti)上(shang)，接(jie)著(zhu)進(jin)行熱處理即得到最后的(de)產品。

 

另外(wai)一種比(bi)(bi)(bi)較好用來黏(nian)附(fu)光(guang)催(cui)化劑的(de)(de)方法是采用快速加熱或者(zhe)將(jiang)光(guang)催(cui)化劑附(fu)著在(zai)電沉(chen)積(ji)金屬(shu)上面(mian)（比(bi)(bi)(bi)如樹狀(zhuang)或者(zhe)泡沫狀(zhuang)結構）。也有直接采用鈦金屬(shu)自然形成(cheng)(cheng)氧化物的(de)(de)，不過(guo)這(zhe)種材料的(de)(de)光(guang)效率比(bi)(bi)(bi)較低，而且所形成(cheng)(cheng)的(de)(de)二(er)氧化鈦有部分(fen)是無定形的(de)(de)結構，同時比(bi)(bi)(bi)表面(mian)積(ji)比(bi)(bi)(bi)較低。

 

有(you)(you)機(ji)硅(gui)烷聚合(he)物(wu)（有(you)(you)機(ji)硅(gui)），由于能夠形成無機(ji)鍵從而被用來作為二(er)氧(yang)化鈦(tai)的(de)(de)黏合(he)劑。雖然該有(you)(you)機(ji)殘留物(wu)有(you)(you)可(ke)能被光產生(sheng)的(de)(de)氧(yang)化物(wu)進(jin)行(xing)攻擊，不過也(ye)已證明這種鍵合(he)不受光催(cui)化劑化學活性的(de)(de)影響(xiang)，因(yin)為這些聚合(he)物(wu)的(de)(de)主(zhu)鏈不含(han)有(you)(you)可(ke)氧(yang)化原子。

 

2 結(jie)語

 

VOCs 廢氣的(de)傳輸、污染物(wu)的(de)吸附、光(guang)催(cui)(cui)化(hua)(hua)反應的(de)接觸時間、濕(shi)度(du)、光(guang)催(cui)(cui)化(hua)(hua)劑(ji)的(de)活性(xing)、光(guang)子的(de)利(li)用(yong)率、光(guang)催(cui)(cui)化(hua)(hua)劑(ji)在(zai)載體上(shang)的(de)吸附是光(guang)催(cui)(cui)化(hua)(hua)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)技(ji)術在(zai) VOCs 廢氣治理(li)(li)技(ji)術上(shang)經常出現(xian)的(de)難(nan)點和制約光(guang)催(cui)(cui)化(hua)(hua)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)效(xiao)率及穩定性(xing)的(de)主要(yao)因素。本文分別(bie)闡(chan)述了(le)這(zhe)些問(wen)題，并針對(dui)以上(shang)問(wen)題提出了(le)相(xiang)應的(de)優化(hua)(hua)措施及對(dui)策。隨(sui)著光(guang)催(cui)(cui)化(hua)(hua)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)技(ji)術研究日益成熟(shu)，光(guang)催(cui)(cui)化(hua)(hua)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)技(ji)術設備在(zai) VOCs 廢氣治理(li)(li)領域的(de)應用(yong)會更加(jia)高效(xiao)，應用(yong)場合也(ye)會更加(jia)廣泛。

 

參考文獻(xian)

[1] Jacoby，W.A.and D.M.Blake.Photocatalytic reactor with flexiblesupports [P].1995，Google Patents.

[2] Wei，D.Tungsten oxide/titanium dioxidepHotocatalyst for improvingindoor air quality [P].2007，Google Patents.

[3] Wang，R.-S.Photocatalyst synthesized fiber product [P].2006，GooglePatents.

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