光催化凈化器光源

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)體材料價帶和導(dǎo)帶之間的能級差?？梢?，較高頻率的輻射易產(chǎn)生催化反應(yīng)。對TiO₂，E_g =3.2eV，因此，一般在紫外線光照射下光催化反應(yīng)才能進行。

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）和黑光藍燈（blacklightbluelamp）效果較好，其輻射波長在UVA波段。185nm以下的輻射會產(chǎn)生臭氧，而上述兩種燈的輻射在240nm以上，故不會產(chǎn)生臭氧。

光催化反應(yīng)的本質(zhì)是在光電轉(zhuǎn)換中進行氧化還原反應(yīng)。根據(jù)半導(dǎo)體的電子結(jié)構(gòu)，當半導(dǎo)體（光催化劑）吸收一個能量大于其帶隙能（E_g）的光子時，電子（e^-）會從價帯躍遷到導(dǎo)帶上，而在價帶上留下帶正電的空穴（e^-）。價帶空穴具有強氧化性，而導(dǎo)帶電子具有強還原性，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基團和?H₂O，這些基團的氧化能力都很強，能有效地將有機污染物氧化，最終將其分解為CO₂、H₂O，達到消除VOCs的目的。

一般采用納米半導(dǎo)體粒子為光催化劑，這是因為：①通過量子尺寸限域造成吸收邊的藍移；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)電和價電能級變成分立的能級，能隙變寬，導(dǎo)電電位變得更負，而價電電位變得更正，這些使其具備了更強的氧化還原能力，從而催化活性大大提高；④納米粒子比表面積大，使粒子具有更強的吸附有機物的能力，這對催化反應(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。

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，將催化劑負載其上，流動相流過表面發(fā)生反應(yīng)。流化床多適合于顆粒狀載體，負載后仍能隨流動相發(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)器中而實現(xiàn)連續(xù)化處理。蜂窩狀反應(yīng)器流動阻力小，最有應(yīng)用前景，當前市售的納米光催化反應(yīng)器多為此種形式。

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

圖1為實驗所用的光催化凈化器，光催化反應(yīng)器位于實驗臺上，反應(yīng)器尺寸60cm×25cm×30cm，其左端為進氣口，連接甲醛氣體進入，右端為排氣口，實驗時，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)進氣管進入環(huán)境測試艙，再經(jīng)反應(yīng)器凈化，由排氣管排出凈化后的氣體，其中通過改變實驗中測試的實驗因素，分析反應(yīng)器對甲醛的凈化效率，得出實驗結(jié)論。

1個1m×0.5m×1m的環(huán)境測試艙，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)的實驗臺上，其進出口均暴露于艙內(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)境測試艙連通且管道上設(shè)有1個三通閥，一端進空氣、一端進甲醛氣體，兩端可同時開啟，即可使氣體混合進入環(huán)境測試艙內(nèi)，根據(jù)環(huán)境測試艙內(nèi)甲醛測試儀的濃度顯示來調(diào)節(jié)通入的空氣和甲醛氣體的量，以調(diào)節(jié)環(huán)境測試艙內(nèi)甲醛氣體濃度；可開啟密閉艙內(nèi)的小功率電磁式空氣壓縮機將甲醛氣體和空氣抽入環(huán)境測試艙內(nèi)，艙內(nèi)放置一個小型風扇，用于均勻混合艙內(nèi)空氣，在實驗開始前一段時間內(nèi)，風扇開啟，當艙內(nèi)氣體混合均勻、甲醛測試儀讀數(shù)穩(wěn)定時再開啟凈化反應(yīng)器進行實驗，以保證檢測到艙內(nèi)甲醛濃度的準確性。

測試艙所有出口處均采用泡沫、膠布等進行密封。實驗結(jié)束后，利用大功率的電磁式空氣壓縮機將環(huán)境測試艙內(nèi)的甲醛氣體抽到準備好的水溶液中，將其溶解，以免其擴散到空氣中，對人體造成傷害。