天津大学反应动力学研究方法课题报告

反应动力学研究方法课题报告

二氧化钛光催化降解甲醛反应动力学研究自1972年Fujishima和Honda发现TiO

2

单晶电极具有光分解水的功能以后,半

导体多相光催化反应引起人们的浓厚兴趣。以半导体粉末为催化剂的光催化氧化污染物处理技术,由于具有能耗低，操作简单，反应条件温和以及无二次污染等优点,成为近年来日益受重视的污染治理新技术。

国内外研究工作者已经在这方面进行了一些工作,如Raupp，Takeda和Sopyan 等人分别对三氯乙烯体系、丙醛物系和醋酸体系进行了研究,Peill和Hoffmann 研究了氯酚的光催化降解机理,Dijkstra等人则从多相反应器的角度对光催化反应过程进行了研究。不同研究者的试验体系不同,所得结果也不尽相同。因此,

我参考文献资料，总结研究了TiO

2

薄膜催化降解甲醛的反应动力学。

一预期目标

以钛酸丁酯为前驱体,应用溶胶—凝胶法制备TiO

2粉体和负载TiO

2

薄膜,考察

不同活化温度和活化时间对TiO

2光催化降解甲醛性能的影响,并研究TiO

2

薄膜光

催化降解甲醛的反应动力学。

二前期准备

试剂准备：钛酸丁酯,化学纯; 甲醛, 分析纯; 无水乙醇,分析纯;去离子水;冰醋酸,分析纯;乙酰丙酮,分析纯; 浓盐酸,分析纯。

三动力学实验装置

DZF26050型真空干燥箱,;SRJX型马弗炉;直插式酸度计,莱氏PHC22

型;JB902D型强力电动搅拌机; UNICAM紫外分光光度计。

四实验内容

实验一纳米TiO2 粉体及薄膜的制备

实验采用溶胶—凝胶法制备TiO

2

粉体。以钛酸丁酯为前驱体,先将钛酸丁酯溶解在2/3总量的无水乙醇中,加入冰醋酸,使之与钛酸丁酯反应形成螯合物,并与溶剂形成稳定的溶胶体系。将剩余的1/ 3无水乙醇与去离子水混合,调节混合液pH 至2.0左右后,缓慢滴加混合液到钛酸丁酯溶胶中,滴加完毕将溶胶静置一段时间, 溶胶体系逐渐失去流动性成为凝胶。在60℃条件下对湿凝胶进行真空干

燥,得到黄色TiO

2晶体,研磨干燥后的晶体,用马弗炉活化TiO

2

,除去凝胶中的有

机成分, 最终得到白色的TiO

2

粉体。

将TiO

粉体在去离子水中超声分散20min,然后将经过酸碱预处理的培养皿

2

表面浸入分散液,缓慢提拉出培养皿,在60℃下真空干燥2h ,用大流量自来水冲去负载不牢固的粉体, 然后用去离子水浸泡2h ,便制得显中性的TiO

薄膜。

2

实验二光催化降解实验

本实验以常见的室内外空气污染物甲醛为实验对象,用分析纯甲醛溶液配制成光催化实验范围内的稀溶液(10～50μg/mL) 作为实验样品。

薄膜放置于有UV (紫外光) 辐照的反应箱体中, 打开将一组负载样品的TiO

2

UV 灯进行光照。降解反应期间每隔30min 取一次样,用乙酰丙酮紫外分光光度法测量甲醛浓度,计算其降解率。自制光催化反应系统见图1 。

图1 光催化反应系统

1.负载TiO

薄膜培养皿; 2. 紫外灯管; 3. 反应暗箱; 4. 排气扇

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五实验分析

1 光催化剂制备条件的选择

1.1 活化温度的影响

粉体的过程中需要对其进行高温活化,活化温度溶胶—凝胶法制备纳米TiO

2

的晶型结构起着十分重要的作用。在室温,溶胶体系pH为2 ,溶胶配和时间对TiO

2

方:钛酸丁酯5mL,无水乙醇34mL,水2mL,冰醋酸2mL,以及不同活化温度400～

粉体及薄膜样品,考察活化温度对催化剂光活性的影响。甲醛溶750℃下制得TiO

2

液初始质量浓度为17.303μg/mL,UV照射4h。实验结果见图2 。

由图2可见,甲醛的降解率随着活化温度的升高而降低,这是因为TiO

的晶型

2

光催化活性极低,所以当金红石型

由锐钛矿型向金红石型转变,而金红石型TiO

2

在晶相组成中比例增大时,催化剂的光催化活性随着温度的升高逐渐降低。TiO

2

同时考虑到在活化温度较低时,由于粉体制备过程中引入的有机物不能完全分解, 部分有机基团与二氧化钛微粒形成Ti—O—C聚合物,降低了整体的催化活性。所以为了得到较高光催化活性的催化剂,活性温度选取450 ℃。

1.2 活化时间的影响

甲醛溶液初始质量浓度为20.34μg/mL,活化温度为450℃,其他试验条件同1.1 中所述,考察不同活化时间(1～10h)对甲醛光催化降解的影响,实验结果见

图3。

由图3可见,活化时间为5h时光催化剂对甲醛的降解率最高。因为活化时间较短时, 体系中的部分有机基团没有完全排除, 整体光催化活性不是最高;而随着活化时间的增长,这些有机基团分解完全,甲醛降解率升高。当活化时间超过5h,金红石型TiO

2

在晶相组成中的比例增加,催化活性反而降低。在活化5h时,金红石

型TiO

2和锐钛矿型TiO

2

的比例最佳,此时TiO

2

表现出最高的光催化活性。因此,本

实验的较适宜活化时间为5h。

2 反应物浓度对光催化反应的影响

采用1.1节所述的溶胶配方,在450℃条件下活化5h制得TiO

2

粉体及薄膜,考察甲醛初始浓度对其光催化反应的影响,以不同反应时间溶液中甲醛浓度与时间的关系表示,结果见图4。