紫外光催化降解低濃度二硫化碳

陳宋輝

(南京工大環(huán)境科技有限公司，江蘇 南京 210000)

紫外光催化降解低濃度二硫化碳

陳宋輝

(南京工大環(huán)境科技有限公司，江蘇 南京 210000)

采用自制紫外光催化反應(yīng)器降解低濃度二硫化碳模擬廢氣，考察了二硫化碳初始濃度、氣速及相對(duì)濕度對(duì)二硫化碳降解率的影響。結(jié)果表明，在二硫化碳初始濃度為5 mg·m-3、氣速為2 m·s-1、相對(duì)濕度為50%時(shí)，二硫化碳降解率較高，達(dá)到76.8%；在紫外光催化反應(yīng)器中填充蜂窩狀分子篩能夠改善反應(yīng)器性能，二硫化碳降解率達(dá)到97.2%，較未填充時(shí)提高20.4%。

紫外光催化降解；二硫化碳；分子篩

作為一種重要的化學(xué)化工原料，二硫化碳在橡膠、冶金、粘膠纖維等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用[1]。二硫化碳在使用過(guò)程中極易散發(fā)惡臭，且在平流層中容易發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生酸雨，嚴(yán)重影響環(huán)境和人體健康[2]。因此，如何降低二硫化碳對(duì)環(huán)境的危害、減少二硫化碳排放受到越來(lái)越多研究者的關(guān)注。

針對(duì)惡臭類污染物，目前常見(jiàn)的處理方法有吸收吸附法[3]、催化燃燒法、生物法、等離子體法等，這些方法經(jīng)過(guò)不同程度的改進(jìn)和優(yōu)化，均在實(shí)際工程中得到很好的應(yīng)用，但仍存在局限性。作者在此采用自制的紫外光催化反應(yīng)器降解低濃度二硫化碳模擬廢氣，并考察了二硫化碳初始濃度、氣速及相對(duì)濕度對(duì)二硫化碳降解率的影響，以期開(kāi)發(fā)一種高效、低成本的廢氣處理技術(shù)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試劑與儀器

二硫化碳(分析純)，高純空氣(99.999%)。

分光光度計(jì)，質(zhì)量流量計(jì)，玻璃篩板式大氣采樣管。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置(圖1)

實(shí)驗(yàn)裝置包括配氣系統(tǒng)、反應(yīng)器及檢測(cè)系統(tǒng)。鼓吹氣體發(fā)生瓶中的二硫化碳溶液帶出二硫化碳蒸汽，并與另一支路的純凈空氣在氣體混合瓶中混合，通過(guò)質(zhì)量流量計(jì)控制二硫化碳濃度，通過(guò)轉(zhuǎn)子流量計(jì)控制自氣體混合瓶進(jìn)入紫外光催化反應(yīng)器的氣體流速。紫外光催化反應(yīng)器為單管反應(yīng)器，材質(zhì)為石英，反應(yīng)器長(zhǎng)1 m，直徑0.1 m，紫外燈管長(zhǎng)度為0.8 m、功率為40 W。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置

1.3 二硫化碳濃度的測(cè)定

采用二乙胺分光光度法測(cè)定：串聯(lián)2支各裝有10 mL吸收液的玻璃篩板式大氣采樣管，以0.2～0.5 L·min-1的流量采樣后，轉(zhuǎn)移至容量瓶，稀釋至10 mL，搖勻，15 min后測(cè)定吸光度。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線按式(1)計(jì)算二硫化碳濃度，按式(2)計(jì)算二硫化碳降解率。

(1)

(2)

式中：c為二硫化碳濃度，mg·m-3；α為樣品溶液中二硫化碳含量，μg；Vs為樣品溶液定容體積，mL；Vnd為分析時(shí)所取樣品溶液的體積，mL；V1為采樣體積，L；η為二硫化碳降解率，%；c0為二硫化碳初始濃度，mg·m-3。

2 結(jié)果與討論

2.1 二硫化碳初始濃度對(duì)二硫化碳降解率的影響

在室溫(25 ℃)下，通過(guò)調(diào)節(jié)質(zhì)量流量計(jì)得到不同初始濃度的二硫化碳?xì)怏w，通過(guò)轉(zhuǎn)子流量計(jì)控制紫外光催化反應(yīng)器內(nèi)氣速為2 m·s-1，氣體相對(duì)濕度保持在50%，考察二硫化碳初始濃度對(duì)二硫化碳降解率的影響，結(jié)果見(jiàn)圖2。

