真空紫外光解_活性炭吸附去除甲苯及副产物臭氧
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properties of toluene and ozone. The ACF loading Mn, Cu oxides had much better degradation property on ozone; meanwhile, could catalyze and oxidize toluene. The catalyst heated at 400℃ showed the best properties, ozone removal rate was stable at 35% when RH was 8%, but it decreased to 16.9% when RH increased to 40%. Key words：activated carbon fiber；toluene；ozone；photodegradation
0.047
山活性炭纤维厂,比表面积为1091m2)上,常温晾
注: 空气流量为9L/min, 气流RH25%
21.90 20.00 18.89 17.53 16.37
干,于120℃烘2h,然后浸入2000mL 4%的氨水中, 约10min 后 取出 , 常 温 下晾 干 ,120 ℃烘 2h 后 , 用 3.6%的H2O22000mL浸泡,常温晾干, 120℃烘2h 后,用4%的氨水配制Cu2+浓度为0.05mol/L的碱 式碳酸铜溶液1000mL,喷涂于已负载了Mn的活 性炭 纤维毡上 ,于常温 晾干 ,120 ℃ 烘 2h, 再 在 N2 流保护下于300,400, 500℃焙烧2h,制成催化剂, 分别用C300、C400、C500表示.
摘要：研究了不同条件下产 O3 低压汞灯对气相中低浓度甲苯的光化学降解,以及活性炭纤维(ACF)对甲苯光解尾气中残余甲苯及光解副产
物 O3 的脱除.结果表明,气流相对湿度(RH)越高、气体流量越大、甲苯的初始浓度越高,甲苯的真空紫外光解速率越高,最高达 0.070mg/m3,
所产生的 O3 浓度也越低.气流 RH 越低,ACF 对甲苯和 O3 的吸附脱除性能越好.负载 Mn、Cu 氧化物的 ACF 对 O3 有更好的分解性能,同时
表 1 流量对去除率的影响 Table 1 Effect of airflow rate on toluene elimination
流量 停留时间* 甲苯去除率
(L/min) (s)
(%)
O3 浓度 (mg/m3)
甲苯去除速率 (mg/min)
图 1 实验装置示意
3
32
80.67
23.2
6
16
72.57
中国环境科学 2006,26(Suppl.)：56~60
China Environmental Science
真空紫外光解—活性炭吸附去除甲苯及副产物臭氧
张忠良 1,罗吉敏 2,张彭义 1*,孙体昌 2 (1.清华大学环境科学与工程系,北京 100084；2.北京科技大学土木与环
境工程学院,北京 100083)
收稿日期：2005-04-11 基金资助：国家自然科学基金资助项目(50178038);新世纪优秀人才 支持计划(NCET-04-0090) * 责任作者, 副教授, zpy@mail.tsinghua.edu.cn
增刊
张忠良等：真空紫外光解—活性炭吸附去除甲苯及副产物 O3
57
但由于流量小,甲苯的去除速率反而较低.流量 越大, 尾气中O3浓度越低.
39.8
2.96
53.55
Biblioteka Baidu
0.041
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51.0
2.83
51.55
0.039
10.96
63.0
2.70
57.09
0.044
10.62
注:空气流量为 9L/min、甲苯初始浓度为 8.5mg/m3
在实验中,ACF质量W为0.69g,Q为6.6L/min, ρβ为92g/L.以对数部分作为自变量X,以时间作为 因变量Y,公式(1)对穿透曲线处理,可以求得ACF 床层对甲苯和O3的We和Kv(表4).
