光催化凈化器概述

光催化反應(yīng)的本質(zhì)是在光電轉(zhuǎn)換中進(jìn)行氧化還原反應(yīng)。根據(jù)半導(dǎo)體的電子結(jié)構(gòu)，當(dāng)半導(dǎo)體（光催化劑）吸收一個(gè)能量大于其帶隙能（E_g）的光子時(shí)，電子（e^-）會(huì)從價(jià)帯躍遷到導(dǎo)帶上，而在價(jià)帶上留下帶正電的空穴（e^-）。價(jià)帶空穴具有強(qiáng)氧化性，而導(dǎo)帶電子具有強(qiáng)還原性，它們可以直接與反應(yīng)物作用，還可以與吸附在光催化劑上的其他電子給體和受體反應(yīng)。例如空穴可以使氧化，電子使空氣中的O₂還原，生成H₂O₂、·OH基團(tuán)和?H₂O，這些基團(tuán)的氧化能力都很強(qiáng)，能有效地將有機(jī)污染物氧化，最終將其分解為CO₂、H₂O，達(dá)到消除VOCs的目的。

一般采用納米半導(dǎo)體粒子為光催化劑，這是因?yàn)椋孩偻ㄟ^(guò)量子尺寸限域造成吸收邊的藍(lán)移；②與體材料相比，量子阱中的熱載流子冷卻速度下降，量子效率提高；③納米TiO₂所具有的量子尺寸效應(yīng)使其導(dǎo)電和價(jià)電能級(jí)變成分立的能級(jí)，能隙變寬，導(dǎo)電電位變得更負(fù)，而價(jià)電電位變得更正，這些使其具備了更強(qiáng)的氧化還原能力，從而催化活性大大提高；④納米粒子比表面積大，使粒子具有更強(qiáng)的吸附有機(jī)物的能力，這對(duì)催化反應(yīng)十分有利，粒徑越小，電子與空穴復(fù)合幾率越小，電荷分離效果越好，從而提高催化活性。

由于光催化發(fā)生的條件是：h_v≥E_g，h是普朗克常數(shù)，為6.626 ×10^-27J·s，v是輻射光頻率，E_g是半導(dǎo)體材料價(jià)帶和導(dǎo)帶之間的能級(jí)差?？梢?jiàn)，較高頻率的輻射易產(chǎn)生催化反應(yīng)。對(duì)TiO₂，E_g =3.2eV，因此，一般在紫外線(xiàn)光照射下光催化反應(yīng)才能進(jìn)行。

光催化反應(yīng)器中采用的光源多為中壓或低壓汞燈。如前所述，紫外光譜分為UVA（315～400nm）、UVB（280～315nm）和UVC（100～280nm）。殺菌紫外燈波長(zhǎng)一般在UVC波段，特別在254nm。在應(yīng)用中采用所謂黑光燈（black light lamp）和黑光藍(lán)燈（blacklightbluelamp）效果較好，其輻射波長(zhǎng)在UVA波段。185nm以下的輻射會(huì)產(chǎn)生臭氧，而上述兩種燈的輻射在240nm以上，故不會(huì)產(chǎn)生臭氧。

光催化反應(yīng)器形式為：流化床型、固定床型和蜂窩結(jié)構(gòu)型等。固定床具有較大連續(xù)表面積的載體，將催化劑負(fù)載其上，流動(dòng)相流過(guò)表面發(fā)生反應(yīng)。流化床多適合于顆粒狀載體，負(fù)載后仍能隨流動(dòng)相發(fā)生翻滾、遷移等，但載體顆粒較TiO₂納米粒子大得多，易與反應(yīng)物分離，可用濾片將其封存在光催化反應(yīng)器中而實(shí)現(xiàn)連續(xù)化處理。蜂窩狀反應(yīng)器流動(dòng)阻力小，最有應(yīng)用前景，當(dāng)前市售的納米光催化反應(yīng)器多為此種形式。

當(dāng)前，制約光催化獲得大規(guī)模應(yīng)用的瓶頸問(wèn)題是：①會(huì)產(chǎn)生有害副產(chǎn)物；②性能會(huì)衰減較快—俗稱(chēng)材料“中毒”或老化；③光催化凈化效率不高；④耗能較高。

圖1為實(shí)驗(yàn)所用的光催化凈化器，光催化反應(yīng)器位于實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，反應(yīng)器尺寸60cm×25cm×30cm，其左端為進(jìn)氣口，連接甲醛氣體進(jìn)入，右端為排氣口，實(shí)驗(yàn)時(shí)，甲醛溶液在其左側(cè)甲醛揮發(fā)箱揮發(fā)得到甲醛氣體，經(jīng)進(jìn)氣管進(jìn)入環(huán)境測(cè)試艙，再經(jīng)反應(yīng)器凈化，由排氣管排出凈化后的氣體，其中通過(guò)改變實(shí)驗(yàn)中測(cè)試的實(shí)驗(yàn)因素，分析反應(yīng)器對(duì)甲醛的凈化效率，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

1個(gè)1m×0.5m×1m的環(huán)境測(cè)試艙，其前端采用透明材料作為可視窗口。光催化反應(yīng)器位于艙內(nèi)的實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，其進(jìn)出口均暴露于艙內(nèi)空氣中。左側(cè)為甲醛揮發(fā)箱，用注射器準(zhǔn)確抽取少量的甲醛溶液，迅速將其滴入到固定在揮發(fā)箱底部紙杯里的棉花團(tuán)上，快速將揮發(fā)箱的蓋子蓋好，已知甲醛揮發(fā)箱采用水封的作用，密閉性良好；在甲醛揮發(fā)箱的一側(cè)底部安裝有一根通氣管與環(huán)境測(cè)試艙連通且管道上設(shè)有1個(gè)三通閥，一端進(jìn)空氣、一端進(jìn)甲醛氣體，兩端可同時(shí)開(kāi)啟，即可使氣體混合進(jìn)入環(huán)境測(cè)試艙內(nèi)，根據(jù)環(huán)境測(cè)試艙內(nèi)甲醛測(cè)試儀的濃度顯示來(lái)調(diào)節(jié)通入的空氣和甲醛氣體的量，以調(diào)節(jié)環(huán)境測(cè)試艙內(nèi)甲醛氣體濃度；可開(kāi)啟密閉艙內(nèi)的小功率電磁式空氣壓縮機(jī)將甲醛氣體和空氣抽入環(huán)境測(cè)試艙內(nèi)，艙內(nèi)放置一個(gè)小型風(fēng)扇，用于均勻混合艙內(nèi)空氣，在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前一段時(shí)間內(nèi)，風(fēng)扇開(kāi)啟，當(dāng)艙內(nèi)氣體混合均勻、甲醛測(cè)試儀讀數(shù)穩(wěn)定時(shí)再開(kāi)啟凈化反應(yīng)器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以保證檢測(cè)到艙內(nèi)甲醛濃度的準(zhǔn)確性。

測(cè)試艙所有出口處均采用泡沫、膠布等進(jìn)行密封。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，利用大功率的電磁式空氣壓縮機(jī)將環(huán)境測(cè)試艙內(nèi)的甲醛氣體抽到準(zhǔn)備好的水溶液中，將其溶解，以免其擴(kuò)散到空氣中，對(duì)人體造成傷害。