設(shè)計(jì)小體積密閉試驗(yàn)艙評(píng)價(jià)甲醛降解效率

鐘廣蓉 王海鷗

摘要：本文設(shè)計(jì)一個(gè)半開(kāi)放式綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，運(yùn)用自制的小體積密閉試驗(yàn)艙來(lái)檢測(cè)納米TiO2材料對(duì)甲醛光催化降解性能。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，對(duì)艙體進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)后，選取水熱法制備的鐵摻雜納米TiO2和氮摻雜納米TiO2作催化劑降解甲醛，比較了其在可見(jiàn)光下對(duì)甲醛的降解效果，最后通過(guò)動(dòng)力學(xué)研究可知甲醛在納米TiO2表面氧化反應(yīng)符合一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程。該綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)覆蓋了多學(xué)科交叉的綜合訓(xùn)練，有助于把學(xué)生培養(yǎng)成“具有創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的高級(jí)專(zhuān)門(mén)人才”。

關(guān)鍵詞：密閉試驗(yàn)艙；摻雜納米TiO2；甲醛降解；實(shí)踐教學(xué)

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2016）38-0047-02

有機(jī)污染物是環(huán)境中對(duì)人們?nèi)粘Ｉ钣绊懞艽蟮奈廴疚?，光催化降解有機(jī)污染物是近年研究熱點(diǎn)之一[1-3]。為了幫助學(xué)生提高解決實(shí)際問(wèn)題的能力，北京科技大學(xué)化學(xué)與生物工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)室將專(zhuān)業(yè)課教師科研課題項(xiàng)目中代表性的內(nèi)容轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，取得一定成效。例如，實(shí)驗(yàn)教學(xué)中設(shè)計(jì)了一個(gè)半開(kāi)放式綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，該項(xiàng)目以取水熱法制備的鐵摻雜納米TiO2和氮摻雜納米TiO2作催化劑[4]，分析和研究其對(duì)甲醛的降解，教師還專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了一個(gè)小體積密閉試驗(yàn)艙，用來(lái)模擬甲醛等揮發(fā)性有機(jī)化合物室內(nèi)空氣污染的檢測(cè)。

一、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)目的

本綜合性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生：（1）了解光催化氧化技術(shù)及其在環(huán)境中的應(yīng)用進(jìn)展；（2）了解試驗(yàn)艙設(shè)計(jì)及性能評(píng)價(jià)體系；（3）掌握利用光降解實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)納米TiO2光催化活性的方法；（4）培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題能力和科學(xué)思維習(xí)慣；

二、儀器及試劑

1.儀器。自制64L密閉實(shí)驗(yàn)艙；QC-2大氣采樣器（北京市勞動(dòng)保障研究所），722型分光光度儀（上海第三分析儀器廠(chǎng)）。

2.試劑。鐵摻雜納米TiO22粉體（Fe/Ti為1at%～5at%）與氮摻雜納米納米TiO2粉體（均為自制），甲醛標(biāo)準(zhǔn)溶液（1.08g/mL，國(guó)家環(huán)保局），乙酰丙酮（北京化學(xué)試劑廠(chǎng)），冰醋酸（北京化學(xué)試劑廠(chǎng)），醋酸銨（北京化學(xué)試劑廠(chǎng)）。

三、試驗(yàn)艙的設(shè)計(jì)

試驗(yàn)艙艙體由鋼化玻璃板制作，為小體積64L的正方體型試驗(yàn)艙，邊長(zhǎng)40cm，頂部有一個(gè)可取下的邊長(zhǎng)為44cm鋼化玻璃蓋，其結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖1。艙頂分別安裝節(jié)能燈和電扇，使標(biāo)準(zhǔn)溶液在短時(shí)間完全揮發(fā)且均勻快速擴(kuò)散到氣候艙中，艙體側(cè)面留有甲醛采樣孔。艙蓋選用惰性密封材料保證與艙體密封良好，并且密封材料與艙內(nèi)空氣的接觸面積要盡可能小。艙身外部用錫紙嚴(yán)密包覆，避免外界條件變化對(duì)降解效果評(píng)價(jià)產(chǎn)生影響。

四、實(shí)驗(yàn)方法

根據(jù)國(guó)標(biāo)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)方法[5]，在采樣管中注入8mL二次蒸餾水作為甲醛吸收液，開(kāi)啟大氣采樣器采集實(shí)驗(yàn)艙中的氣體20min（5mL/min）；用水稀釋定容至10mL，加0.25%乙酰丙酮溶液2.0mL，混勻，置于沸水浴加熱3min，取出冷卻至室溫。用1cm吸收池，以空白試劑為參比，于波長(zhǎng)413nm處測(cè)定吸光度值，計(jì)算實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)甲醛的濃度。

