一種新型甲醛處理裝置及處理效果研究

徐艷，徐建平，徐小明，黃亞偉

(1.安徽工程大學 生物與化學工程學院，安徽 蕪湖 241000;2.江蘇金陵科技集團公司，江蘇 南京 210008)

早在2006 年“兩會”中，建設節約型和環境友好型社會是與會代表們議案提案的熱點。可持續發展概念漸入人心，環境污染也成為公眾越來越關心的熱門問題。室內空氣污染是影響人類生活質量和身體健康的最重要的問題之一。有研究表明，68%左右的疾病與室內空氣污染有關［1］，而建筑、裝飾裝修和家具造成的室內環境污染成為影響人們健康的一大殺手。其中影響最大的就是甲醛，它是廣泛存在的有毒物質，可能存在于大氣、室內空氣以及食品中，對人體健康有負面的影響，輕度會感覺咽喉不適或疼痛，重度會引起惡心、嘔吐、咳嗽、胸悶、氣喘，甚至導致死亡［2-9］。

光觸媒是一種以納米級二氧化鈦為代表的具有光催化功能的光半導體材料的總稱，是當前國際上治理室內環境污染的理想材料，它不消耗地球上的能源，是治理環境中痕量污染物的最佳選擇。光觸媒在388 nm 紫外光的照射下，利用空氣中的氧分子及水分子，產生類似光合作用的光催化反應，能產生氧化能力極強的自由羥基和活性氧，可氧化分解各種有機化合物和部分無機物，把有機污染物分解成無污染的水和二氧化碳，因而具有極強的殺菌、除臭、防霉、防污自潔、凈化空氣功能。光觸媒的另一個特性為利用空氣中的氧分子及水分子將所接觸的有機物轉換為二氧化碳和水時，自身不起變化，理論上可以永久性的使用，維護費用低。同時，所含二氧化鈦本身無毒無害，已廣泛用于食品、醫藥、化妝品等各種領域［5，10-13］。

本文以甲醛氣體為污染源，通過自行設計的新型甲醛處理裝置進行多種實驗研究，考察光觸媒在不同影響因素的情況下降解甲醛的效率，包括光照強度、光觸媒用量、甲醛初始濃度等［14］。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

甲醛溶液(37% ～40%)，分析純;高活性5 nm二氧化鈦;超純水等。

GRI-85XX 壁掛式氣體檢測芯片;紫外線燈管(8 W 燈管2 只，15 W 燈管1 只);直流橫流風扇(葉輪直徑為30 mm，長度為300 mm)等。

1.2 實驗準備

1.2.1 標準甲醛氣體的制備［15］用潔凈干燥的全玻璃注射器作為甲醛的配氣容器，用微量注射器吸取1 ～10 μL 濃甲醛溶液(35% ～40%)，注入密封的且充滿用活性炭柱過濾后的潔凈空氣、乳頭處用彈性材料密封的50 ～100 mL 玻璃注射器中，均勻加熱玻璃注射器，使注射器內的甲醛完全揮發后冷卻至室溫，此時玻璃注射器內壁有一層水汽凝結，該層水汽會吸收已經揮發在氣相中的甲醛，使之濃度不斷降低。馬上將上述含有甲醛的氣體轉移至另一支相同體積、潔凈干燥、用彈性材料密封的全玻璃注射器內，靜置10 ～20 min 后再次將其轉移至第三支相同體積、潔凈干燥、用彈性材料密封的全玻璃注射器內，靜置30 ～90 min 后，如玻璃注射器內壁仍有水汽，則需繼續轉移，使注射器內的氣體干燥且甲醛含量在一定時間內基本保持不變。取適量經上述處理后的甲醛氣體用下列四種分析方法之一標定后可以作為甲醛儲備氣體，再用活性炭柱過濾后的潔凈空氣作為稀釋劑，配制成不同濃度的標準甲醛氣體。

1.2.2 配制不同濃度的光觸媒溶液 用電子天平稱取質量分別為7.500，12.500，17.500，22.500 g的二氧化鈦粉末，放入500 mL 的大燒杯中，加蒸餾水不斷攪拌，使二氧化鈦粉充分溶解。將溶液倒入500 mL 的量筒中加水到500 處的刻度線。此時二氧化鈦溶液的質量分數分別為1.5%，2.5%，3.5%和4.5%。

1.3 質量體積濃度與ppm 的換算

式中 X——污染物以每立方米的毫克數表示的濃度值;

