光催化处理二甲苯废气的影响因素研究_俞欣

第1卷　第5期环境工程学报
Vol.1,No.52007年5月
Chinese Journal of Envir on mental Engineering
May 2007
光催化处理二甲苯废气的影响因素研究
俞　欣　梅　凯　徐　荣　王　珊　周保昌
(南京工业大学城市建设与安全环境学院,南京210009)
摘　要　使用自制光催化反应器,以多孔型载体分别负载纳米Ti O 2和普通Ti O 2,以256～265n m 紫外光为光源,探讨
了Ti O 2光催化处理二甲苯废气的影响因素及处理性能。

结果发现,在以纳米型Ti O 2作为催化剂、在紫外光强为1000W 且布光均匀、风量为1000m 3/h 、进口浓度350mg/m 3、通入臭氧的工况条件下运行,整个系统对二甲苯的去除率平均在90%以上。

关键词　光催化　二氧化钛　二甲苯　有机废气
中图分类号　X701 文献标识码　A 文章编号　167329108(2007)0520084204
I nfluenc i n g factors of xylene wa ste ga s trea t m en t by photoca t a lysis
Yu Xin Mei Kai Xu Rong W ang Shan Zhou Baochang
(College of U rban Constructi on and Safety &Envir onmental Engineering,Nanjing University of Technol ogy,Nanjing 210009)
Abstract Common Ti O 2and nanometer Ti O 2were l oaded on the por ous carriers res pectively,the 256～265nm ultravi olet la mp s were chosen as the la mp 2horse,the influencing fact ors and characteristics of the xylene gas treat m ent by phot ocatalysis react or were discussed .The results indicated that,in the conditi ons of nanometer
Ti O 2catalyzer,1000W sy mmetrical ultravi olet lum inous intensity,1000m 3/h blast volume,350mg/m 3
inlet xylene gases concentrati on and oz one additi on,the average re moval efficiency of xylene reached 90%.
Key words phot ocatalysis;titaniu m di oxide;xylene;organic waste gases
收稿日期:2006-03-27;修订日期:2007-03-05
作者简介:俞欣(1983～),男,硕士研究生,主要从事废水、废气处理
及其资源化研究工作。

E 2mail:jayyu@
自从Fujishi m a 等[1]
提出光催化理论之后,很多学者都做了大量的研究工作。

目前光催化在气体处理方面的研究已经向实用技术推进,但仍然停留在
室内空气的净化、除臭、杀菌等方面[2,3]
,在工业废气上面的应用仍然较少。

工业废气中有机物的含量远高于室内气体,加上气流分布、流量、停留时间、有效接触碰撞难以控制等因素,难以获得理想的去除效果。

印刷、喷漆以及绝缘材料等行业产生的废气里含有大量苯系物,产生量大,处理困难。

目前这类废气的处理主要依靠活性炭吸附,成本昂贵,难以推广应用。

光催化技术处理设施小,操作简便,成本低,
是控制大气污染物有效而值得推广的技术[4]。

光催化反应器按催化剂的存在状态可以分为悬浮式反应器、镀膜催化剂反应器和填充式反应器[5]。

后2种反应器无需进行催化剂的分离,多用于处理气体污染物。

本实验在对前人填充式反应器结构进行合理改进的基础上,以多孔型光导材料为载体,自制镀膜催化剂反应器。

实验重点探讨了自制光催化反应器处理二甲苯废气的各项影响因素,并在此基础上总结出最佳运行条件。

1　实　验
1.1　实验试剂和仪器
二甲苯(分析纯,上海埃比化学试剂有限公司),环己烷(分析纯,江苏永华精细化学品有限公司),大气采样仪(DQ 21A 型,江分电分析仪器有限公司),分光光度计(752型,上海精密科学仪器有限公司),风速仪(QDF 23型),纳米Ti O 2(≤20nm ,上海汇精亚纳米公司),普通Ti O 2(南京钛白化工有限责任公司),紫外光源(256～265nm ,南京特种灯泡厂),臭氧机(QS 205B 型,镇江欧森臭氧设备有限公司),风机(HL322A 225A 型,申海暖通设备有限公司)。

1.2　实验流程及反应器构造
经过水浴蒸发出来的气体中含有一定浓度的二甲苯,进入臭氧发生机。

臭氧发生机产生一定量的臭氧,与二甲苯在混合室中充分混合之后进入光催化反应器。

负载在载体之上的催化剂在紫外光的条
第5期俞　欣等:光催化处理二甲苯废气的影响因素研究
件下,连同氧气和臭氧参与二甲苯的降解。

从理论
上说,如果反应彻底,最终产物将为H 2O 和CO 2。

考虑工程实际运行要求,防止污染空气泄漏对周围环境的影响,通常采用负压工况运行,故将风机设在装置的末端,控制整个系统的风量。

具体流程见图1。

图1　实验装置示意图
Fig .1　Sche matic diagra m of experi m ental
unit
图2　催化剂光源相对位置Fig .2　Positi on of catalyzer and la mp 2house
光催化反应器为215m ×112m ×0142m 的矩
形箱体,内部均匀放置催化剂载体和光源,催化剂与光源之间的相对位置见图2。