photodegradation were studied. The higher the air flow relative humidity (RH), the greater the air flow amount, the higher the initial ozone concentration, the higher the vacuum ultraviolet photodegradation speed, with highest reaching 0.070mg/m3, the lower the product ozone concentration. The lower the air flow RH, the better the removal and adsorption
表 3 气流 RH 对甲苯去除率的影响
t b
=
WeW CQ
0
−
We ρβ KC
V0
ln
⎡ ⎢ ⎣
(C0
−
C b
C b
)
⎤ ⎥ ⎦
(1)
Table 3 Effect of relative humidity on toluene elimination
RH 光解后浓度 甲苯去除 甲苯去除速 O3 浓度
室内空气中存在多种挥发性有机物(VOCs), 危害人体健康.目前对VOCs类污染控制的主要技 术有活性炭吸附[1-3],光催化[4,5],强化光催化,如向反 应体系附加微波场[6]、添加O3[7,8]、采用真空紫外 线（VUV）光源等[9].但VUV光催化降解VOCs的 同时，生成副产物O3，尾气需进一步净化.本研究 采用低压汞灯,研究了不同条件下甲苯的光解去除 效率,活性炭纤维(ACF)及其负载Mn、Cu氧化物催 化剂后对光解尾气中甲苯和O3的共同脱除性能.
由表 2 可见,在相同的流量下,甲苯浓度越低, 去除率越高,但甲苯的去除速率越小.甲苯初始浓 度越高,尾气中 O3 浓度越低.
1.3 甲苯和 O3 的脱除 采用功率为10W的低压汞灯,动力管中装填
ACF,床层直径4cm,厚度约0.5cm,总质量为0.69g, 气体流经床 层的速率为500mL/(cm2⋅min).负载 Cu、Mn的ACF对甲苯和O3的脱除实验与上述实
2.90
0.97
66.59
0.017
1.4 催化剂的制备
5.85
2.72
53.45
0.028
8.44
4.25
49.67
0.038
用去离子水配制Mn2+浓度为0.15mol/L的醋五点几ppm11.25
6.94
38.25
0.039
酸锰溶液1000mL,喷涂于100g活性炭纤维毡(鞍
14.19
9.05
36.24
表 2 甲苯初始浓度对去除率的影响 Table 2 Effect of initial concentration on toluene
elimination
甲苯初始浓 光解后浓 甲苯去除 甲苯去除速 O3 浓度 度(mg/m3) 度(mg/m3) 率(%) 率(mg/min) (mg/m3)
验条件相同.
能催化氧化甲苯.在 400℃下焙烧的催化剂性能最好,RH8%时对 O3 的去除率稳定在 35%,但当 RH 增至 40%时,对 O3 的去除率下降为 16.9%.
关键词：活性炭纤维；甲苯；O3；光解
中图分类号：X511
文献标识码：A
文章编号：1000-6923(2006)S0-0056-05
Removal of toluene and photodegradation by-product ozone by vacuum ultra-violet photolysis and activated carbon sorption. ZHANG Zhong-liang1, LUO Ji-min2, ZHANG Peng-yi1*, SUN Ti-chang2 (1.Department of Environmental Science and Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China；2.Civil and Environmental Engineering School, Beijing University of Science and Technology, Beijing 100083, China). China Environmental Science, 2006,26(Suppl.)：56~60 Abstract：The photochemical degradation of low concentration toluene in the gas phase by ozone producing low-pressure mercury lamp and the removal action of ACF on residual toluene and by-product ozone in the tail gas toluene
(%)
(mg/m3) 率(%) 率(mg/min) (mg/m3)
20.5
3.29
44.45
0.034
16.08
29.8
2.94
51.34
0.039
14.06
式中:C0为气体或蒸气的进口浓度,Cb为出口浓 度,tb为污染物在尾气中的浓度达到Cb的时间,W 为活性炭重量,We为该炭的饱和吸附容量,Q为体 积流速,ρβ为活性炭的填充密度,Kv为吸附速率 系数.
2 结果与讨论
由表 3 可见,RH 越大,甲苯的去除率越高,O3 的浓度越低,因此提高 RH 对甲苯的去除有利.
