大氣中揮發性有機物的污染現狀與光催化處理技術研究

宋璐璐

（晉能控股煤業集團環境督查大隊，山西 大同 037001）

0 引言

揮發性有機物（VOCs）是大氣污染當中最重要的一種成分，其不僅對生態系統有著惡劣的影響，還會對人體產生嚴重的危害，因此加大對大氣中VOCs 的治理也是當前環保事業推行的重要部分[1]。現階段，光催化技術是大氣中VOCs 去除的主要手段，但同種催化劑在不同區域的VOCs 去除過程中有著不同的效果，因此根據VOCs 成分科學地制備催化劑也是提高光催化處理效率的關鍵所在。

1 某地區大氣中VOCs 的污染現狀

VOCs 是影響大氣質量的關鍵因素，本次調查取某地區大氣樣本進行測驗，分析其中VOCs 成分，經過研究發現該地區大氣樣本中VOCs 成分主要以芳香烴為主，經過對地方生產企業探究發現，該地區的各類工業企業均是產生VOCs 的源頭，其中某企業內部大氣中各污染源總揮發性有機物（TVOCs）濃度最高。因此，大氣VOCs 污染治理也成為該地方政府環保事業推行的首要工作。

2 TiO2/ACF 復合光催化劑的合成

由上文可知，該地區某企業是VOCs 產出的主要源頭，其中VOCs 中以芳香烴為主。因此本次光催化降解主要以甲苯作為目標化合物。

2.1 復合光催化劑的配制

本次光催化劑主要采用TiO2，為了提高催化效果，利用碳納米材料活性炭纖維（ACF）對其進行改性處理，形成復合光催化劑，這不僅能夠提高光催化過程中催化劑的吸附能力，實現催化效率的提升，還能解決TiO2粉體分布雜亂的問題[2]。復合光催化劑的合成步驟如下：

2.2 對ACF 進行預處理

取規格為10 cm×10 cm，厚度1 mm 的AFC 置于超純水當中，利用超聲波清洗裝置清洗10 min，去除其中纖維碎片。之后將其放置于干燥箱中，溫度設置為100 ℃，干燥時間3 h。后依次將其放置于0.5 mol/L的氫氧化鈉、0.5 mol/L 的稀鹽酸中，浸泡0.5 h，每次浸泡完成后均需要利用超純水進行清洗，并利用鑷子將其中水分壓干。最后放置于超純水中，利用超聲波清洗裝置清洗20 min，后放入干燥箱當中進行干燥，干燥時間24 h，干燥溫度120 ℃。

2.3 配制TiO2 溶液

配制質量分數為1%～5%的TiO2溶液，溶液配制完成后需要進行至少3 h 的攪拌和1 h 的超聲波振蕩，確保所配制的TiO2溶液穩定。

2.4 配制磷酸鋁（AlPO4）溶膠

以水浴加熱的方式將磷酸溫度升至80 ℃，之后加入氫氧化鋁并不斷攪拌，直至形成AlPO4膠體形態，之后在其中加入超純水便可得到AlPO4溶膠。

2.5 配制TiO2/ACF 復合光催化劑

將第一步制備的ACF 進行浸漬處理，將其放入AlPO4溶膠中勻速緩慢提拉，之后將其在120 ℃干燥機內干燥20 min，之后再次按上述步驟根據要求進行多次浸漬，在浸漬完成后在120 ℃干燥機內干燥6 h，后取出在室溫環境下冷卻，便可得到TiO2/ACF 復合光催化劑。

3 TiO2/ACF 復合光催化劑VOCs 治理效果研究

3.1 光催化實驗裝置

光催化反應裝置包含4 個方面，分別為其他發生系統、溫度控制系統、光催化系統以及檢測系統。其中氣體發生系統主要為SPG-ATO1 甲苯發生器，以此來實現對甲苯濃度的控制；反應系統包含有紫外線燈以及裝有TiO2/ACF 復合光催化劑的石英管；檢測系統為氣象色譜儀；溫度控制系統包含有氣路所纏繞的加熱帶，確保管內溫度高于120 ℃以上，以此來避免甲苯冷凝造成測量結果誤差。

3.2 TiO2/ACF 復合光催化劑VOCs 治理效果分析

3.2.1 浸漬次數對TiO2/ACF 復合光催化劑性能的影響

在配制質量分數3%TiO2時，在TiO2/ACF 復合光催化劑過程中分別浸漬1～5 次，浸漬時間控制為30 min，開啟紫外線燈，進行甲苯去除實驗，具體結果如圖1 所示。

圖1 不同浸漬次數下TiO2/ACF 復合光催化劑甲苯去除效果

由圖1 可知，隨著浸漬次數的逐步增多，甲苯去除率呈現先增大后減小的趨勢，其中浸漬3 次TiO2/ACF 復合光催化劑在甲苯去除過程中效果最佳。出現此種情況的主要原因在于在浸漬1～3 次時，隨著浸漬次數的增大，ACF 上的TiO2含量增大，這也使光催化效率有了進一步的提升。直到浸漬4 次、5 次時，雖然ACF 上的TiO2含量還在持續增多，但TiO2出現了嚴重的團聚現象，進而導致催化劑與甲苯接觸的表面積并沒有增大，并且由于TiO2含量過高，ACF上對甲苯的吸附位點也相對較少，進而影響甲苯的去除效率，因此在浸漬4～5 次時，甲苯去除率越來越低。