催化剂通过浸润提拉
法负载于载体上,平均担载量为40g/m 3。

载体为多孔型,载体之间有较大空隙,气体沿垂直载体方向进入后有与载体垂直和平行2种扩散方式,从而使得气流处于紊流状态,增加了与催化剂的接触率。

1.3　分析项目及测试方法
本实验分析项目为进出口二甲苯浓度。

测量方
法选择紫外分光光度法[6]。

用环己烷充当吸收液,采样时间为10m in,采样速率为015L /m in 。

由于环己烷和二甲苯都属于易挥发液体,在测量时尽量做到迅速准确,以减少实验误差。

实验通过控制水浴温度的方式获得不同的进口二甲苯浓度,由于干扰因素较多,在同一水浴温度下,获得的二甲苯浓度可能有所不同,故以实测数据为准。

由于整个装置有很好的密封性,前后采样口风量基本一致,故风机送风对二甲苯浓度没有影响。

2　结果与讨论
2.1　催化剂类型对去除效果的影响对比实验是在同样的工况条件下(即相同的进口浓度、风速、温度和光强)完成的,每天测量5组数据,以平均值作为当天去除率,具体结果如图3
所示。

图3　催化剂类型对去除率的影响
Fig .3　I nfluence of catalyst on re moval efficiency
由图3可以看出,普通型Ti O 2对二甲苯的去除效率较低,维持在60%左右,而纳米型Ti O 2对二甲苯的去除效率很好,基本保持在85%以上。

整个系统稳定运行了10d 以后,其处理效率并无较大变化,这就说明了Ti O 2对二甲苯有较好的催化效果,并且这种效果非常稳定。

图4　纳米Ti O 2样品XRD 谱图
Fig .4　The XRD patterns of nanometer Ti O 2sa mp le
图4是实验所使用的纳米催化剂XRD 图,根据
Scherrer 公式,用衍射峰的半高宽F WH M 和衍射角(2θ)计算出催化剂的粒径大约为4185n m ,远小于普通型Ti O 2。

Ti O 2是一种n 型半导体材料,催化作用时在光的作用下产生大量电子和空穴,从而获得很强的氧化性,将有机污染物氧化成水和二氧化碳。

随着Ti O 2粒径的不断减小,产生的电子和空穴也就
越多,其催化效果就越好[7]。

这种性能上的差异是纳米型Ti O 2对二甲苯的去除效果远好于普通型Ti O 2的主要因素。

5
8
环境工程学报第1卷
由于纳米型Ti O 2催化剂效果远远好于普通型Ti O 2催化剂,故在后续实验研究中均采用纳米型Ti O 2。

2.2　光源强度对去除效果的影响
实验中所采用的紫外光源强度为100W ×10=1000W 。

为了考察光强对去除效率的影响,在风量
500m 3
/h 、蒸发水温为80℃、臭氧打开的工况下,使用纳米型Ti O 2。

在打开10盏灯、5盏灯和全部关闭3种情况下,系统分别运行10d,每天测量5组数据,以平均值作为当天去除效率。

具体结果如图5所示。

图5　紫外光强对去除率的影响Fig .5　I nfluence of ultravi olet light intensity on re moval efficiency
紫外光在整个反应中是提供给Ti O 2能量激发其产生电子和空穴。

从理论上说,只要有一定波长的光能就可以激发电子和空穴的产生,与其强度无关。

灯全部打开和灯关闭一半时,去除率仅略有降低,这是因为关掉一半灯之后,整个反应器内布光不均匀,导致反应器内部部分区域无紫外线照射或紫外线较弱,从而使得去除率降低;只要保证反应器内布光均匀,照射面积无明显变化,光强变化对系统的去除率不会发生变化。

但是当灯全部关闭时,去除率起初还停留在80%左右,这主要是因为催化剂表面的空穴和电子还有大量剩余,反应器内存在的大量臭氧吸收的紫外线可以提供给催化剂能量,激发其产生电子和空穴以维持反应的进行;同时纳米型的Ti O 2有一定吸附性能,也可以吸附一些气体中的二甲苯。

但是随着系统的持续运行,吸附逐渐达到饱和,催化剂表面的电子和空穴不断减少,反应逐渐停止,导致去除率开始大幅度下降,最终在运行10d 之后降低到10%。

这就充分说明了紫外光在整个反应过程中是必不可少的,与反应密切相关的是紫外光的波长而不是强度。

为了保证整个系统布光均匀,在后续实验中均使用10盏紫外灯,总光源强度为10×100W =1000W 。

2.3　臭氧对去除效果的影响
实验通过臭氧发生器的开和关,考察臭氧对系统去除率的影响。

结果发现,在相同的进口浓度、流量、紫外光强和结构的情况下,当臭氧打开时,整个系统的去除率为8216%,而当臭氧关闭时,整个系统的去除率为7714%。

实验结果表明,臭氧的存在对去除率的影响不是很明显。

从理论上说,臭氧等强氧化剂也会参与到反应中降解一部分的二甲苯,从而使得去除率上升。

但是由于反应器内存在的大量紫外线是整个光催化反应中必不可少的因素,而臭氧对紫外线有一定的吸收屏蔽作用,从而在一定程度上削弱了臭氧对整个系统去除效果的影响。

2.4　风量对去除效果的影响
由于整个系统是靠放置在尾部的风机提供能量使得废气与催化剂进行接触的,所以风量的大小就会影响到废气与催化剂的接触率和接触时间。

图6为在不同风量下的去除率。

图6　风量对去除率的影响Fig .6　I nfluence of blast volu me intensity on re moval efficiency
由图6可以看出,随着风量的增加,气体在反应器内部的停留时间不断减少,去除率不断降低,从最大时的9219%降低到8413%,说明风量对去除率还是有较明显的影响。