在VUV的作用下,甲苯分子与光照产生的 强氧化性的含氧自由基(如·O,·O2,·OH,·O2H等)发 生反应,分子中的H原子不断被羟基自由基夺取, 最终矿化为CO2和水.但是,光解尾气中O3浓度高, 《室内空气质量标准》[10]中将其浓度限值定为 0.16mg/m3,因此,在实际应用中需进一步去除O3. 2.2 光解-吸附对甲苯和 O3 的脱除
15.85
0.032 0.037
Fig.1 Schematic diagram of experiment
9
11
65.97
11.95
0.052
1.空气泵 2.GA-20B 空气干燥稳流装置 3, 5.转子流量计
12
8
57.10
9.23
0.056
4.稳流阀 6.甲苯发生瓶 7.气流增湿瓶 8.光解反应器 不到1m³/h 15
6
54.59
8.28
0.070
9.动力管 10.O3 分析仪 11.气相色谱仪
注:气流 RH65%,甲苯初始浓度 8.5mg/m3,*停留时间=反应器 体积/流量
1.2 不同条件下甲苯的光降解 考察不同空气流量、甲苯浓度、相对湿度(RH)
条件下甲苯的光降解.低压汞灯(广东华星光电实 业有限公司)功率为15W,该实验中动力管为空.
考察了在RH为8%时,ACF床层对甲苯和O3 的共同脱除效果.甲苯初始浓度为10mg/m3,光解 后浓度为8.9mg/m3,光解去除率约为11%.光解尾 气中O3的浓度约为23.5mg/m3.
由图2可见,光解后的尾气经过ACF床层后, 由于吸附作用,在初始阶段甲苯和O3在吸附床层 尾 气 中 浓 度 很 低 ,800min 后 浓 度 开 始 增 大 , 1300min后达到饱和,饱和后甲苯出口浓度为约
1 实验部分
1.1 甲苯的发生装置 实验装置如图1所示.空气经过干燥、稳流装
置后分流,分别通入增湿瓶、甲苯气发生瓶进行 配气,使空气流中含有一定浓度的甲苯,空气流依 次进入光解反应器(不锈钢中空圆柱体,内径 64mm,高490mm)和动力管(内径40mm).用HP5890 气相色谱仪分析尾气中的甲苯,49-C型O3分析仪 (Thermo Environmental Instruments Inc.)分析O3 浓度.实验中,通入甲苯瓶的空气用稳流阀控制流 量,甲苯发生瓶和气流增湿瓶用水浴槽恒温.
2.1 不同条件下甲苯的光降解
2.2.1 相对干燥条件下 ACF 床层对甲苯和 O3
由表1可见,停留时间越长,甲苯去除率越高, 的脱除 光解尾气中,除了 O3 外,还有残余的甲
58
中国环境科学
26 卷
苯,可能还有些未完全降解的产物.如要达到同时 改进的Wheeler方程[11]表示:
净化的目的,活性炭类吸附剂是最佳选用对象.
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山活性炭纤维厂,比表面积为1091m2)上,常温晾
注: 空气流量为9L/min, 气流RH25%
21.90 20.00 18.89 17.53 16.37
干,于120℃烘2h,然后浸入2000mL 4%的氨水中, 约10min 后 取出 , 常 温 下晾 干 ,120 ℃烘 2h 后 , 用 3.6%的H2O22000mL浸泡,常温晾干, 120℃烘2h 后,用4%的氨水配制Cu2+浓度为0.05mol/L的碱 式碳酸铜溶液1000mL,喷涂于已负载了Mn的活 性炭 纤维毡上 ,于常温 晾干 ,120 ℃ 烘 2h, 再 在 N2 流保护下于300,400, 500℃焙烧2h,制成催化剂, 分别用C300、C400、C500表示.
