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扬州光催化废气处理

产品时间:2020-09-08

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简要描述:

扬州光催化废气处理
光催化原理是基于光催化剂在光照的条件下具有的氧化还原能力,从而可以达到净化污染物、物质合成和转化等目的。通常情况下,光催化氧化反应以半导体为催化剂,以光为能量,将有机物降解为二氧化碳和水。因此光催化技术作为一种高效、安全的环境友好型环境净化技术,对室内空气质量的改善已得到国际学术界的认可。

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扬州光催化废气处理

 

随着全球工业化进程的加速,环境污染问题日益严重,环境治理已受到世界各国的广泛重视,其中政府在环境治理方面投入了巨大的人力、物力和财力对环境净化材料和环境净化技术的研究和产业化提供支持,其中,光催化材料和光催化技术占有重要的地位。TiO2是一种常用的光催化材料,具有活性高、稳定性好,几乎可以无选择地将有机物进行氧化,不产生二次污染,对人体无害,价格便宜等诸多优点,成为重视和具有广阔应用前景的光催化材料。

光催化材料在紫外光或太阳光的作用下,激发价带上的电子(e-)跃迁到导带,在价带上产生相应的空穴(h+),光生空穴与光催化材料表面的水反应,生成羟基自由基,而光生电子与光催化剂表面的氧反应,生成超氧负离子。羟基自由基和超氧负离子具有较强的氧化还原电位,可将挥发性有机物氧化分解成无害的CO2和H2O,达到净化空气、分解挥发性有机物的目的。二氧化钛光催化材料在光照下能一直持续释放自由基,对挥发性有机物进行氧化分解,而自己不发生变化,具有长期活性。

光催化反应原理

羟基自由基和超氧负离子是除氟之外,的氧化剂,但是氟对人体和环境有着巨大的危害,在很多场合不再使用。

2、常温催化材料

光催化材料是一种常温催化材料,可在室温及稍高温度下进行反应(通常低于65℃)。提高光催化材料性能的途径有三个:一个是降低纳米催化材料粒子的粒径,目的在于提高光催化材料的比表面积;二是通过金属掺杂、过渡金属掺杂和非金属离子掺杂改变半导体催化剂的性质来提高光催化性能;三是通过表面修饰和敏化,改变半导体催化剂的表面的形貌和结构,而引起表面性能的优化。

3、光催化材料应用中的影响因素

湿度的影响:光催化反应中,羟基自由基来源于水,所以必须保持有一定的湿度才能持续产生羟基自由基;在闭环的光催化反应中,已经证实随着水的不断消耗,光催化性能在不断的下降。

氧分量的影响:光催化反应中,超氧负离子来源于氧,所以在21%含量的情况下,光催化性能较好;而在少氧情况下会引起部分有机物反应速率的降低,同时引起生成不同的氧化产物种类。

有机物种类的影响:由于有机物物种固有性质的不同,光催化降解的速率相差很大,比如降解速率的规律如下:三氯乙烯>丙酮>二氯甲烷>>吡啶>四氯化碳等。

浓度的影响:当对较高浓度的VOCs(比如800ppm)进行氧化分解时,仅有部分的VOCs可分解成二氧化碳和水;而当VOCs浓度较低时,也仅有部分的VOCs进行消解,原因在于羟基自由基和超氧负离子与VOCs碰撞的几率较小,也影响了降解效率。

碳原子数的影响:一般来说,低碳原子的有机物比较容易被氧化,但也与VOCs有机物本身的性质有关。

4、纳米光催化材料的优势

纳米光催化材料是指光催化材料的活性成分以纳米尺度分散在载体上,使光催化材料的活性成分尽可能地与VOCs接触,使光催化材料的催化活性更为优越。与市场上同类的光催化材料相比,华钛高科前驱体原位烧结技术制备的光催化材料具有多级复合纳米颗粒釉状结构,颗粒的表面裸露,比表面积大(可达100m2/g),光催化活性高;颗粒之间以共价键结合,颗粒之间结合力强,与基体的附着力强,可超声清洗不掉粉,使用寿命长。华钛高科生产的纳米光催化材料已经被应用在光解光催化设备、室内空气净化器、FFU净化机以及水处理净化设备等方面。

5、光催化材料的失活原因分析

光催化材料对VOCs气体的氧化分解是气-固多相催化反应,气-固多相催化反应光催化材料失活的原因主要有以下三个:

①不同表面结构的TiO2光催化材料在气-固多相催化反应过程中的失活存在显著差异,这是由材料本身固有的性质决定的。

②水汽对TiO2气相光催化去污反应的影响主要取决于污染物的种类和性质。Dibble系统地研究了固定床和流动床反应器中TiO2气相光催化降解反应,发现微量水汽对维持光催化反应活性反应非常重要,但过量的水汽会严重阻碍反应的进行。Peral等报道了水汽对光催化降解丙酮存在抑制作用等。

