张建平1、张川2、张千2、李玲3、张伟3
(1. 河北麦森钛白粉有限公司总工程师 2. 河北麦森钛白粉有限公司工程师 3.河北麦森钛白粉有限公司助理工程师)
摘要: 以具有直通孔的成型支承体胶粘活性炭 ( A C ) 为载体, 采用浸涂法在复合载体上形成纳米Ti02/SiO2复合光催化剂薄层, 制备出可用于室内空气净化的活性炭和纳米复合复合光催化净化材料。
关键词: 光催化; 空气净化; 活性炭; 纳米二氧化钛
一、技术背景
TiO2是迄今为止应用最为广泛的理想光催化剂，但TiO2纳米催化剂存在着易凝聚、对太阳光的利用率低、并且由于微粒细小造成回收困难的问题，而TiO2块体或球体表面的吸附性差，光催化效率低，需要较长时间才能达到对有机物完全降解，因此可以采用具有大比表面积、多孔的惰性吸附剂(沸石、SiO2、活性炭等)作为载体，对污染物进行快速的吸附净化和表面富聚，是提高光催化活性的有效途径。
在常见的吸附材料中，比较多见的是活性炭和二氧化硅。活性炭是利用木炭、木屑、椰子壳一类的坚实果壳，果核及优质煤等做原料，经过高温炭化，并通过物理和化学方法，采用活化、酸性、漂洗等一系列工艺而制成的黑色、无毒、无味的物质。但是目前市面上常见的炭包使用的活性炭都是颗粒状或粉末状，只有当活性炭的孔隙结构略大于有害气体分子的直径，能够让有害气体分子完全进入的情况下(过大或过小都不行)，才能达到最佳的吸附效果。因此使用具有局限性。河北麦森钛白粉有限公司发现活性炭纤维有较发达的比表面积(2000m2/g)和较窄的孔径分布，与活性炭相比，有较快的吸附脱附速度和较大的吸附容量。介孔二氧化硅的孔径介于10nm到100nm之间，这样的单分散的介孔二氧化硅纳米粒子具有孔材料和纳米材料的双重功能，在催化，吸附等方面都有相应的功能。河北麦森钛白粉有限公司将活性炭和介孔二氧化硅作为双载体，对其进行纳米TiO2负载，并进行了室内甲醛气体去除实验，结果证明其光催化性能优于单一的载体。
二、新吸附复合技术原理
吸附是由于吸附剂和吸附质分子间的作用力引起的，根据作用力的不同，可分为物理吸附和化学吸附。物理吸附主要靠分子间的范德华力，把吸附质吸附在吸附剂表面，是可逆过程，只能暂时阻挡污染而不能消除污染。当吸附条件改变，如降低气相中吸附质的分压力或提高被吸附气体的温度，吸附质会迅速解吸。
单一吸附技术主要表现为以下三点局限性：1.单一吸附剂大多具有专一性，对某种或某类组分具有较好的吸附效果，但室内空气组分复杂，所需除去的物质种类、浓度不同，就需要开发具有较大吸附范围的新型吸附剂。2.物理吸附存在吸附饱和问题，吸附剂工作一段时间后吸附能力达到饱和，失去吸附功能。化学吸附随着吸附剂的消耗，吸附能力也变弱。3.吸附剂吸附空气中的有机物，如不及时清理，可能会成为细菌滋生的场所，成为二次污染。
利用活性炭与介孔SiO2上负载纳米TiO2的方法，首先在活性炭纤维、SiO2表面形成吸附层，然后再将纳米TiO2负载在上面形成最外层的光催化层。可以达到以下的特点：1)合理的几何形状支撑体，使净化比表面积较大和气流阻力较小。2)TiO2处于最外层，紫外光直接作用在TiO2光催化剂上，提高利用率。3)借助活性炭、SiO2的吸附作用，对空气中极低浓度的污染物进行快速吸附净化和表面富集，加快了光催化降解反应的速率，抑制了中间产物的释放，提高了污染物完全氧化的速率;TiO2的光催化作用促使被活性炭吸附的污染物向TiO2表面迁移，从而实现了活性炭的原位再生，延长使用周期。通常被称为“协同效应”。
三、制备