C——污染物以ppm 表示的濃度值(1 ppm=10－6);

M——污染物的分子量。

根據國家室內空氣質量標準GBT 18883—2002規定，甲醛含量的合格標準為0.1 mg/m3，甲醛的分子質量為30，換算成ppm 表示的甲醛合格標準為:

1.4 實驗方法

新型甲醛處理裝置(圖1)采用絕緣機殼，裝置由控制板、中央處理器、傳感器和顯示屏組成的電子元件系統和涂有光觸媒的紫外燈所連接，負責接收和處理各項指令。設定室內甲醛的上限值為8.0 ppm，當室內甲醛的濃度超過此值時，傳感器采集到數據并發出報警信號，此時涂抹光觸媒的紫外線燈啟動處理甲醛，通過軸向風機的作用加大室內空氣的流通速率，增加室內空氣與光觸媒的接觸面積，達到凈化空氣的目的，保證了室內甲醛的濃度在國家標準范圍內。

圖1 甲醛處理裝置設計圖Fig.1 Formaldehyde treatment device design

圖2 甲醛處理裝置流程圖Fig.2 Flow chart of formaldehyde treatment device

用37% ～40%的甲醛揮發的蒸汽作為污染源，在甲醛初始濃度為8.0 ppm、二氧化鈦質量分數在特定濃度的環境中，將紫外燈管兩端口包住放入其中浸泡30 min，晾干后通電。通過設計的系統，利用電化學原理，接收甲醛實時數據并顯示在甲醛測定儀器上。

2 結果與討論

2.1 光照強度對光觸媒處理甲醛效果的影響

不同光照強度照射下甲醛去除率隨時間的關系見圖3。

圖3 光照強度對光觸媒處理甲醛的影響Fig.3 The effect of illumination intensity on the formaldehyde treatment by photocatalyst

由圖3 可知，隨著光照強度的增加，光觸媒處理室內甲醛達到國家標準濃度所需時間越短，光照強度越強，甲醛的去除率越高。

光觸媒在特定波長(388 nm)的光照射下，會產生類似植物中葉綠素光合作用的一系列能量轉化過程，把光能轉化為化學能而賦予光觸媒表面很強的氧化能力，可氧化分解各種有機化合物和礦化部分無機物，并具有抗菌的作用。在光照射下，光觸媒能吸收相當于帶隙能量以下的光能，使其表面發生激勵而產生電子(e－)和空穴(h+)。這些電子和空穴具有很強的還原和氧化能力，能與水或容存的氧反應，產生氫氧根自由基(·OH)和超級陰氧離子(·O)。不同的光照強度產生的光能不同，因此產生的電子和空穴數量會有差異，導致了光觸媒處理甲醛的效率也會不同。

2.2 甲醛初始濃度對光觸媒處理甲醛效果的影響

不同初始濃度甲醛去除率隨時間的關系見圖4。

圖4 甲醛初始濃度對光觸媒處理甲醛的影響Fig.4 The effect of the initial concentration on the formaldehyde treatment by photocatalyst

由圖4 可知，甲醛的初始濃度越高，要達到室內甲醛的合格標準，所用的時間越長。甲醛初始濃度越高，同樣的時間去除率越低，即所花費的時間比例越多。從這點來看，處理裝置應該盡可能的在較低的甲醛濃度下就啟動。

2.3 光觸媒用量對甲醛去除效果的影響

不同光觸媒用量時甲醛去除率隨時間的關系見圖5。

圖5 光觸媒用量對甲醛去除效果的影響Fig.5 The effect of the photocatalyst dosage on the formaldehyde treatment

由圖5 可知，在甲醛初始濃度8.0 ppm 條件下，光觸媒溶液的濃度越高，甲醛去除率越高，達到甲醛國家標準所用的時間越少。在實際應用中，考慮時間和成本的因素，可以選擇2.5%的光觸媒濃度。

3 結論

(1)光照強度對TiO2光觸媒光催化效應有影響，光照越強，光催化效率越高。

(2)甲醛的初始濃度越高，要達到室內甲醛的合格標準，所用的時間越長。因此，甲醛處理裝置應該盡可能的在較低的甲醛濃度下就啟動。

(3)TiO2光觸媒的用量越大，甲醛降解速率越快。在實際應用中，綜合考慮成本和時間的因素，選擇2.5%的光觸媒濃度為佳。

(4)本設計裝置對室內甲醛處理效果理想，可以用于汽車、KTV、辦公室及室內居室等環境。

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