随着风量的增加,气体在整个反应器内部的停留时间随即下降,从而导致气体与催化剂的接触时间和接触率随之下降。

而保持气体与催化剂高效稳定的接触是反应发生的基本条件,风量太大,接触效果不好,去除率达不到要求;风量太小实际生产应用
6
8
第5期俞　欣等:光催化处理二甲苯废气的影响因素研究
无法满足。

因此,为了达到一定的去除效果,在反应器大小一定的情况下,风量将会是重点确定的参数之一。

本实验中,为了保证反应器对二甲苯的去除率保持在85%之上,同时考虑到实际生产要求,将通过反应器的风量控制在1000m3/h左右还是比较合适的。

2.5　浓度对去除效果的影响
随着进口浓度逐渐升高,二甲苯去除率随之增加。

当温度为70℃时,进口二甲苯浓度为20811mg/m3,此时整个系统的去除率最低,为8413%;温度升高到80℃时,进口浓度为34712mg/ m3,整个系统去除率达到最大值,为9011%;当进口浓度继续增加,但此时对应去除率却逐渐下降,最终当温度为95℃时,进口二甲苯浓度为73216mg/m3,而对应去除率只有8614%。

进口二甲苯浓度小时,二甲苯与催化剂的接触率与接触时间低,从而整体去除率不高。

此时接触率对整个去除效果的影响占主导地位。

随着进口二甲苯浓度的不断增加,气体热运动逐渐剧烈,导致接触率和接触时间不断的增大,整个系统去除率也随之逐渐增大。

当去除率达到最大值时,温度继续增大,此时大量二甲苯分子没有参与反应就随气流排出反应器,整个系统对二甲苯去除率降低。

此时接触率的影响已经不占主导地位,进口浓度超过了反应器本身的反应浓度负荷,反应器去除率逐渐下降。

根据实验结果,如果要达到最大的反应去除率,选择水浴温度在80℃,即进口二甲苯浓度在350mg/m3左右是比较合适的。

3　结　论
纳米型Ti O
2
由于其独特的粒径效应,处理效率
明显优于普通Ti O
2
,故在实际应用中将会是首选催化剂。

紫外光在反应中是必不可少的要素之一,其强度对去除率基本无较大影响,但一定要保证反应器中紫外光与催化剂以及废气有充分的接触。

臭氧的存在有助于去除率的增加,但是臭氧也存在着紫外线的屏蔽作用,在一定程度上也会对去除率有所影响。

在实际应用设备的设计中,风量和进口浓度将是设计重点。

在反应器大小一定时,风量越大,处理效果就越差,但风量太小将无法实现工业应用,故需实际考虑。

进口浓度即反应器浓度负荷也是设计重点之一,进口浓度将直接影响到污染物分子与催化剂的接触情况,负荷过低或过高都达不到最佳的去除效果。

实验中,通过探讨催化剂类型、紫外光强、臭氧、风量和反应器进口浓度负荷对二甲苯去除率的影响,在选择纳米型Ti O
2
作为催化剂、在紫外光强为1000W且布光均匀、风量为1000m3/h、进口浓度在350mg/m3、通入臭氧的工况条件下运行,整个系统对二甲苯的去除率平均在90%以上。

参考文献
[1]Fujishi m a A.,Honda K.Electr oche m ical phot olysis of wa2
ter at a se m iconduct or electr ode.Nature,1972,238:37～
38
[2]王宇晖,徐高田.光触媒技术的发展与应用.化学工程
师,2004,12(111):38～41
[3]卢晓平,戴文新,王绪绪,等.纳米Ti O2的负载化及其
在环境光催化中的应用.应用化学,2004,21(11):
1087～1092
[4]秦涛,王怡中,胡克源.催化氧化法处理苯系物工业废
气催化剂的研制.环境科学学报,1995,15(2):239～
245
[5]明彩兵,吴平霄.光催化反应器的研究进展.环境污染
治理技术与设备,2005,6(4):1～6
[6]V incenzo Augugliar o,Aalvat ore Coluccia,et al.Phot ocata2
lytic oxidati on of gaseous t oluene on anatase Ti O2catalyst:
Mechanistic as pects and FT2I R investigati on.App lied Ca2
talysis B:Envir on mental,1999,20(1):15～27
[7]陈德明,王亭杰,雨山江,等.纳米Ti O2的性能、应用及
制备方法.材料工程,2002,11:42～47
78。