摘要：研究了不同条件下产 O3 低压汞灯对气相中低浓度甲苯的光化学降解,以及活性炭纤维(ACF)对甲苯光解尾气中残余甲苯及光解副产
物 O3 的脱除.结果表明,气流相对湿度(RH)越高、气体流量越大、甲苯的初始浓度越高,甲苯的真空紫外光解速率越高,最高达 0.070mg/m3,
所产生的 O3 浓度也越低.气流 RH 越低,ACF 对甲苯和 O3 的吸附脱除性能越好.负载 Mn、Cu 氧化物的 ACF 对 O3 有更好的分解性能,同时
表 1 流量对去除率的影响 Table 1 Effect of airflow rate on toluene elimination
流量 停留时间* 甲苯去除率
(L/min) (s)
(%)
O3 浓度 (mg/m3)
甲苯去除速率 (mg/min)
图 1 实验装置示意
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中国环境科学 2006,26(Suppl.)：56~60
China Environmental Science
真空紫外光解—活性炭吸附去除甲苯及副产物臭氧
张忠良 1,罗吉敏 2,张彭义 1*,孙体昌 2 (1.清华大学环境科学与工程系,北京 100084；2.北京科技大学土木与环
境工程学院,北京 100083)
收稿日期：2005-04-11 基金资助：国家自然科学基金资助项目(50178038);新世纪优秀人才 支持计划(NCET-04-0090) * 责任作者, 副教授, zpy@mail.tsinghua.edu.cn
增刊
张忠良等：真空紫外光解—活性炭吸附去除甲苯及副产物 O3
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但由于流量小,甲苯的去除速率反而较低.流量 越大, 尾气中O3浓度越低.
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注:空气流量为 9L/min、甲苯初始浓度为 8.5mg/m3
在实验中,ACF质量W为0.69g,Q为6.6L/min, ρβ为92g/L.以对数部分作为自变量X,以时间作为 因变量Y,公式(1)对穿透曲线处理,可以求得ACF 床层对甲苯和O3的We和Kv(表4).
photodegradation were studied. The higher the air flow relative humidity (RH), the greater the air flow amount, the higher the initial ozone concentration, the higher the vacuum ultraviolet photodegradation speed, with highest reaching 0.070mg/m3, the lower the product ozone concentration. The lower the air flow RH, the better the removal and adsorption
表 3 气流 RH 对甲苯去除率的影响
t b
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WeW CQ
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We ρβ KC
V0
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⎡ ⎢ ⎣
(C0
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C b
C b
)
⎤ ⎥ ⎦
(1)
Table 3 Effect of relative humidity on toluene elimination
RH 光解后浓度 甲苯去除 甲苯去除速 O3 浓度
室内空气中存在多种挥发性有机物(VOCs), 危害人体健康.目前对VOCs类污染控制的主要技 术有活性炭吸附[1-3],光催化[4,5],强化光催化,如向反 应体系附加微波场[6]、添加O3[7,8]、采用真空紫外 线（VUV）光源等[9].但VUV光催化降解VOCs的 同时，生成副产物O3，尾气需进一步净化.本研究 采用低压汞灯,研究了不同条件下甲苯的光解去除 效率,活性炭纤维(ACF)及其负载Mn、Cu氧化物催 化剂后对光解尾气中甲苯和O3的共同脱除性能.
由表 2 可见,在相同的流量下,甲苯浓度越低, 去除率越高,但甲苯的去除速率越小.甲苯初始浓 度越高,尾气中 O3 浓度越低.
1.3 甲苯和 O3 的脱除 采用功率为10W的低压汞灯,动力管中装填
ACF,床层直径4cm,厚度约0.5cm,总质量为0.69g, 气体流经床 层的速率为500mL/(cm2⋅min).负载 Cu、Mn的ACF对甲苯和O3的脱除实验与上述实
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1.4 催化剂的制备
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2.72
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用去离子水配制Mn2+浓度为0.15mol/L的醋五点几ppm11.25
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酸锰溶液1000mL,喷涂于100g活性炭纤维毡(鞍
14.19
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表 2 甲苯初始浓度对去除率的影响 Table 2 Effect of initial concentration on toluene
elimination
甲苯初始浓 光解后浓 甲苯去除 甲苯去除速 O3 浓度 度(mg/m3) 度(mg/m3) 率(%) 率(mg/min) (mg/m3)
验条件相同.
能催化氧化甲苯.在 400℃下焙烧的催化剂性能最好,RH8%时对 O3 的去除率稳定在 35%,但当 RH 增至 40%时,对 O3 的去除率下降为 16.9%.
