基本信息
- 项目名称：
- 环形反应器中苯-甲苯气体混合物的光催化降解
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 本研究通过设计的新型光催化反应器（CPCR），系统研究了光催化降解室内的主要污染物苯-甲苯混合物，从动力学角度出发，研究了光催化降解与吸附、浓度、失活等方面系统揭示了光催化反应半衰期的变化规律。
- 详细介绍：
- 1.研究背景与课题的提出 大型公共场所、办公室、家庭居室空气质量日益受到人们的关注，尤其可挥发性有机污染物(Volatile Organic Compouds, VOCs)、氮氧化物（NOX）、硫氧化物(SOX)以及氨等，会严重影响到人们的身心健康。按照世界卫生组织(WHO) 的定义[1]，挥发性有机化合物是指沸点范围在 50～260℃之间，室温下饱和蒸气压超过 133.32Pa，以蒸气形式存在于空气中的一类有机物，如芳香烃、脂肪烃、卤代烃、含氧烃等。其中，VOCs是主要的室内污染物，来源于室内装饰装修、吸烟、外界动力机械尾气排放和燃料燃烧残余组分扩散进入室内。 EPA (U.S. Environmental Protection Agency) 预测，全球工业 VOCs 产量可高达14.5万吨/年。室内建筑和装饰使用的油漆、涂料、地板蜡、胶粘剂、木材防腐剂；家用卫生品如: 杀蚊蝇剂、防蛀剂、防臭剂以及化妆品；还有衣物等纺织品也可散发出VOCs, 从而导致生活在这种环境中的人们常常会出现身体不适，即所谓的“不良建筑综合症（SBS, sick building syndrome）” 近年来，各种新型室内建筑装潢装饰材料和电器设备成为新的化学污染源。各种新型建筑材料、厨房炊具、化妆品、日用化学品和化学制品、复印机、放射性污染物等都是重要的室内化学污染源。尽管其含量一般仅在mg/kg级水平，甚至更低，但人们长时间滞留于室内其影响还是十分严重的。医学研究表明，室内污染物可造成呼吸道、心血管疾病和癌症等。 鉴于VOCs的严重危害，各国政府相继颁布法令，对VOCs的排放源头和释放过程进行控制。美国通过了《清洁空气修正案》和《污染防治法》，规定了废气排放标准。我国也相继颁布了《工业企业设计卫生标准》(1997)、《恶臭污染物排放标准》(1993)和《大气污染物综合排放标准》(1997)，对居住区大气及生产车间的空气中部分有机污染物的最高容许浓度已有明确限制；2000年通过的《中华人民共和国大气污染防治法》也有专门章节对有机物污染的防治进行了严格的法律规定，这使得对有机污染物的排放监督管理和控制逐步走向有序化。2006年8月1日起我国开始实施新修订的《民用建筑工程室内污染控制规范》GB50325—2001（2006年版），具体指标如表1-2所示。虽然目前我国对VOCs排放标准的制定及控制目标还不完善，但必然会在今后加强这方面的工作，寻找有效控制VOCs的技术和方法。传统的处理技术如吸附、通风、过滤等对这些低浓度污染物处理存在费用高、效率低，尤其是上述技术带来的二次污染问题使其难以商业应用。面对这些问题，科研工作者的主要任务是解决大型公共场所污染物的检测和去除问题。目前主要的检测技术气相色谱法、化学发光法、电化学方法和比色法等，各种方法各有特色，但也存在相应的不足。VOCs的治理方面，近年来人们已经开发出了一些卓有成效的治理技术，有溶剂吸收法、吸附法、热破坏法、电晕法、光氧化分解法、等离子体分解法和生物膜法等。为此，本课题提出了利用流化床技术结合光催化原理，实现对VOCs的氧化治理。 2．半导体材料TiO2光催化反应机理 自19世纪70年代Fujishima和Honda发现了半导体材料光催化裂解水的现象以来，光催化氧化技术（Photocatalytic Oxidation，PCO）得到迅速发展。该技术使用的纳米半导体光催化剂，在环保中起到发挥了重要作用，且不带来二次污染，被誉为“绿色环保型催化剂”。光催化技术是利用光生强氧化剂将有机污染物彻底氧化成H2O、CO2等小分子的高级氧化技术，具有反应条件温和，设备简单，易于操作，且对低浓度污染物或气相污染物有很好的降解效果等特点。此外，光催化技术具有催化剂材料易得，运行成本低，可利用太阳光作为催化光源等优点，是一种具有巨大应用价值的污染治理技术。 早期的PCO技术主要研究水处理工作，而对低浓度气态污染物的研究是近年来发展的新技术，国内外对光催化降解挥发性有机物的研究发展迅速。常用的金属氧化物光催化剂有：Fe2O3、WO3、Cr2O3、ZnO、ZrO、TiO2等。由于TiO2来源广、化学稳定性和催化活性高，没有毒性，成为研究中最常用的光催化剂。 从研究报道的机理上看，光催化作用包括三个基本过程：半导体吸收能量大于禁带宽度（band-gap energies） Eg 的光子激发产生电子-空穴对（electron-hole pairs）；激发的电子和空穴迁移到半导体颗粒的表面；如果能带边缘（band edge）位置符合某种要求时，光生电子和空穴就会与水或有机物发生氧化还原反应，从而产生光催化作用。 从光催化反应途径看，左国民等分别研究了三氯乙烯、丙酮、苯、甲苯、二氯甲烷、三氯甲烷、四氯化碳的气相光解及光催化反应，认为导致有机物分解的途径主要有以下四条： 1）光解自由基反应。有机物分子自身吸收光子后产生能级跃迁，引发进一步的光化学反应。 2）引发剂光解引发自由基的反应。