一種應用于臭氧分解的新型　復合催化劑研究

溫得偉

？課題的確定

隨著人類活動的加劇，地球表面的臭氧（即O3）層出現了嚴重的空洞。我查找相關資料后發現，O3不但存在于大氣的平流層中，而且也存在于我們的生活中。如我們常用的打印機、復印機等辦公設備，由于靜電電壓非常高，會產生大量的O3。O3對人類有其有利的一面，但在近地面處也能對人體產生危害。我想到在媽媽的辦公室中有幾臺打印機和復印機，我在里面等媽媽時，有時能聞到一種怪怪的味道，而且媽媽經常說自己疲乏、頭暈，原來這都是O3所致。事不宜遲，為了媽媽的健康，我決定繼續探究，考慮有沒有一種辦法解決這些辦公設備中O3排放問題。

O3分解的主要方法有稀釋法、洗滌法（藥液吸收法）、熱分解法、電磁波輻射分解法、活性炭吸附法、催化分解法等。通過分析，這些方法各有優缺點，那么針對室內O3污染現狀，有沒有一種更好的分解O3的方法呢？我的設想是在產生O3的電器排風口處加裝一個由風扇和吸附劑組成的分解裝置，以達到吸附分解O3的作用。

實現這一構想，必須要解決吸附劑或者催化劑的問題，通過一種有效的催化劑對O3進行吸附和分解。我決定選擇人們最常用的活性炭作為催化劑進行實驗。

？研究內容？ 研究思路

O3分子是由3個氧原子形成的一種特殊的氧的同素異形體，自身不穩定。O3的分解速度隨著溫度的升高而加快，溫度超過100℃時，分解非常劇烈；達到270℃時，可立即轉化為氧氣（O2）。活性炭是最常用的吸附劑，雖然有強烈吸附、催化分解能力，但研究表明其有效性和壽命難以保證，同時活性炭還會產生多種副產物。適宜的催化劑應該是一種既有極強的吸附能力、能夠富集O3，又有強烈的催化分解O3的能力，而且自身穩定的物質。根據這樣的原則，可以選用沸石等吸附能力較強且對O3穩定的材料作為催化劑。對沸石做適當改性，使它對O3有較強的吸附、分解能力，應該可以成為比較理想的分解O3的催化劑。

如果在催化劑中選擇一種比熱容小、升溫快的材料，應該能更好地發揮催化分解和熱致分解O3的作用。通過查閱物質的比熱容表得知，石英砂的比熱容大約0.8kJ/kg℃，升溫相對較快。且石英砂的主要成分是SiO2，與O3不發生反應，性質穩定。只是石英砂的比表面積小，不適于作為吸附劑。為此，對石英砂進行了鐵離子堿化改性，試圖提高其對O3的選擇性吸附分解能力。將其與改性沸石共同使用形成復合催化劑，既能發揮石英砂升溫快，提高熱致分解O3的作用，又能發揮改性沸石吸附分解的作用。

？ 常用催化劑分解臭氧的分析

？實驗材料與儀器

臭氧發生器，氣源為氧氣源；紅外測溫儀；離子色譜Metrohm？ 820IC；元素分析儀Vario？EL？III；分解柱；粒狀煤質活性炭（密度0.45？ 0.55？g·cm-3，比表面積897？m2·g-1，微孔容積0.43？cm3·g-1，粒徑約2.0？2.5？mm，孔隙率42%，灰分5%？ 18%）；試劑級人造顆粒沸石（密度1.9？2.3？g·cm-3）；石英砂（粒度0.8？1.2？mm，孔隙率0.41）；氫氧化鈉、氯化鐵等試劑均為分析純。

？實驗方法

O3發生器選用可利用氧氣源作為氣源的發生器。其中，作為氣源的氧氣流量為1.4？1.6？？L·min-1，O3含量為7.8？9.8？mg·min-1；流量由流量計控制，實驗中保持相對穩定。在分解實驗開始后，O3產生量的確定方法為每15min將O3用KI溶液吸收后，用碘量法測定，計算后取其平均值，作為實驗過程中O3的發生量（連續分解實驗中，僅測試開始和結束時的O3發生量，并取其平均值作為實驗過程中O3的發生量）。經催化分解后的尾氣通入裝有KI溶液的吸收瓶，利用KI溶液吸收、檢測，加入淀粉后如無顏色變化，則表明O3分解效率達到100%；否則用碘量法測定吸收液中的O3含量。