由圖2可知，二硫化碳降解率隨著二硫化碳初始濃度的升高而降低。當(dāng)二硫化碳初始濃度為5 mg·m-3時(shí)，降解率最高，達(dá)到76.8%；當(dāng)二硫化碳初始濃度升高到25 mg·m-3時(shí)，降解率降至27.8%。這是因?yàn)?，反?yīng)器內(nèi)紫外光激發(fā)產(chǎn)生的光量子數(shù)量是一定的，當(dāng)二硫化碳初始濃度升高時(shí)，與單一二硫化碳分子碰撞的光量子數(shù)減少，導(dǎo)致二硫化碳降解率降低。因此，二硫化碳初始濃度以5 mg·m-3較為適宜。

圖2 二硫化碳初始濃度對(duì)二硫化碳降解率的影響

2.2 氣速對(duì)二硫化碳降解率的影響

二硫化碳在反應(yīng)器內(nèi)的停留時(shí)間是影響其降解率的重要因素。一般而言，停留時(shí)間越長(zhǎng)，降解率越高；但停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，即氣速過(guò)慢時(shí)，反應(yīng)器在處理等量廢氣時(shí)會(huì)消耗更多的能量，從能量利用率和能耗方面來(lái)看，不適于工業(yè)化應(yīng)用。

在室溫(25 ℃)下，控制二硫化碳初始濃度為5 mg·m-3、氣體相對(duì)濕度為50%，通過(guò)轉(zhuǎn)子流量計(jì)調(diào)節(jié)氣速，考察氣速對(duì)二硫化碳降解率的影響，結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 氣速對(duì)二硫化碳降解率的影響

由圖3可知，隨著氣速的加快，反應(yīng)器內(nèi)二硫化碳停留時(shí)間縮短，二硫化碳降解率逐漸降低。當(dāng)氣速低于2 m· s-1時(shí)，二硫化碳降解率保持在較高水平，均在76.8%以上；當(dāng)氣速?gòu)? m·s-1加快到5 m·s-1時(shí)，二硫化碳降解率明顯降低；當(dāng)氣速繼續(xù)加快至15 m·s-1時(shí)，降解率降至10.3%。表明，二硫化碳停留時(shí)間是影響其降解率的重要因素，氣速過(guò)快導(dǎo)致氣體在反應(yīng)器內(nèi)停留時(shí)間過(guò)短，二硫化碳降解不充分，導(dǎo)致降解率不高。因此，對(duì)于此自制紫外光催化反應(yīng)器，當(dāng)氣速在2 m·s-1時(shí)，可以獲得較高的二硫化碳降解率，同時(shí)能夠相對(duì)降低由于停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而導(dǎo)致的能量消耗及單位時(shí)間處理量的減少。

2.3 相對(duì)濕度對(duì)二硫化碳降解率的影響

在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，由于空氣濕度和生產(chǎn)工藝影響，二硫化碳廢氣中不可避免存在水氣，且水氣對(duì)185 nm紫外光具有較強(qiáng)的吸收能力。

為此，本實(shí)驗(yàn)在氣體混合瓶與空氣瓶之間加1個(gè)水洗瓶，通過(guò)控制兩股氣體流量調(diào)節(jié)氣體相對(duì)濕度。在室溫(25 ℃)、二硫化碳初始濃度為5 mg·m-3、氣速為2 m·s-1的條件下，考察相對(duì)濕度對(duì)二硫化碳降解率的影響，結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 相對(duì)濕度對(duì)二硫化碳降解率的影響

由圖4可知，相對(duì)濕度對(duì)紫外光催化降解低濃度二硫化碳影響較大。當(dāng)相對(duì)濕度較高(89.3%)時(shí)，二硫化碳降解率達(dá)到95.3%；當(dāng)相對(duì)濕度為0.5%時(shí)，二硫化碳降解率僅為10.4%。因此，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，若相對(duì)濕度不高，應(yīng)適當(dāng)提高相對(duì)濕度，以提高降解率。綜合考慮，相對(duì)濕度以50%較為適宜。

