湿度对在负载TiO2的泡沫镍网上真空紫外光氧化去除甲苯的影响

　　摘要：用溶胶凝胶法研制了负载TiO2的在泡沫镍催化剂。采用XRD、SEM、比表面分析仪对样品进行了表征，该催化剂在550℃焙烧时TiO2晶型呈锐钛矿和金红石混合晶型；考察了催化剂在254nm和185nm紫外光照射下甲苯的去除效果。实验结果表明，在真空紫外线(VUV)下甲苯的转化率更高；且相对湿度对甲苯的转化率有较大影响，随着相对湿度的提高，甲苯的转化率可以提高至96%以上。
　　关键词：二氧化钛，泡沫镍网，光催化，真空紫外
　　室内建筑中空气污染已经受到越来越大的关注。甲苯等室内装修和家具中排放的一类典型的芳香烃致癌物。光催化是一种净化去除甲苯的有效方法之一，近来国内外已进行了广泛的研究。譬如，在可见光范围内的光催化，希望最大限度的利用天然的太阳光，人们通过各种方式对TiO2进行改性，缩小其禁带宽度，从而引起吸收带的红移[1-4]。
　　然而光催化技术效能比较低，尤其在高浓度大流量污染物条件下，光催化技术较难推广应用[5]。Nishimoto等[6]以WO3为催化剂，采用可见光与臭氧联用技术很好的实现了溶液中苯酚的去除。Zhang[7]等研究发现，在臭氧存在条件下对污染物的去除可以得到很大的提升。近年来，在真空紫外下的催化研究较少。本文研制了负载TiO2的泡沫镍催化剂，并考察了在真空紫外线下不同波段的紫外光对气相甲苯的去除效果，并重点考察了气流中水蒸气对甲苯转化率的影响。
　　1.试样制备与试验方法
　　1.1 实验试剂
　　试剂：泡沫镍（110目，深圳市瀚博环保器材有限公司），正钛酸四丁酯（化学纯，国药集团化学试剂有限公司），无水乙醇（分析纯，天津市大茂化学试剂厂），硼酸（分析纯，天津市大茂化学试剂厂），硝酸（分析纯，西陇化工股份有限公司），硫代硫酸钠（分析纯，天津市大茂化学试剂厂），碘化钾（分析纯，天津市大茂化学试剂厂）。
　　1.2 催化材料制备
　　将泡沫镍裁剪成2.5cm×10cm尺寸，于无水乙醇中超声洗涤30min以洗去泡沫镍加工生产过程中可能沾上的油污，去离子水洗净后烘干，然后置于马弗炉中干空气气氛下550℃焙烧氧化30min，冷却后取出备用。然后，量取50ml正钛酸四丁酯溶于50ml无水乙醇中得到溶液A；将1.5ml去离子水、265μl硝酸溶于50ml无水乙醇中得到溶液B；搅拌条件下，将B溶液缓慢滴加至A溶液中，继续搅拌2h得到所需稳定的TiO2溶胶液备用。
　　采用浸渍提拉法，将处理好的泡沫镍浸渍在TiO2溶胶液，然后缓慢提拉，滤去多余的溶胶，35℃鼓风干燥2h。重复上述操作涂膜3次后，将涂膜后的泡沫镍置于马弗炉中，以10℃/min的速率升温至120℃，氮气气氛下恒温2h，再以10℃/min的速率干空气气氛下升温至550℃，恒温焙烧2h，冷却后得到所需催化剂。
　　1.3 光催化活性评价
　　整个光催化反应系统由配气系统、反应管和检测器三部分组成。配气系统以干空气为气源，由质量流量控制器控制气流大小，通过冰水浴鼓泡产生一定量稳定的，具有一定浓度和相对湿度的甲苯气体。反应管为长30cm，内径6cm的石英管，通过在入口处设置气流分布器，使气体在反应管内可以均匀的分布流过，反应管内按需要安装185nm紫外灯或254nm紫外灯，评价过程使用两片负载过的泡沫镍网。检测器部分由两台色谱组成，其中GC-2010配备氢火焰离子检测器（FID）用于检测甲苯。
　　2. 实验结果与讨论
　　2.1 晶型与形貌分析
　　图1给出了负载在泡沫镍网上的TiO2X-射线（XRD）衍射图，可以看出，经过550℃焙烧后，泡沫镍网上的TiO2粉末样品为锐钛矿和金红石的混合相。
　　
　　
　　图2给出了负载TiO2催化剂的SEM照片图，可以看出负载TiO2后的镍网依旧有着很好的孔隙，这利于气流在镍网表面的扩散与穿透。在气流穿过镍网表面时可以与催化剂充分的接触与反应。
　　
　　2.2催化剂真空紫外线下光催化性能
　　图3为不同波长紫外线下甲苯的去除效果。可以看出，在2.5L/min的流量条件下，波长为185nm的真空紫外光比波长为254nm紫外光，在催化剂的作用下，具有更高的甲苯转化能力。因为含甲苯气流中氧气和水蒸气在185nm的紫外光照射下，不仅可以直接分解某些甲苯分子，还能由O2生成O3，由H2O生成•OH，从而生成更大量的O3和•OH等强氧化性物质，其反应过程如下[8]：。
　　
　　图4为不同相对湿度下，甲苯VUV+TiO2的去除效果。从图中可以看出，随着相对湿度的增加，甲苯的转化率逐渐增高。这是因为随着湿度的不断增大，水分子数目不断增多，由反应式（1）、（2）、（3）可知生成的量也会不断增多，该条件下，甲苯的转化能力也就逐渐增强。在本反应中，100%相对湿度下的甲苯转化率最高。
　　3. 结论
　　在真空紫外线下，低浓度的甲苯气体更容易被氧化去除；含甲苯污染气流中相对湿度对甲苯的转化都有很大影响。随着相对湿度增大，甲苯的转化率逐渐提高，在室温条件下甲苯的转化率可达70%，表明该法具有很好低温去除空气中甲苯的效果。
　　参考文献
　　[1]AsahiR,MorikawaT,OhwakiI,etal.Science,2001
　　[2]MichaelHB,StefanPP,TangJ,etal.Angew.Chem.Int.Ed.,2004
　　[3]张万忠，刘景民，周智敏，纳米TiO2的研究与应用进展，石油化工，2007