溫度變化測定按照分解測試流程，將第1支分解處理柱沿氣流方向從開始接觸催化劑時起，每隔1.5？cm標注1點作為測溫位點，共取5個位點如圖2，依次定位為位點1—位點5，按照一定時間間隔用紅外測溫儀測溫，連續運行、測定60min或更長時間。測溫時，要求紅外測溫儀距離位點2cm，在位點垂直上方測定。

CO2產生量用TOC分析儀測定，并對照其中TC和IC的差別，確定吸收液中是否存在其他形式的可被吸收的含碳物質。

實驗結束后，再將填充了催化劑的分解處理柱在110℃溫度下烘干1？h，稱重，計算得到活性炭損失量。

離子色譜分析時，以0.01mol·L-1的NaOH為吸收液，吸收不同分解時間段的尾氣。用離子色譜測定其中陰離子含量。

含鐵量采用重鉻酸鉀法測定。分別稱取3g涂鐵樣品，用鹽酸溶液加熱溶解鐵，加氯化亞錫將3價鐵還原為2價鐵，再加入氯化汞溶液除去過量的氯化亞錫，以二苯胺磺酸鈉為指示劑，用重鉻酸鉀標準溶液滴定。

？ 催化劑的重新選擇與設計

？催化劑的選擇。

適宜的催化劑應該是一種既有強吸附能力，能夠富集O3，又能強烈催化分解O3，自身又比較穩定穩定即不發生損耗的物質。

沸石是比較常用的吸附材料，其中既有氧化鋁也有氧化硅等成分，且穩定、顆粒度適中，只是對O3的分解率較低。我選取沸石對O3進行吸附降解實驗，用KI吸收液檢測尾氣中剩余O3量，系統連續運行5？h，O3分解效率為44%？ 54%。

？沸石的改性。

從文獻中得知，吸附劑可以改性，對沸石做適當改性，可能提高其分解效果。如果這樣，它就可以成為較合適的O3分解的催化劑。

將濃度為1.2？mol·L-1的鐵鹽溶液勻速攪拌，攪拌過程中加入濃度為0.1？mol·L-1的NaOH溶液，令溶液pH值達到2.0左右，此時形成鐵氧化物的納米晶體，并穩定分布于膠體體系中。

將沸石以固液質量比1∶3投入pH值為5左右的稀HNO3溶液中，勻速振蕩30？min后，緩慢加入含鐵溶膠，沸石和含鐵溶膠的體積比為1∶1，保持振蕩1？h，離心分離后取出沸石。

用純水清洗至少3次后的沸石經過離心分離，并經110℃烘箱干燥后，于400℃馬弗爐中焙燒2？h，制得改性沸石。測得其含鐵量為1.31%。

？課題的進一步研究設想

本課題重點利用改性后的沸石和石英砂形成復合催化劑，既發揮了石英砂升溫快，提高熱致分解O3的作用，又能發揮改性沸石吸附分解作用。實驗證明，這種復合催化劑安全性好，自身不消耗，使用壽命長，不產生有害物質。

本項目進一步研究的重點為：

？繼續選擇不同的金屬改性劑，如其他銅、鋁等金屬鹽，期望得到更加穩定、分解O3效率更高的催化劑。

？進一步深入對改性沸石和改性石英砂等分解劑的研究，探索更安全、高效、穩定的臭氧分解方法，努力摸索本項目成果的實際應用途徑。

？把本研究成果做成一個網站或微博，大力宣傳工業和室內產生的O3對環境的污染和對人體的危害，以引起人們的高度關注，并在校園中宣傳相關知識。

？課題成果的應用前景

本項目研究成果，能夠為打印機、復印機等產生O3的設備，配置具有穩定且高效的催化劑的吸附分解裝置。

我的設想如下（以常用的復印機為例）：

在復印機感光鼓工作區域的外部排風口加裝1個O3過濾裝置，在過濾裝置中部安裝1個嵌入式分解槽，內置由改性石英砂、沸石等為原料的復合催化劑。在出風口用1個風扇向外排風抽氣，以使內部空氣更快通過。當含有O3的氣體進入吸附裝置時，就會被過濾裝置中的復合催化劑吸附富集并分解催化，從而降低機器排出的氣體中的O3含量，減少O3對室內環境的污染，降低其對人體的危害（見圖3）。