3.2.2 浸漬時間對TiO2/ACF 復合光催化劑性能的影響

在配制質量分數3%TiO2，浸漬次數為3 次的基礎上，將浸漬時間作為研究變量，分別為10、20、30、40、50 min，分析TiO2/ACF 復合光催化劑VOCs 治理效果，具體結果如圖2 所示。

圖2 不同浸漬時間下TiO2/ACF 復合光催化劑甲苯去除效果

由圖2 可知，隨著浸漬時間的增長，TiO2/ACF 復合光催化劑在甲苯去除方面的效果先增后減，在浸漬20、30 min 時，TiO2/ACF 復合光催化劑具有良好的催化效果。出現此種情況的原因與上述浸漬次數對TiO2/ACF 復合光催化劑性能影響原理相同，隨著浸漬時間的增加，光催化反應活性中心數數量越少，進而導致光催化性能降低。

3.2.3 TiO2濃度對TiO2/ACF 復合光催化劑性能的影響

在TiO2/ACF 置備過程中，ACF 上的孔隙會被TiO2占據，進而對其催化效能產生影響，因此通過不同濃度的TiO2溶液進行實驗分析，結果如圖3 所示。

圖3 不同TiO2 濃度下TiO2/ACF 復合光催化劑甲苯去除效果

由圖3 可知，在180 min 以內紫外線燈未開啟狀態下，經過1%、2%TiO2[1%、2%均為w（TiO2）的值]配制的TiO2/ACF 復合光催化劑甲苯去除效果較高，但從整體來看1%～5%溶液質量分數下甲苯去除率相差較小，并且此段時間內處理效果均達到了70%以上。在180 min 開啟紫外線燈后，在質量分數為3%的TiO2溶液中配制TiO2/ACF 復合光催化劑在去除甲苯過程中效率明顯最高。

4 VOCs 實踐去除效果分析

4.1 試驗裝置設計

本次測驗主要是為了驗證TiO2/ACF 復合光催化劑在大氣VOCs 方面的去除效果，由于該區域VOCs的產生主要源頭為某企業區域，因此整個裝置設置在該企業區域內部。

試驗裝置為圓筒形，氣體由下向上，整個裝置下部設置有兩層過濾網，第一層主要為過濾棉，第二層為玻璃纖維，以此來過濾大氣內部較大的灰塵顆粒。TiO2/ACF 復合光催化劑用鐵絲固定在第二層過濾網上部，固定方式為螺旋式結構，螺旋內部設置有一根波長為180～365 nm 的紫外線燈管，以此來增大VOCs與TiO2/ACF 復合光催化劑的反應時間。在TiO2/ACF復合光催化劑螺旋片上部安裝風機，作為空氣流動凈化動力。整個裝置設計處理氣量為800 m3/h，氣體流速為0.2 m/s。試驗選用在質量分數3%TiO2溶液中浸漬3 次，浸漬時長20min 的TiO2/ACF 復合光催化劑。

4.2 試驗初始條件

在裝置設置完成后，采集裝置進風口大氣，對其中的成分進行測定，具體VOCs 中各成分質量分數為：苯32.15×10-9、甲苯40.73×10-9、二甲苯58.29×10-9、乙苯29.64×10-9、苯乙烯23.13×10-9、1，3，5-三甲基苯40.11×10-9、1，2，4-三甲基苯35.72×10-9、1，2，3-三甲基苯30.96×10-9、TVOCs2 461.37×10-9。

去除率計算公式為式（1）：

式中：η 代表VOCs 的治理效率；w0代表初始VOCs 質量分數；Ct代表在t 時VOCs 質量分數。

4.3 實驗結果分析

打開風機，待裝置穩定運行后計時，并在10、20、30、40、50、60 min 時取裝置出氣口氣體樣本，檢測其中VOCs 中各成分含量，以此為基礎計算VOCs 中各成分去除率，具體結果如圖4 所示。

圖4 TiO2/ACF 復合光催化劑對VOCs 治理效率

由圖4 可知，隨著處理時間的不斷延長，出氣樣本中VOCs 各成分含量逐步降低，其中在處理60 min后，甲苯去除率最大為57.93%，1，2，4-三甲基苯去除率最低為50.35%，由此可見TiO2/ACF 復合光催化劑具有良好的VOCs 治理效果。

5 結語

1）對某地大氣VOCs 污染情況進行分析，發現其中VOCs 成本主要以芳香烴為主。

2）利用浸漬法配制TiO2/ACF 復合光催化劑，配制過程中將TiO2溶液濃度、浸漬次數、浸漬時間作為變量，其中溶液質量分數控制為1%～5%，濃度變化梯度為1%，浸漬次數1～5 次，浸漬時間為10～50 min，時間梯度為10 min。

3）利用控制變量法分析TiO2/ACF 復合光催化劑對甲苯的去除效果，其中發現在TiO2質量分數3%TiO2溶液中浸漬3 次，浸漬時長20 min 時去除甲苯效果最佳。

4）對某地區區域大氣VOCs 進行治理，試驗結果表明，TiO2/ACF 復合光催化劑具有良好的大氣VOCs治理效果，其中VOCs 各組分去除率均在50%以上。