光照可以活化空气中的O2和H2O分子，进而产生氧化性能更强的活性组分，这些活性组分与有机物的反应可导致有机物被降解。 3）光催化氧化。主要是光激发活化催化剂，产生空穴和•OH自由基，从而进一步氧化有机物分子。 4）光催化还原。主要是光活化催化剂，在价带上产生电子，通过光生电子还原有机物。反应在空气介质中通常难以进行，需在反应体系中引入电子供体来捕获光生空穴，反应才能够进行。 从研究的着眼点来看，半导体光催化材料，特别是TiO2，在光催化治理VOCs污染物的相关报道较多，主要集中在以下几个方面： 1）研究了各种操作条件对VOCs降解速率的影响； 2）对半导体催化剂的改性技术研究，如催化剂表面进行贵金属沉积、离子掺杂、半导体复合、有机染料光敏化和载体负载技术对催化剂进行改性处理，制备了催化活性高的光催化剂来提高对VOCs的降解效率或使催化剂的吸收波长红移到可见光区域； 3）对光催化反应中间体进行测定，以此推断其反应机理； 4）开发不同类型的光催化反应器以达到高效降解VOCs的目的，并利用动力学模型等对反应器的设计开发进行研究，促进其产业化应用。 3. 本成果的研究内容 气态可挥发性有机物（VOC）是居室内的主要污染物，对人们的身心健康有严重的危害，采用合适的技术治理室内污染势在必行。本研究通过设计的新型光催化反应器（CPCR），系统研究了光催化降解室内的主要污染物苯-甲苯混合物，从动力学角度出发，研究了光催化降解与吸附、浓度、失活等方面系统揭示了光催化反应半衰期的变化规律。
作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 围绕光催化技术的研究，治理居室内存在的大气污染问题，展开光催化治理技术的理论研究，为进一步实现工业化的应用奠定基础。
科学性、先进性及独特之处
- 本课题的研究实现了用无二次污染的洁净技术治理室内污染，具有极高的科学意义和先进性，特别地，对于开发的光催化反应器的研究具有极大的创新性。
应用价值和现实意义
- 通过对居室内多组分光催化降解研究，更加贴近实际环境中存在的污染物，特别研究了多组分之间的相互作用关系，具有崭新的理论意义和现实意义。
学术论文摘要
- 气态可挥发性有机物（VOC）是居室内的主要污染物，对人们的身心健康有严重的危害，采用合适的技术治理室内污染势在必行。本研究通过设计的新型光催化反应器（CPCR），系统研究了光催化降解室内的主要污染物苯-甲苯混合物，从动力学角度出发，研究了光催化降解与吸附、浓度、失活等方面系统揭示了光催化反应半衰期的变化规律。
获奖情况
- 2011年3月发表在Chem.Eng.Technol.2011,34（3）：400-408 WILEY-VCHVerlagGmbH&Co.KGaA,Weinheim
鉴定结果
- SCI 收录
参考文献
- 光催化技术与反应器研究文献资源：ELSEVIER ，ACS, WILLEY 理论成果参考：Investigation into the Voidage Distributions of Nano-Sized Titania Agglomeration in Annular Fluidized Bed, I.RE.CH.E., 2011，3(1):105-110 专利：光催化流化床降解可挥发性有机物的装置；一种声光耦合环隙光催化流化床降解VOCs装置。
同类课题研究水平概述
- 本研究论文—Photocatalytic Degradation of a Gaseous Benzene-Toluene Mixture in a Circulated Photocatalytic Reactor,发表在化学工程领域著名期刊Chem.Eng.Technol. 之上，属于SCI三区收录，影响因子为1.266。 通过光催化降解多组分体系的研究，揭示了组分分子之间的相互作用对光催化反应半衰期的影响，说明了光催化技术的应用价值和理论意义；另外，在设计开发的膜催化剂反应器中实现了光催化技术，作为反应器的开发与利用具有较高的经济价值和社会意义。 与同类技术比较，具有明显的优势和崭新理论特色。参考文献如下： （1） Synthesis, PhysicalProperties, and Characterization of Starch-Based Blend Films by Adding Nano-Sized /Poly (methylmetacrylate-co-acrylamide) TiO. Journal of Applied Polymer Science,Vol.120,1850-1858(2011) （2）Photocatalytic Aerobic Oxidation of Alcohols on TiO2 : The Acceleration Effect of a Bronsted Acid. Angew.Chem.Int.Ed. 2010, 49,7976-7979. （3）Intrinsic kinetic modeling with explicit radiation absorption effects of the photocatalytic oxidation of cyanide with TiO2 and silica-supported TiO2 suspensions. Applied Catalysis B: 85(2008) 48-60.