③气-固多相光催化反应的催化材料实际上是一个光照催化材料产生高活性自由基的过程,它们都发生在催化材料表面或表面附近的位置。因此,阻碍自由基产生和防止有机物到达或接近催化剂表面活性位的任何情况,都将减少催化剂的光活性。这些机制可包括紫外光的散射或对光子的竞争、自由基的俘获、孔穴的俘获、对表面活性位的竞争吸附、沉淀物的表面沉积、还原金属的表面沉积以及催化剂自身的侵蚀和磨损。影响光催化材料活性的除了材料本身的性质之外, 沉淀物的表面沉积和还原金属的表面沉积是一个重要原因,所以进入光催化材料或设备的废气应经过预处理(除尘、除油、除湿),废气预处理的洁净度对光催化反应效率以及光催化材料的寿命是至关重要的。灰尘、油性或粘性物质附着于催化剂表面,覆盖催化剂活性位点,会降低并导致催化剂催化作用失活。

6、光催化材料的再生

可先将光催化材料表面的灰尘用压缩空气或其它方法清理干净;然后再将光催化材料置于350-450℃的燃烧炉中保温1-2小时,可除去绝大多数的有机表面沉积物。对于处理含有机胺类的VOCs气体的光催化材料,可用水洗将部分铵盐清洗干净。

扬州光催化废气处理

光催化效率的评价受很多因素的影响,比如:
1). 用来评价活性高低的参考物的选取;
2). 光催化剂本身的吸光率和评价中使用光源的波长与强度;
3). 光催化反应中电子空穴再结合的防止;
4). 氧化反应开始后的后续反应;
5). 禁电子带和导电带的电位的影响。

比如活性参照物的选取,如果使用被氧化的有机物,那就会对许多还原能力强的光催化剂不公平,反之亦然。另外选取不同的实验方法,同一种参考物得到的结果也会不同。再比如第二条,单单是为了增加光催化剂的吸光率,就有无机物摻杂、金属离子纳米包裹、色素包裹等等方向。另外,关键的是光触媒的具体反应机理还并没有解释清楚。比方说有机物到底是被禁电子带产生的空穴氧化,还是由空穴产生的 OH 基氧化,亦或者不同的有机物氧化方式不同等,这些种种基础问题还在不断地被研究争论着。

现在让催化剂获得可见光光催化效果一般是在禁带加入杂质能级,使得能带变窄,这样就可以使得光催化剂的吸收光谱红移,利用太阳光中的可见光。现在的问题是如果禁带宽度太窄,会使得光生电子空穴的氧化还原能力变弱,纵使获得再多的光生电子空穴也无法提高催化剂的光催化能力;而禁带太宽虽然获得光生电子空穴的氧化还原能力很强,但是又无法利用可见光,所以光催化的效率按照我们现在改进的方法很难有数量级的提升。现在主要从吸光性能、能带调控、复合材料等方面进行改进,从而增强光的利用率,降低光生电子的复合率等方式。

综上,在光触媒基本反应机理都没有解释清楚的今天,再加上各个方面对光催化效率都有影响的条件下,使得提高光催化剂的效率变得十分困难。所以,这篇文章也点评了石墨烯光催化网走巧门的内容,各位也可以去看看内容。

光催化反应就是在光的作用下进行的化学反应。光化学反应需要分子吸收特定波长的电磁辐射,受激产生分子激发态,然后会发生化学反应生成新的物质,或变成引发热反应的中间化学产物。而光化学反应的活化能来自于光子的能量。石墨烯被用来与半导体材料复合制备新型光催化剂的研究历史较短,其增强光催化作用的机制可归结为以下三种:作为半导体受激发电子的收集者和传递者、拓宽半导体的光吸收范围、增强吸附反应物的能力。

半导体一般由填满电子的低能价带 (VB) 和空的高能导带 (CB) 构成,价带和导带之间存在禁带。当用能量等于或大于带隙能 (Eg) 的光照射半导体时,半导体吸收光子能量,价带上的电子被激发跃迁至导带,在价带上产生相应的空穴,从而产生电子(e-) 空穴 (h+) 对,电子和空穴要么迁移到表面,进一步参与氧化还原反应,要么发生再复合,这些电子、空穴往往只有纳秒级的寿命。

当把石墨烯引入到光催化系统中,由于石墨烯极快的导电速度及独特的二维平面结构能够提高光生载流子向半导体,进而向反应物表面迁移的速率,增加电子的平均自由程,降低光生电子与空穴的复合,提高光催化量子效率。

石墨烯与半导体复合时,在比较有利的反应条件下,半导体与石墨烯可能发生一定程度的化学作用而在两者表面甚至一定深度上形成 M-C 或 M-O-C (M 表示金属) 掺杂化学键,类似于半导体的碳掺杂,形成掺杂能级,使半导体的带宽变窄,发生一定程度的红移,从而扩展对可见光的回应。

石墨烯中大量的 π 电子和其独特的单原子层二维平面结构可与污染物分子之间发生 π-π 作用, 提高污染物在复合光催化剂上的吸附性能,从而提高光催化降解效率。此外,相比于其它几何结构的碳纳米材料 (石墨、炭黑、活性炭、碳纤维、碳纳米管、富勒烯等),石墨烯的单原子层二维平面结构具有最大的比表面积,可以为反应提供额外的空间,同时也非常有利于半导体材料的分散,比如减少团聚,增进半导体与污染物的接触等。

 

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