光催化原理、應用及常見問題解答

2020-11-22 北極星環保網

光催化原理、應用及常見問題解答

北極星VOCs在線訊:隨著全球工業化進程的加速，環境汙染問題日益嚴重，環境治理已受到世界各國的廣泛重視，其中政府在環境治理方面投入了巨大的人力、物力和財力對環境淨化材料和環境淨化技術的研究和產業化提供支持，其中，光催化材料和光催化技術佔有重要的地位。TiO2是一種常用的光催化材料，具有活性高、穩定性好，幾乎可以無選擇地將有機物進行氧化，不產生二次汙染，對人體無害，價格便宜等諸多優點，成為最受重視和具有廣闊應用前景的光催化材料。

光催化材料在紫外光或太陽光的作用下，激發價帶上的電子（e-）躍遷到導帶，在價帶上產生相應的空穴（h+），光生空穴與光催化材料表面的水反應，生成羥基自由基，而光生電子與光催化劑表面的氧反應，生成超氧負離子。羥基自由基和超氧負離子具有較強的氧化還原電位，可將揮發性有機物氧化分解成無害的CO2和H2O，達到淨化空氣、分解揮發性有機物的目的。二氧化鈦光催化材料在光照下能一直持續釋放自由基，對揮發性有機物進行氧化分解，而自己不發生變化，具有長期活性。

1、光催化反應原理

羥基自由基和超氧負離子是除氟之外，最強的氧化劑，但是氟對人體和環境有著巨大的危害，在很多場合不再使用。

2、常溫催化材料

光催化材料是一種常溫催化材料，可在室溫及稍高溫度下進行反應（通常低於65℃）。提高光催化材料性能的途徑有三個：一個是降低納米催化材料粒子的粒徑，目的在於提高光催化材料的比表面積；二是通過金屬摻雜、過渡金屬摻雜和非金屬離子摻雜改變半導體催化劑的性質來提高光催化性能；三是通過表面修飾和敏化，改變半導體催化劑的表面的形貌和結構，而引起表面性能的優化。

3、光催化材料應用中的影響因素

溼度的影響：光催化反應中，羥基自由基來源於水，所以必須保持有一定的溼度才能持續產生羥基自由基；在閉環的光催化反應中，已經證實隨著水的不斷消耗，光催化性能在不斷的下降。

氧分量的影響：光催化反應中，超氧負離子來源於氧，所以在21%含量的情況下，光催化性能較好；而在少氧情況下會引起部分有機物反應速率的降低，同時引起生成不同的氧化產物種類。

有機物種類的影響：由於有機物物種固有性質的不同，光催化降解的速率相差很大，比如降解速率的規律如下：三氯乙烯＞丙酮＞二氯甲烷＞氯仿＞吡啶＞四氯化碳等。

濃度的影響：當對較高濃度的VOCs（比如800ppm）進行氧化分解時，僅有部分的VOCs可分解成二氧化碳和水；而當VOCs濃度較低時，也僅有部分的VOCs進行消解，原因在於羥基自由基和超氧負離子與VOCs碰撞的機率較小，也影響了降解效率。

碳原子數的影響：一般來說，低碳原子的有機物比較容易被氧化，但也與VOCs有機物本身的性質有關。

4、納米光催化材料的優勢

納米光催化材料是指光催化材料的活性成分以納米尺度分散在載體上，使光催化材料的活性成分儘可能地與VOCs接觸，使光催化材料的催化活性更為優越。與市場上同類的光催化材料相比，華鈦高科前驅體原位燒結技術製備的光催化材料具有多級複合納米顆粒釉狀結構，顆粒的表面裸露，比表面積大（可達100m2/g），光催化活性高；顆粒之間以共價鍵結合，顆粒之間結合力強，與基體的附著力強，可超聲清洗不掉粉，使用壽命長。華鈦高科生產的納米光催化材料已經被應用在光解光催化設備、室內空氣淨化器、FFU淨化機以及水處理淨化設備等方面。

5、光催化材料的失活原因分析

光催化材料對VOCs氣體的氧化分解是氣-固多相催化反應，氣-固多相催化反應光催化材料失活的原因主要有以下三個：

①不同表面結構的TiO2光催化材料在氣-固多相催化反應過程中的失活存在顯著差異，這是由材料本身固有的性質決定的。

②水汽對TiO2氣相光催化去汙反應的影響主要取決於汙染物的種類和性質。Dibble系統地研究了固定床和流動床反應器中TiO2氣相光催化降解反應，發現微量水汽對維持光催化反應活性反應非常重要，但過量的水汽會嚴重阻礙反應的進行。Peral等報導了水汽對光催化降解丙酮存在抑制作用等。

③氣-固多相光催化反應的催化材料實際上是一個光照催化材料產生高活性自由基的過程，它們都發生在催化材料表面或表面附近的位置。因此，阻礙自由基產生和防止有機物到達或接近催化劑表面活性位的任何情況，都將減少催化劑的光活性。這些機制可包括紫外光的散射或對光子的競爭、自由基的俘獲、孔穴的俘獲、對表面活性位的競爭吸附、沉澱物的表面沉積、還原金屬的表面沉積以及催化劑自身的侵蝕和磨損。影響光催化材料活性的除了材料本身的性質之外， 沉澱物的表面沉積和還原金屬的表面沉積是一個重要原因，所以進入光催化材料或設備的廢氣應經過預處理（除塵、除油、除溼），廢氣預處理的潔淨度對光催化反應效率以及光催化材料的壽命是至關重要的。灰塵、油性或粘性物質附著於催化劑表面，覆蓋催化劑活性位點，會降低並導致催化劑催化作用失活。

6、光催化材料的再生

可先將光催化材料表面的灰塵用壓縮空氣或其它方法清理乾淨；然後再將光催化材料置於350-450℃的燃燒爐中保溫1-2小時，可除去絕大多數的有機表面沉積物。對於處理含有機胺類的VOCs氣體的光催化材料，可用水洗將部分銨鹽清洗乾淨。

延伸閱讀：

製藥行業VOCs現狀及治理技術的比較與應用

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