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光催化原理、应用及常见问题解答

随着全球工业化进程的加速,环境污染问题日益严重,环境治理已受到世界各国的广泛重视,其中政府在环境治理方面投入了巨大的人力、物力和财力对环境净化材料和环境净化技术的研究和产业化提供支持,其中,光催化材料和光催化技术占有重要的地位。TiO2是一种常用的光催化材料,具有活性高、稳定性好,几乎可以无选择地将有机物进行氧化,不产生二次污染,对人体无害,价格便宜等诸多优点,成为最受重视和具有广阔应用前景的光催化材料。
 
光催化材料在紫外光或太阳光的作用下,激发价带上的电子(e-)跃迁到导带,在价带上产生相应的空穴(h+),光生空穴与光催化材料表面的水反应,生成羟基自由基,而光生电子与光催化剂表面的氧反应,生成超氧负离子。羟基自由基和超氧负离子具有较强的氧化还原电位,可将挥发性有机物氧化分解成无害的CO2和H2O,达到净化空气、分解挥发性有机物的目的。二氧化钛光催化材料在光照下能一直持续释放自由基,对挥发性有机物进行氧化分解,而自己不发生变化,具有长期活性。
 
1、光催化反应原理
羟基自由基和超氧负离子是除氟之外,最强的氧化剂,但是氟对人体和环境有着巨大的危害,在很多场合不再使用。
 
2、常温催化材料
 
光催化材料是一种常温催化材料,可在室温及稍高温度下进行反应(通常低于65℃)。提高光催化材料性能的途径有三个:一个是降低纳米催化材料粒子的粒径,目的在于提高光催化材料的比表面积;二是通过金属掺杂、过渡金属掺杂和非金属离子掺杂改变半导体催化剂的性质来提高光催化性能;三是通过表面修饰和敏化,改变半导体催化剂的表面的形貌和结构,而引起表面性能的优化。
 
3、光催化材料应用中的影响因素
 
湿度的影响:光催化反应中,羟基自由基来源于水,所以必须保持有一定的湿度才能持续产生羟基自由基;在闭环的光催化反应中,已经证实随着水的不断消耗,光催化性能在不断的下降。
 
氧分量的影响:光催化反应中,超氧负离子来源于氧,所以在21%含量的情况下,光催化性能较好;而在少氧情况下会引起部分有机物反应速率的降低,同时引起生成不同的氧化产物种类。
 
有机物种类的影响:由于有机物物种固有性质的不同,光催化降解的速率相差很大,比如降解速率的规律如下:三氯乙烯>丙酮>二氯甲烷>氯仿>吡啶>四氯化碳等。
 
浓度的影响:当对较高浓度的VOCs(比如800ppm)进行氧化分解时,仅有部分的VOCs可分解成二氧化碳和水;而当VOCs浓度较低时,也仅有部分的VOCs进行消解,原因在于羟基自由基和超氧负离子与VOCs碰撞的几率较小,也影响了降解效率。
 
碳原子数的影响:一般来说,低碳原子的有机物比较容易被氧化,但也与VOCs有机物本身的性质有关。
 
4、纳米光催化材料的优势
 
纳米光催化材料是指光催化材料的活性成分以纳米尺度分散在载体上,使光催化材料的活性成分尽可能地与VOCs接触,使光催化材料的催化活性更为优越。与市场上同类的光催化材料相比,华钛高科前驱体原位烧结技术制备的光催化材料具有多级复合纳米颗粒釉状结构,颗粒的表面裸露,比表面积大(可达100m2/g),光催化活性高;颗粒之间以共价键结合,颗粒之间结合力强,与基体的附着力强,可超声清洗不掉粉,使用寿命长。华钛高科生产的纳米光催化材料已经被应用在光解光催化设备、室内空气净化器、FFU净化机以及水处理净化设备等方面。
 
5、光催化材料的失活原因分析
 
光催化材料对VOCs气体的氧化分解是气-固多相催化反应,气-固多相催化反应光催化材料失活的原因主要有以下三个:
 
①不同表面结构的TiO2光催化材料在气-固多相催化反应过程中的失活存在显著差异,这是由材料本身固有的性质决定的。
 
②水汽对TiO2气相光催化去污反应的影响主要取决于污染物的种类和性质。Dibble系统地研究了固定床和流动床反应器中TiO2气相光催化降解反应,发现微量水汽对维持光催化反应活性反应非常重要,但过量的水汽会严重阻碍反应的进行。Peral等报道了水汽对光催化降解丙酮存在抑制作用等。
 
③气-固多相光催化反应的催化材料实际上是一个光照催化材料产生高活性自由基的过程,它们都发生在催化材料表面或表面附近的位置。因此,阻碍自由基产生和防止有机物到达或接近催化剂表面活性位的任何情况,都将减少催化剂的光活性。这些机制可包括紫外光的散射或对光子的竞争、自由基的俘获、孔穴的俘获、对表面活性位的竞争吸附、沉淀物的表面沉积、还原金属的表面沉积以及催化剂自身的侵蚀和磨损。影响光催化材料活性的除了材料本身的性质之外, 沉淀物的表面沉积和还原金属的表面沉积是一个重要原因,所以进入光催化材料或设备的废气应经过预处理(除尘、除油、除湿),废气预处理的洁净度对光催化反应效率以及光催化材料的寿命是至关重要的。灰尘、油性或粘性物质附着于催化剂表面,覆盖催化剂活性位点,会降低并导致催化剂催化作用失活。
 
6、光催化材料的再生
 
可先将光催化材料表面的灰尘用压缩空气或其它方法清理干净;然后再将光催化材料置于350-450℃的燃烧炉中保温1-2小时,可除去绝大多数的有机表面沉积物。对于处理含有机胺类的VOCs气体的光催化材料,可用水洗将部分铵盐清洗干净。
 
 
 
来源:北极星VOCs在线