五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

1.試驗(yàn)艙性能評(píng)價(jià)。向艙內(nèi)加入100.0μL濃度為10.8mg/mL的甲醛溶液，當(dāng)甲醛揮發(fā)完全且艙內(nèi)濃度均勻時(shí)，測(cè)定甲醛的濃度C0，隔120min再測(cè)一次甲醛濃度Ct，前后濃度自然對(duì)數(shù)差除以測(cè)定時(shí)間t，即為平均空氣交換率A。實(shí)際測(cè)定A=0.014，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的泄漏率小于0.05/h的要求[6]。實(shí)驗(yàn)前先用強(qiáng)堿性清洗劑，然后使用自來(lái)水沖洗艙內(nèi)表面，最后使用去離子水沖洗，晾干，使清潔空氣進(jìn)入試驗(yàn)艙，8小時(shí)后檢測(cè)艙內(nèi)空氣的本底濃度，甲醛為4.0μg/m3；小于標(biāo)準(zhǔn)中甲醛本底濃度5μg/m3的要求。艙內(nèi)加入濃度為10.8mg/mL的甲醛溶液100μL（按照文獻(xiàn)[7]中規(guī)定甲醛指標(biāo)限量值的10倍），開(kāi)啟風(fēng)扇攪拌，實(shí)驗(yàn)表明40min后，艙內(nèi)甲醛濃度基本穩(wěn)定。測(cè)量艙內(nèi)了不同區(qū)域甲醛濃度，結(jié)果均勻穩(wěn)定，RSD%是1.0%。艙內(nèi)注入甲醛標(biāo)準(zhǔn)溶液，開(kāi)啟風(fēng)扇攪拌，隔一定時(shí)間測(cè)定一次濃度，一星期內(nèi)重復(fù)測(cè)量四次，測(cè)定結(jié)果RSD%是1.0%，具有良好的重復(fù)性。

2.催化劑性能表征。本文使用水熱法制備的鐵摻雜TiO2和氮摻雜TiO2作為光催化材料，粒子尺寸均為10～20nm。鐵摻雜納米TiO2的紫外-可見(jiàn)光漫反射實(shí)驗(yàn)顯示，氮摻雜TiO2和鐵摻雜納米TiO2粉體有著良好的紫外光響應(yīng)能力，同時(shí)吸收邊都產(chǎn)生了明顯紅移，鐵摻雜納米TiO2吸收邊紅移到570nm，氮摻雜TiO2的吸收邊紅移至580nm。將制備好的光催化材料成均勻撒在一個(gè)試驗(yàn)艙底部，從試驗(yàn)艙的進(jìn)樣口注入100uL甲醛標(biāo)準(zhǔn)（1.08g/mL）溶液，每個(gè)一段時(shí)間分別采集艙中的氣體，按照文獻(xiàn)[5]規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)驗(yàn)甲醛（乙酰丙酮法）的濃度變化，計(jì)算催化劑粉體的降解效率，氣體降解率通過(guò)公式如下計(jì)算：η=。式中η——降解率，%；C0——初始濃度；Ct——t時(shí)的濃度。在室溫條件下，摻鐵2%納米TiO2、摻鐵5%納米TiO2、氮摻雜TiO2粉體對(duì)甲醛的降解效果見(jiàn)表1。2天的降解率可達(dá)到90%以上，3天的降解率可以達(dá)到98%以上。表明通過(guò)摻雜改性的納米TiO2在可見(jiàn)光下具有很好的光學(xué)活性，對(duì)氣相中的甲醛有較強(qiáng)的降解作用。

3.甲醛降解動(dòng)力學(xué)方程。甲醛在催化劑表面被氧化要經(jīng)過(guò)擴(kuò)散、吸附、表面反應(yīng)以及脫附等步驟，假設(shè)在通過(guò)風(fēng)扇擾動(dòng)消除了擴(kuò)散、反應(yīng)物的吸附和產(chǎn)物的解吸的影響后，則多相光催化的總反應(yīng)速度只由表面反應(yīng)所決定。隨著反應(yīng)物濃度的降低，光催化氧化反應(yīng)的速率降低。計(jì)算催化劑動(dòng)力學(xué)方程見(jiàn)圖2，從計(jì)算結(jié)果得出甲醛在納米TiO2表面的反應(yīng)是一級(jí)反應(yīng)。符合Langmuir Hinshelwood動(dòng)力學(xué)方程。

六、結(jié)語(yǔ)

采用小體積密閉試驗(yàn)艙評(píng)價(jià)甲醛降解效率實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?jī)?nèi)容豐富，設(shè)計(jì)覆蓋了多學(xué)科知識(shí)點(diǎn)，如，該實(shí)驗(yàn)中光催化劑的合成方法及改性實(shí)驗(yàn)涉及高分子化學(xué)學(xué)科；光催化反應(yīng)器密閉試驗(yàn)艙設(shè)計(jì)涉及到機(jī)械工程學(xué)科；光催化劑降解效能、檢測(cè)方法涉及到分析化學(xué)學(xué)科；光催化降解動(dòng)力學(xué)涉及化學(xué)建模方法與物理化學(xué)的基本理論研究。通過(guò)這種多學(xué)科交叉的綜合訓(xùn)練，有助于培養(yǎng)學(xué)生在化學(xué)一級(jí)學(xué)科層面開(kāi)闊思想，拓寬專(zhuān)業(yè)知識(shí)結(jié)構(gòu)，提高自身綜合素質(zhì)，在實(shí)踐教學(xué)中培養(yǎng)“具有創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的高級(jí)專(zhuān)門(mén)人才”。

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[6]GB/T 18801-2002空氣凈化器[S].2002.

[7]GB50325-2001民用建筑工程室內(nèi)環(huán)境污染控制規(guī)范[S].2001.