1.以河北麦森钛白粉自制的纳米TiO2粉体为原料，用去离子水100ml配制成1.5%的悬浮液并加入0.5g的六偏磷酸钠作为分散剂，超声振荡30min。
2.将分散好的TiO2浆液加热到80~90℃，称取2g嵌段共聚物表面活性剂P123加入，滴入0.6g扩孔剂 1,3,5—三甲苯，将反应温度上升至40℃搅拌30min，同时加入50ml NaSiO3溶液和10ml稀H2SO4，调节PH值在8~10。40℃下继续搅拌反应20h。
3.对活性炭纤维进行预处理：将活性炭纤维布置于250 mL烧杯中，在0.5 mol L-1重铬酸钾溶液150ml中浸泡24 h ，用蒸馏水洗至无重铬酸钾桔红色;然后用双氧水浸泡48 h，再用蒸馏水反复冲洗，80℃烘干。
4.活性炭负载二氧化钛：分别对上述未处理活性炭、和经过预处理的活性炭采用浸渍法进行处理， 将经过预处理的活性炭纤维布加入到2溶液中，充分搅拌1h后，在超声波中震动1h，然后放入沙星漏斗中抽真空滤出多余的溶胶，密封保存;凝胶化后在40℃下干燥12h，将所制备的TiO2凝胶/SiO2、活性炭纤维复合体，按同样的工艺，重复渗涂3次后，把制得的复合体在250℃氮气(大气)中热处理2h即可得到所需的光催化剂。
四、测试结论
以具有直通孔的成型支承体胶粘活性炭 ( A C ) 为复合载体, 采用浸涂法在复合载体上形成纳米TiO2/SiO2光催化剂薄壳层, 制备出可用于室内空气净化的复合型空气净化基材。
对其吸附性能及净化性能进行测试，吸附曲线如下图1：
从吸附曲线可以看出，TiO2负载对活性炭的吸附能力影响不大，吸附能力略有提升，即该负载方法可以较完整地保留活性炭的吸附能力或者吸附能力有提高。
为探讨所研制的复合光催化净化网的净化过程, 将 单 纯 活 性 炭 吸 附 净 化 (A C ö 支 承 体) 、 单 纯TiO2光催化降解净化 ( TiO2 ö 支承体) 、 活性炭与TiO2 简单混合物净化网 ( ( TiO2 + A C ) ö 支承体) 与所研制的活性炭负载壳层TiO2 的光催化复合净化网 (TiO2 ö A C ö 支承体) 的净化过程进行了对比, 结果如表 1 。
结果表明, 以功率为 6 W 、 波长 254n m 的紫外杀菌灯照射 3h , 其甲苯净化率为 98 . 8% , 三氯乙烯 (T C E ) 净化率为 99 . 5% , 硫化氢净化率为 99 . 6% , 氨气净化率为 96 . 5% , 甲醛净化率为 98 . 5% , 一氧化碳净化率为 60 . 1%。 通过对比实验还表明, 所研制的复合型空气净化基材具有单纯活性炭、单纯光催化剂TiO2 / SiO2、 活性炭与二氧化钛简单混合等净化装置所不具备的综合优势, 通过复合提高了光催化效率, 同时达到活性炭原位再生的目的 。
本研究制备的复合型空气净化基材具有以下特点:
( 1) 将支承体、吸附剂活性炭和光催化剂 TiO2 / SiO2有机地形成一个具有层次结构的整体。 其中, 光催化TiO2/ SiO2处于最外层, 这样的结构使得紫外光在没有遮挡的条件下直接作用在TiO2 / SiO2光催化剂上, 实现了较高的光利用率 。
(2) 借助活性炭的吸附作用, 对空气中极低浓度的污染物进行快速的吸附净化和表面富集, 加快了污染物光催化降解反应的速率, 抑制了光催化中间产物的释放, 提高了污染物完全氧化的速率 。
( 3)TiO2 / SiO2 的光催化作用促使被活性炭吸附的污染物向TiO2 表达迁移, 使活性炭的吸附能力得以恢复, 实现了活性炭的原位再生 。