2.4 紫外光催化反應(yīng)器性能優(yōu)化

據(jù)報(bào)道[4]，185 nm紫外光下，空氣中的O2會(huì)轉(zhuǎn)化為O3，而O3具有強(qiáng)氧化性能夠促進(jìn)二硫化碳降解。因此在紫外光催化反應(yīng)器中填充蜂窩狀分子篩，延長(zhǎng)O3在反應(yīng)器內(nèi)的停留時(shí)間可以進(jìn)一步降解二硫化碳。同時(shí)由于分子篩具有較強(qiáng)的吸水能力(吸水率達(dá)到50%左右)，能夠一定程度上截留氣體中的水氣，提高反應(yīng)器內(nèi)相對(duì)濕度，從而改善反應(yīng)器性能。

為此，在二硫化碳初始濃度為5 mg·m-3、氣速為2 m·s-1、相對(duì)濕度為50%的最佳條件下，測(cè)定分子篩填充前后的二硫化碳降解率。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，分子篩填充前后的二硫化碳降解率分別為76.8%和97.2%，填充分子篩后的二硫化碳降解率較填充前提高20.4%，且尾氣中基本無(wú)O3。表明，填充分子篩能夠提高紫外光催化反應(yīng)器的性能。

3 結(jié)論

采用自制紫外光催化反應(yīng)器降解低濃度二硫化碳模擬廢氣，考察了二硫化碳初始濃度、氣速及相對(duì)濕度對(duì)二硫化碳降解率的影響。結(jié)果表明，在二硫化碳初始濃度為5 mg·m-3、氣速為2 m·s-1、相對(duì)濕度為50%時(shí)，二硫化碳降解率較高，達(dá)到76.8%；在紫外光催化反應(yīng)器中填充蜂窩狀分子篩能夠改善反應(yīng)器性能，二硫化碳降解率達(dá)到97.2%，較未填充時(shí)提高20.4%。

[1] 白韜光.惡臭污染防治技術(shù)及工程實(shí)踐[J].遼寧城鄉(xiāng)環(huán)境科技,2002,22(5):36-40.

[2] 李續(xù)融,柳知非,龐德紅.二硫化碳廢氣治理技術(shù)及其展望[J].污染防治技術(shù),2010,23(5):72-76.

[3] 賈金平,李侃,方海軍,等.活性炭及活性炭纖維對(duì)CS2的吸附行為研究及其方法探討[J].環(huán)境化學(xué),2011,30(1):351-356.

[4] 潘循皙,董文博,張仁熙,等.大氣中紫外光作用下CS2及COS的轉(zhuǎn)化反應(yīng)[J].化學(xué)世界,2002(S1):94-96.

Ultraviolet Photocatalytic Degradation of Low-Concentration of Carbon Disulfide

CHEN Song-hui

(NJUTEnvironmentTechnologyCo.,Ltd.,Nanjing210000,China)

With a self-made ultraviolet photocatalytic reactor,the degradation of low-concentration of simulated waste carbon disulfide gas was conducted.The effects of initial concentration of carbon disulfide,gas velocity and relative humidity on degradation rate of carbon disulfide were investigated.Results indicated that,when the initial concentration of carbon disulfide was 5 mg·m-3,the gas velocity was 2 m·s-1,and the relative humidity was 50%,the degradation rate of carbon disulfide reached 76.8%.As adding honeycomb molecular sieves into the self-made ultraviolet photocatalytic reactor,the degradation rate of carbon disulfide could reach 97.2%,which improved by 20.4% than without honeycomb molecular sieves.

ultraviolet photocatalytic degradation;carbon disulfide;molecular sieve

2016-10-19

陳宋輝(1981-)，男，湖北黃梅人，工程師，主要從事材料研究應(yīng)用與產(chǎn)業(yè)化工作，E-mail:13505174952@163.com。

10.3969/j.issn.1672-5425.2016.12.015

陳宋輝.紫外光催化降解低濃度二硫化碳[J].化學(xué)與生物工程，2016，33(12)：68-70.

X 701

A

1672-5425(2016)12-0068-03