关键词：活性炭纤维；甲苯；O3；光解
中图分类号：X511
文献标识码：A
文章编号：1000-6923(2006)S0-0056-05
Removal of toluene and photodegradation by-product ozone by vacuum ultra-violet photolysis and activated carbon sorption. ZHANG Zhong-liang1, LUO Ji-min2, ZHANG Peng-yi1*, SUN Ti-chang2 (1.Department of Environmental Science and Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China；2.Civil and Environmental Engineering School, Beijing University of Science and Technology, Beijing 100083, China). China Environmental Science, 2006,26(Suppl.)：56~60 Abstract：The photochemical degradation of low concentration toluene in the gas phase by ozone producing low-pressure mercury lamp and the removal action of ACF on residual toluene and by-product ozone in the tail gas toluene
(%)
(mg/m3) 率(%) 率(mg/min) (mg/m3)
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0.034
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式中:C0为气体或蒸气的进口浓度,Cb为出口浓 度,tb为污染物在尾气中的浓度达到Cb的时间,W 为活性炭重量,We为该炭的饱和吸附容量,Q为体 积流速,ρβ为活性炭的填充密度,Kv为吸附速率 系数.
2 结果与讨论
由表 3 可见,RH 越大,甲苯的去除率越高,O3 的浓度越低,因此提高 RH 对甲苯的去除有利.
在VUV的作用下,甲苯分子与光照产生的 强氧化性的含氧自由基(如·O,·O2,·OH,·O2H等)发 生反应,分子中的H原子不断被羟基自由基夺取, 最终矿化为CO2和水.但是,光解尾气中O3浓度高, 《室内空气质量标准》[10]中将其浓度限值定为 0.16mg/m3,因此,在实际应用中需进一步去除O3. 2.2 光解-吸附对甲苯和 O3 的脱除
15.85
0.032 0.037
Fig.1 Schematic diagram of experiment
9
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1.空气泵 2.GA-20B 空气干燥稳流装置 3, 5.转子流量计
12
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4.稳流阀 6.甲苯发生瓶 7.气流增湿瓶 8.光解反应器 不到1m³/h 15
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9.动力管 10.O3 分析仪 11.气相色谱仪
注:气流 RH65%,甲苯初始浓度 8.5mg/m3,*停留时间=反应器 体积/流量
1.2 不同条件下甲苯的光降解 考察不同空气流量、甲苯浓度、相对湿度(RH)
条件下甲苯的光降解.低压汞灯(广东华星光电实 业有限公司)功率为15W,该实验中动力管为空.
考察了在RH为8%时,ACF床层对甲苯和O3 的共同脱除效果.甲苯初始浓度为10mg/m3,光解 后浓度为8.9mg/m3,光解去除率约为11%.光解尾 气中O3的浓度约为23.5mg/m3.
由图2可见,光解后的尾气经过ACF床层后, 由于吸附作用,在初始阶段甲苯和O3在吸附床层 尾 气 中 浓 度 很 低 ,800min 后 浓 度 开 始 增 大 , 1300min后达到饱和,饱和后甲苯出口浓度为约
1 实验部分
1.1 甲苯的发生装置 实验装置如图1所示.空气经过干燥、稳流装
置后分流,分别通入增湿瓶、甲苯气发生瓶进行 配气,使空气流中含有一定浓度的甲苯,空气流依 次进入光解反应器(不锈钢中空圆柱体,内径 64mm,高490mm)和动力管(内径40mm).用HP5890 气相色谱仪分析尾气中的甲苯,49-C型O3分析仪 (Thermo Environmental Instruments Inc.)分析O3 浓度.实验中,通入甲苯瓶的空气用稳流阀控制流 量,甲苯发生瓶和气流增湿瓶用水浴槽恒温.
2.1 不同条件下甲苯的光降解
2.2.1 相对干燥条件下 ACF 床层对甲苯和 O3
由表1可见,停留时间越长,甲苯去除率越高, 的脱除 光解尾气中,除了 O3 外,还有残余的甲
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中国环境科学
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苯,可能还有些未完全降解的产物.如要达到同时 改进的Wheeler方程[11]表示:
净化的目的,活性炭类吸附剂是最佳选用对象.