水泥基光催化材料及其空气净化器研究

摘要

光催化技术是实现大规模大气污染治理和室内空气净化的重要途径之一，研制水泥基光催化材料（PCM）可有力地推动光催化技术在环保领域的应用进程。光催化剂在与载体复合时，如何保证催化性能的充分发挥以及复合效果的稳定性是应用光催化技术的研究难点。本文选择多孔氯氧镁水泥（PMOC）作为水泥基体，Degussa P25-TiO2作为光催化剂，系统分析了两者复合过程中负载微环境对负载效果的影响规律，并根据吸附剂增效机理实现了光催化剂与水泥基体复合时的复合结构优化，同时对光催化技术的实际应用途径进行了较深入的探索。主要工作内容和成果如下：
　　在分析氯氧镁水泥（MOC）水化机理和晶体生成发育规律的基础上，确定了控制晶体发育程度从而构造不同复合微结构的方法。研究分析了不同基体微结构下，纳米TiO2光催化剂与基体的复合效果差异及机理。负载过程中，PMOC基体对TiO2颗粒具有分散作用，在不同水化进程下完成TiO2光催化剂与基体的负载，得到的复合效果不同。随着PMOC基体中5相晶体发育，5相晶体持续向外生长至成熟，晶须与纳米TiO2颗粒的搭接作用促进了基体表面对光催化剂的分散。负载效果的差异会影响PCM的TiO2负载量、孔结构和比表面积，进而影响催化效率。
　　基于吸附剂增效机理，确定了吸附剂传质增效提高PCM净化能力的路线。选用活性炭（AC）作为吸附剂，确定了活性炭与光催化剂的复合工艺参数并分析其复合机理。系统研究了TiO2/AC复合光催化剂引入PMOC基体后的复合结构和协同净化机制，确定了最佳的复合结构参数。确定了活性炭破碎、酸洗、真空负压-超声分散复合TiO2、热处理的光催化功能工艺流程。TiO2与AC的最佳质量比例为4:25，最佳的热处理温度为350℃。活性炭负载TiO2后，TiO2在活性炭表面高度分散，但同时也堵塞了活性炭表面的孔。合适的热处理温度可在一定程度上促进表面TiO2团聚，进而提高协同净化能力。采用一次成型工艺将TiO2/AC引入PMOC基体，最佳的工艺参数为基体密度0.35g/cm3，TiO2/AC掺量为4wt.％，系统分析结果表明TiO2/AC掺量、基体密度、稳定孔结构三个因素的相互协调才能实现吸附、催化性能的最大化发挥。过高的TiO2/AC掺量会带来TiO2/AC颗粒的过度聚集和基体孔结构的破坏，进而抑制PCM的净化能力。
　　在对PCM进行系统研究的基础上，本文设计了三种PCM净化片结构和四种净化器结构，确定了PCM净化片和净化器结构的最佳组合。研究表明气体传质效率和反应吸附过程对光催化技术空气净化器的影响显著，可以通过改进净化器结构改善气体传质效率，并通过增强净化材料吸附性能促进反应吸附过程。另一方面，光催化反应面积的提高可以通过增加PCM层来实现，但是要以不影响气体传质吸附过程为前提。所设计的净化材料和空气净化器送至国家建筑材料测试中心（北京）进行了三方认证测试，验证了其高效空气净化能力。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 选题背景及意义

1.2光催化材料环保技术

1.3 水泥基光催化材料国内外研究现状

1.4 存在的问题

1.5 研究目的及内容

1.6 研究方法和技术路线

第二章 原材料和实验方法

2.1 实验原材料

2.2 多孔氯氧镁水泥基体制备工艺

2.3 光催化剂的复合方法

2.4 测试方法

第三章 镁基PCM材料的基体微观结构调控技术

3.1氯氧镁水泥（MOC）水化机理与微观结构变化

3.2 PMOC制备与光催化剂负载工艺

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

第四章 钛镁碳体系PCM材料传质增效研究

4.1 吸附剂增效机理

4.2 实验方案与过程

4.3 实验结果分析

4.4 本章小结

第五章 基于PCM材料的空气净化器研制

5.1 实验方案与过程

5.2 实验结果与分析

5.3 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

致谢

参考文献

硕士期间发表论文、专利及参加科研情况