設計小體積密閉試驗艙評價甲醛降解效率

鐘廣蓉 王海鷗

摘要：本文設計一個半開放式綜合性實驗項目，運用自制的小體積密閉試驗艙來檢測納米TiO2材料對甲醛光催化降解性能。實驗設計中，對艙體進行綜合評價后，選取水熱法制備的鐵摻雜納米TiO2和氮摻雜納米TiO2作催化劑降解甲醛，比較了其在可見光下對甲醛的降解效果，最后通過動力學研究可知甲醛在納米TiO2表面氧化反應符合一級動力學方程。該綜合性實驗項目設計覆蓋了多學科交叉的綜合訓練，有助于把學生培養成“具有創新精神和實踐能力的高級專門人才”。

關鍵詞：密閉試驗艙；摻雜納米TiO2；甲醛降解；實踐教學

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）38-0047-02

有機污染物是環境中對人們日常生活影響很大的污染物，光催化降解有機污染物是近年研究熱點之一[1-3]。為了幫助學生提高解決實際問題的能力，北京科技大學化學與生物工程學院實驗室將專業課教師科研課題項目中代表性的內容轉化為實驗教學內容，取得一定成效。例如，實驗教學中設計了一個半開放式綜合設計性實驗項目，該項目以取水熱法制備的鐵摻雜納米TiO2和氮摻雜納米TiO2作催化劑[4]，分析和研究其對甲醛的降解，教師還專門設計了一個小體積密閉試驗艙，用來模擬甲醛等揮發性有機化合物室內空氣污染的檢測。

一、實驗設計目的

本綜合性實驗設計目標是培養學生：（1）了解光催化氧化技術及其在環境中的應用進展；（2）了解試驗艙設計及性能評價體系；（3）掌握利用光降解實驗評價納米TiO2光催化活性的方法；（4）培養學生解決實際問題能力和科學思維習慣；

二、儀器及試劑

1.儀器。自制64L密閉實驗艙；QC-2大氣采樣器（北京市勞動保障研究所），722型分光光度儀（上海第三分析儀器廠）。

2.試劑。鐵摻雜納米TiO22粉體（Fe/Ti為1at%～5at%）與氮摻雜納米納米TiO2粉體（均為自制），甲醛標準溶液（1.08g/mL，國家環保局），乙酰丙酮（北京化學試劑廠），冰醋酸（北京化學試劑廠），醋酸銨（北京化學試劑廠）。

三、試驗艙的設計

試驗艙艙體由鋼化玻璃板制作，為小體積64L的正方體型試驗艙，邊長40cm，頂部有一個可取下的邊長為44cm鋼化玻璃蓋，其結構示意見圖1。艙頂分別安裝節能燈和電扇，使標準溶液在短時間完全揮發且均勻快速擴散到氣候艙中，艙體側面留有甲醛采樣孔。艙蓋選用惰性密封材料保證與艙體密封良好，并且密封材料與艙內空氣的接觸面積要盡可能小。艙身外部用錫紙嚴密包覆，避免外界條件變化對降解效果評價產生影響。

四、實驗方法

根據國標規定的標準方法[5]，在采樣管中注入8mL二次蒸餾水作為甲醛吸收液，開啟大氣采樣器采集實驗艙中的氣體20min（5mL/min）；用水稀釋定容至10mL，加0.25%乙酰丙酮溶液2.0mL，混勻，置于沸水浴加熱3min，取出冷卻至室溫。用1cm吸收池，以空白試劑為參比，于波長413nm處測定吸光度值，計算實驗艙內甲醛的濃度。

