掺铁TiO2薄膜光催化降解室内苯污染的实验研究

摘要

人们在对室内进行装饰装修过程中所使用的材料大都含有甲醛、可挥发性有机物等对人体有害的物质，这些物质在室内持续散发，导致室内空气质量（IAQ）严重下降；另外，随着空调系统应用的普及，人们一方面提高建筑物的气密性和热绝缘性，同时降低室内最小新风量标准，就导致了室内有害污染物由于得不到新风稀释而使浓度增大，严重恶化了室内空气品质。如何改善室内空气品质，给人们的生活提供一个健康的室内环境，已经成为人们日益关注的焦点。
　　室内空气污染中人们所关心的焦点当属室内有机污染，主要包括甲醛、苯及其同系物等。目前室内空气有机污染治理的主要有生物方法、物理方法、以及化学方法。光催化技术，是近年来兴起的一种治理室内空气污染的新技术，属于化学方法的一种，它主要是在光催化剂（二氧化钛等）的作用下，使污染物质分解为CO2和H2O等无害物质。该技术反应条件温和、二次污染小、运行成本低，并且可望利用太阳光作为光源，是目前最具发展前景的室内空气净化技术。
　　然而，利用二氧化钛（TiO2）光催化技术净化室内空气仍处于起步阶段，还有待进一步完善。例如，如何提高TiO2的量子产率，如何提高其对可见光的利用率，如何改进催化剂的固定技术，以及如何处理中间产物等问题。
　　本文采用改进的Sol-Gel法制备掺铁TiO2光催化薄膜，通过一组正交试验设计确定了最佳制备工艺参数，然后根据最佳制备工艺参数制备得到了釉面瓷砖和活性炭纤维（ACF）负载的掺铁TiO2薄膜，并使用X射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）等技术对薄膜样品的表面形态和晶型等进行了表征分析。本文还通过实验考察了掺铁TiO2薄膜的光催化活性，讨论了光源、苯初始浓度以及气流组织等因素对光催化活性的影响。最后，本文对TiO2光催化薄膜的耐用性能进行了研究，包括重复使用性和负载牢固性等。
　　研究结果表明：
　　采用改进的Sol-Gel法制备掺铁TiO2光催化薄膜时，各工艺参数均对最终的薄膜光催化活性有一定影响，本文通过正交试验确定各工艺参数的最佳取值分别为：PEG掺杂量1.2wt％，Fe3+掺杂量0.05wt%，焙烧时间2.0h，焙烧温度500℃。
　　通过XRD和SEM等手段进行表征分析发现，实验制备的TiO2以锐钛矿和金红石结构为主，粒径分布均匀，平均粒径较小，约为28.5nm。
　　使用掺铁TiO2薄膜催化降解苯污染物时表现出了良好的光催化活性，若采用产生O3的光源，将有利于增大薄膜光催化效率；光源波长越短，光催化性能越好；光催化活性随光照强度增大呈非线性增加；在一定浓度范围内（浓度较低），光催化降效率随有机污染物浓度的增加而增大；气流组织对光催化效率也有一定影响，当气流正对光催化薄膜时，有机污染物降解率最高，气流方向与光催化薄膜表面平行时，有机物降解率最低；Fe3+的掺杂改性增强了TiO2对可见光的相应，即使在白炽灯照射下，这种掺铁的TiO2薄膜仍可表现出一定的光催化活性。
　　ACF担载TiO2不会对其吸附活性位造成较大影响，相反两者特点相互补充可以提高有机污染物的降解效率，并可避免二次污染。
　　釉面瓷砖和ACF担载TiO2薄膜具有良好的重复使用性和负载牢固性，耐用性能较好。最后，本文基于ACF/TiO2材料设计了一种室内空气净化器，认为装修完成初期采用ACF/TiO2空气净化器进行治理可以取得良好效果，装修完成一段时间后则单靠光催化釉面瓷砖亦可保持室内空气清洁。

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英文摘要

目录

1 绪 论

1.1 引言

1.2 纳米TiO2光催化技术研究进展

1.3 本课题的目的、意义及主要研究内容

2 纳米TiO2光催化薄膜的制备

2.1 引言

2.2 原理与方法

2.3 光催化薄膜制备

2.4 小结

3 TiO2光催化薄膜处理有机气体研究

3.1 引言

3.2 实验方案

3.3 自然衰减实验

3.4 正交试验

3.5 优化实验

3.6 对比实验

3.7 影响因素实验

3.8 ACF负载TiO2降解苯的实验

3.9 小结

4 纳米TiO2光催化薄膜表征分析

4.1 引言

4.2 表征分析

4.3 表征结果及讨论

4.4 小结

5 薄膜物理指标测试及光催化产品设计构想

5.1 引言

5.2 产品耐用性能分析

5.3光催化产品设计

5.4 小结

6 结论与建议

6.1 结论

6.2 建议

致谢

参考文献