TiO2納米顆粒光催化降解甲醛的條件優化
2013-12-31 00:00:00張紅美孔德國羅華平
湖北農業科學 2013年12期
摘要：針對甲醛污染的問題，以銳鈦礦型TiO2納米顆粒為催化劑對甲醛進行光催化降解，主要研究了光照時間、甲醛稀釋倍數及H2O2濃度對甲醛降解率的影響。結果表明，甲醛的降解率隨時間增加而增加，二者表現為近似線性的關系；當甲醛稀釋倍數為2 000，H2O2濃度為300 mg/L時，甲醛的降解率最高。
關鍵詞：TiO2納米顆粒；光催化降解；甲醛；條件優化
中圖分類號：X788 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）12-2800-03
Optimization of Photocatalytic Degradation Condition of Formaldehyde by TiO2 Nanoparticals
ZHANG Hong-mei，KONG De-guo，LUO Hua-ping
（College of Mechanic and Electrical Engineering，Tarim University，Alar 843300，Xinjiang，China）
Abstract： In view of the formaldehyde pollution，anatase TiO2 nanoparticals were used as photocatalyst to degradate formaldehyde. The effects of illuminative time， dilution ratio of formaldehyde and the concentration of H2O2 on the degradation rate of formaldehyde were studied. The results indicated that the relationship between the degradation rate of formaldehyde and the illuminative time was linear. When the dilution ratio of formaldehyde was 2 000 and H2O2 was 330 mg/L， the degradation rate of formaldehyde was the highest.
Key words： TiO2 nanoparticals； photocatalytic degradation； formaldehyde； condition optimization
甲醛是室內裝修帶來的主要污染物之一，其對人類健康的危害不容忽視。甲醛對孕婦和嬰兒的危害更為嚴重，國際癌癥機構已經將甲醛確定為可疑致癌物[1-5]。因此，如何快速便捷地清除甲醛成為一項重要的任務。常用的凈化甲醛的方法主要有：植物吸附法、通風法、活性炭吸附法及化學法[6]。由于通常的吸附方法只能將甲醛轉移而不是分解，因此，甲醛的毒性并未消除。TiO2納米顆粒由于有大的比表面積、無毒、成本低，并且能將甲醛分解成無毒的CO2和H2O，因此，在環境凈化中應用前景廣闊[7-12]。鑒于此，用銳鈦礦型TiO2納米顆粒對甲醛進行光催化降解，希望能夠為環境凈化提供理論依據。
1 材料與方法
1.1 材料
1.1.1 試劑 銳鈦礦型TiO2納米顆粒，浙江泓晟納米科技股份有限公司；40%甲醛溶液，分析純，洛陽昊華化學試劑有限公司；乙酰丙酮，分析純，鄭州中天實驗儀器有限公司；醋酸銨，分析純，鄭州中天實驗儀器有限公司；去離子水，自制。
1.1.2 主要儀器 721型紫外-可見分光光度計；表面光電壓譜儀。
1.2 方法
1.2.1 光照時間對甲醛降解率的影響 將一定量的TiO2納米顆粒超聲分散到50 mL稀釋1 000倍的40%甲醛溶液中，紫外光照射下，每30 min取樣一次，采用分光光度法測定甲醛的吸光度。
1.2.2 甲醛稀釋倍數對降解率的影響 將0.05 g TiO2納米顆粒分別超聲分散到50 mL稀釋500倍、1 000倍、1 500倍、2 000倍和2 500倍的40%甲醛溶液中，紫外光照射一段時間后取樣測定甲醛的吸光度。
1.2.3 H2O2濃度對甲醛降解率的影響 將0.05 g TiO2納米顆粒超聲分散到50 mL稀釋1 000倍的40%甲醛溶液中，滴加H2O2配制濃度分別為66、132、198、254和330 mg/L的溶液，紫外光照射1.5 h后，采用分光光度法測定甲醛的吸光度。
2 結果與分析
2.1 甲醛的標準曲線
參考文獻[13]繪制甲醛的標準曲線如圖1所示。甲醛的標準曲線方程為：
2.2 光源的選擇結果
表面光電壓譜儀是一種用來測量樣品表面和界面間電荷傳輸性能的儀器。該儀器是借助于入射光來測量樣品表面和界面的信息。同時還可以用來檢測樣品對入射光的響應范圍，因此，具有不污染樣品、靈敏度高、對樣品無傷害等優點[14]，其靈敏度比XPS和AES都高，因此，表面光電壓譜儀的使用范圍更廣[15]。圖2是TiO2納米顆粒的表面光電壓譜。從圖2可以看出，無外電場時，TiO2納米顆粒的光伏響應閾值為375 nm，即對紫外光有響應，而在可見光區沒有任何信息。因此，選擇紫外光作為光催化降解甲醛的光源。由圖2還可以看出，表面光電壓隨外電場的增強而增強，但是響應閾值沒有變化，表明所用銳鈦礦型TiO2納米顆粒結晶較好，沒有表面態存在。
2.3 光照時間對甲醛降解率的影響
圖3是甲醛的降解率隨光照時間的變化關系。從圖3可以看出，甲醛的降解率與光照時間幾乎成線性關系，反應2.5 h后，曲線變得略為平緩。這是因為在入射光的照射下，TiO2納米顆粒表面產生電子-空穴對，空穴具有強氧化性，將與催化劑接觸的甲醛氧化成CO2和H2O，初始時刻有大量的甲醛分子與催化劑表面接觸，因此，甲醛的降解率幾乎與光照時間成線性關系。由于在光催化降解甲醛的過程中，沒有對甲醛溶液進行攪拌，光照一段時間后，催化劑沉降到容器底部，降低了與甲醛的接觸幾率，因此在反應的后期甲醛的降解率變化曲線開始變得平緩。
2.4 甲醛稀釋倍數對降解率的影響
圖4是甲醛的降解率隨稀釋倍數的變化關系。從圖4可以看出，當稀釋倍數為2 000時，甲醛的降解率最高。這主要是因為當稀釋倍數較小時，催化劑的含量相對降低，催化劑對甲醛的吸附能力較小，因此對甲醛的降解率不高；當稀釋倍數較高時，催化劑的含量相對較大，由于催化劑是懸浮在體系中對甲醛進行光降解的，因此，過量的催化劑會阻擋某些催化劑顆粒得不到光照而使對甲醛的降解率較低。故甲醛的稀釋倍數必須在某一個最佳值才能使催化劑與紫外光都得到充分的利用，達到最佳的降解效果。
2.5 H2O2濃度對甲醛降解率的影響
圖5是甲醛的降解率隨H2O2濃度的變化曲線。從圖5可以看出，甲醛的降解率隨H2O2濃度的升高而升高。主要是因為在紫外線的照射下，TiO2納米顆粒表面產生的電子-空穴對中的電子容易被H2O2捕獲生成羥基自由基，促進了電子與空穴的復合，而羥基自由基具有強氧化性，能將甲醛氧化成CO2和H2O，因此，甲醛的降解率隨H2O2濃度的升高而升高。
3 結論
銳鈦礦型TiO2納米顆粒對甲醛的降解性能研究結果表明，甲醛的降解率與光照時間之間具有線性關系，隨光照時間的增加，曲線變得略為平緩；甲醛的降解率隨稀釋倍數先升高后降低，在稀釋2 000倍時，催化劑與光照均得到最佳利用，因此，甲醛的降解率最高；甲醛的降解率隨H2O2濃度的升高而升高，主要是因為催化劑與H2O2之間具有協同效應。
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