五、實驗數據

1.試驗艙性能評價。向艙內加入100.0μL濃度為10.8mg/mL的甲醛溶液，當甲醛揮發完全且艙內濃度均勻時，測定甲醛的濃度C0，隔120min再測一次甲醛濃度Ct，前后濃度自然對數差除以測定時間t，即為平均空氣交換率A。實際測定A=0.014，符合國家標準規定的泄漏率小于0.05/h的要求[6]。實驗前先用強堿性清洗劑，然后使用自來水沖洗艙內表面，最后使用去離子水沖洗，晾干，使清潔空氣進入試驗艙，8小時后檢測艙內空氣的本底濃度，甲醛為4.0μg/m3；小于標準中甲醛本底濃度5μg/m3的要求。艙內加入濃度為10.8mg/mL的甲醛溶液100μL（按照文獻[7]中規定甲醛指標限量值的10倍），開啟風扇攪拌，實驗表明40min后，艙內甲醛濃度基本穩定。測量艙內了不同區域甲醛濃度，結果均勻穩定，RSD%是1.0%。艙內注入甲醛標準溶液，開啟風扇攪拌，隔一定時間測定一次濃度，一星期內重復測量四次，測定結果RSD%是1.0%，具有良好的重復性。

2.催化劑性能表征。本文使用水熱法制備的鐵摻雜TiO2和氮摻雜TiO2作為光催化材料，粒子尺寸均為10～20nm。鐵摻雜納米TiO2的紫外-可見光漫反射實驗顯示，氮摻雜TiO2和鐵摻雜納米TiO2粉體有著良好的紫外光響應能力，同時吸收邊都產生了明顯紅移，鐵摻雜納米TiO2吸收邊紅移到570nm，氮摻雜TiO2的吸收邊紅移至580nm。將制備好的光催化材料成均勻撒在一個試驗艙底部，從試驗艙的進樣口注入100uL甲醛標準（1.08g/mL）溶液，每個一段時間分別采集艙中的氣體，按照文獻[5]規定的標準方法測驗甲醛（乙酰丙酮法）的濃度變化，計算催化劑粉體的降解效率，氣體降解率通過公式如下計算：η=。式中η——降解率，%；C0——初始濃度；Ct——t時的濃度。在室溫條件下，摻鐵2%納米TiO2、摻鐵5%納米TiO2、氮摻雜TiO2粉體對甲醛的降解效果見表1。2天的降解率可達到90%以上，3天的降解率可以達到98%以上。表明通過摻雜改性的納米TiO2在可見光下具有很好的光學活性，對氣相中的甲醛有較強的降解作用。

3.甲醛降解動力學方程。甲醛在催化劑表面被氧化要經過擴散、吸附、表面反應以及脫附等步驟，假設在通過風扇擾動消除了擴散、反應物的吸附和產物的解吸的影響后，則多相光催化的總反應速度只由表面反應所決定。隨著反應物濃度的降低，光催化氧化反應的速率降低。計算催化劑動力學方程見圖2，從計算結果得出甲醛在納米TiO2表面的反應是一級反應。符合Langmuir Hinshelwood動力學方程。

六、結語

采用小體積密閉試驗艙評價甲醛降解效率實驗項目內容豐富，設計覆蓋了多學科知識點，如，該實驗中光催化劑的合成方法及改性實驗涉及高分子化學學科；光催化反應器密閉試驗艙設計涉及到機械工程學科；光催化劑降解效能、檢測方法涉及到分析化學學科；光催化降解動力學涉及化學建模方法與物理化學的基本理論研究。通過這種多學科交叉的綜合訓練，有助于培養學生在化學一級學科層面開闊思想，拓寬專業知識結構，提高自身綜合素質，在實踐教學中培養“具有創新精神和實踐能力的高級專門人才”。

參考文獻：

[1]Florence B M.VOC photodegradation at the gas–solid interface of a TiO2 photocatalyst[J].Journal of Photochemistry and Photobiology A：Chemistry，2000，132：225-232

[2]Wang S.Volatile organic compounds in indoor environment and photocatalytic oxidation：State of the art.Environ Int （2007）.

[3]Belver C.Nitrogen-containing TiO2 photocatalysts：Part 1.Synthesis and solid characterization.Appl Catal B Environ， 2006， a65：301-8.

[4]Ju Y J.Photodegradation of gaseous volatile organic compounds（VOCs） using TiO2 photoirradiated by an ozone-producing UVlamp t[J]. Journal of Photochemistry and Photobiology A：Chemistry ，2005 ，76：279-87.

[5]GB/T15516-1995.空氣質量甲醛的測定-乙酰丙酮分光光度法[S].1995.

[6]GB/T 18801-2002空氣凈化器[S].2002.

[7]GB50325-2001民用建筑工程室內環境污染控制規范[S].2001.