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  重庆大学学报  2016, Vol. 39 Issue (2): 146-152  DOI: 10.11835/j.issn.1000-582X.2016.02.019 RIS(文献管理工具)
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引用本文 

郑洁, 吴思奇, 王小艳, 宋雪瑞. 管状光催化反应器的设计及其净化效果分析[J]. 重庆大学学报, 2016, 39(2): 146-152. DOI: 10.11835/j.issn.1000-582X.2016.02.019.
ZHENG Jie, WU Siqi, WANG Xiaoyan, SONG Xuerui. The design of a tubular photocatalytic reactor and itspurification effect analysis[J]. Journal of Chongqing University, 2016, 39(2): 146-152. DOI: 10.11835/j.issn.1000-582X.2016.02.019. .

基金项目

国家自然科学基金资助项目(51478058)。

作者简介

郑洁(1960-),女,重庆大学教授,博士生导师,主要从事室内空气净化、室内热舒适等方向的研究,(E-mail) jzheng5@qq.com

文章历史

收稿日期:2015-10-16
管状光催化反应器的设计及其净化效果分析
郑洁, 吴思奇, 王小艳, 宋雪瑞    
重庆大学 城市建设与环境工程学院, 重庆 400044
摘要:依据光催化净化原理,设计一种管状光催化空气净化器,以甲醛为实验污染物,与以往的平板式反应器进行对比实验,结果表明:管状光催化反应器较传统的平板式反应器净化效果更好,降解效率提高14%。进行正交实验,得出对净化效率影响显著的因素排序为:环境温度> 甲醛初始浓度> 催化剂负载量;最佳催化条件:环境温度25℃,P25TiO2负载量1.0 mg/cm2,甲醛初始浓度0.7 mg/m3;在最佳催化条件下实验,甲醛的降解效率在2 h内可达到89%,效果较好。
关键词: 管状光催化反应器    甲醛    最佳催化条件    降解效率    
The design of a tubular photocatalytic reactor and itspurification effect analysis
ZHENG Jie, WU Siqi, WANG Xiaoyan, SONG Xuerui     
School of Urban Construction and Environmental Engineering, Chongqing University, Chongqing 400044, P. R. China
Abstract: A tubular photocatalytic air purifier was designed on the basis of photocatalytic purification theory. With formaldehyde as experimental pollutant, its purification effect was compared with that of the traditional plate type reactor. The results show that the purification effect of the tubular reactor is better than that of the plate type reactor, and the degradation efficiency increases by 14%. Orthogonal tests show the significance level of the factors affecting purification efficiency is environmental temperature > initial concentration of formaldehyde >P25 TiO2 load. The best catalytic conditions of the tubular photocatalytic air purifier are environmental temperature 25℃, P25TiO2 capacity 1 mg/cm2 and initial concentration of formaldehyde 0.7 mg/m3. Under the best catalytic conditions, the degradation rate of formaldehyde can achieve 89% within 120 min.
Key words: tubular photocatalytic reactor    formaldehyde    the best catalytic condition    degrada-tion efficiency    

近年来,室外大气雾霾污染程度的增加加剧了室内空气品质的恶化[1]。同时,各式各样的新型家居用品在给生活带来方便的同时释放出大量挥发性有机化合物VOCs(volatile organic compounds),导致室内空气质量严重下降[2]。在这些污染物中,甲醛来源广泛,释放浓度高,是室内空气主要污染物之一[3]。兰州市某大学使用问卷调查与现场检测等方法,对60户新装修的普通居民住宅内甲醛污染状况进行检测分析,结果表明,大部分居民室内甲醛含量超标,严重危害居住者身体健康[4],上海、南京市等其他城市的调查也显示出类似的结果[5]。因此,降解甲醛、净化室内空气成为家居生活必不可少的部分。

光催化技术能在一定环境温度和压力下将有机污染物彻底降解,并最终生成H2O和CO2等无机小分子产物[6],具有经济、高效、无二次污染等优点[7],是一种新型、环保、节能的空气净化技术。如何将光催化空气净化技术有效地应用到空气净化中是光催化降解技术实现的核心[8]。当前多数研究主要进行污染物降解的可行性测试,而对光催化净化器的设计及应用发展尚不成熟[9]

根据上述问题,设计一种新型的光催化空气净化器,并制成样机;研究其降解甲醛的影响,对净化效果进行分析;将光催化技术应用到去除甲醛、净化空气的实践中;为光催化空气净化器的发展提供更多依据,对改善室内空气品质、提高人居环境的舒适性具有重要的实践意义。

1 实验仪器和材料

实验仪器:电磁式空气压缩机,型号ACO-308,购于广东海利集团有限公司;甲醛分析仪,型号INTERSCAN160-2,购于北京天跃环保科技有限公司。

实验材料:催化剂选用Degussa公司的P25 TiO2催化剂,制备TiO2催化剂薄膜主要选用P25 TiO2粉末和硅酸钠粉末,利用硅酸钠水溶液的粘合性将P25 TiO2粉体固定于载体上。

装置采用波长为254 nm的紫外灯,经大量研究表明,此波长的紫外光有很好的降解效果,可以有效降解污染物且有杀菌的作用[10]。灯管的主要参数如下:灯管型号为JX-T5-8,额定功率为8 W,生产厂家为海门市佳鑫照明器有限公司,灯身总长为288 mm。

2 实验方法及装置

图 1为实验所用的光催化净化器,光催化反应器位于实验台上,反应器尺寸为60 cm×25 cm×30 cm,其左端为进气口,连接甲醛气体进入,右端为排气口,实验时,甲醛溶液在其左侧甲醛挥发箱挥发得到甲醛气体,经进气管进入环境测试舱,再经反应器净化,由排气管排出净化后的气体,其中通过改变实验中测试的实验因素[11],分析反应器对甲醛的净化效率,得出实验结论。

图 1 管状光催化反应器的结构示意图 Fig. 1 The structure diagram of the tubular photocatalytic oxidation reactor

图 2为实验系统示意图,右侧为1个1 m×0.5 m×1 m的环境测试舱,其前端采用透明材料作为可视窗口。光催化反应器位于舱内的实验台上,其进出口均暴露于舱内空气中。

图 2 实验系统示意图 Fig. 2 The schematic view of the experimental system

左侧为甲醛挥发箱,用注射器准确抽取少量的甲醛溶液,迅速将其滴入到固定在挥发箱底部纸杯里的棉花团上,快速将挥发箱的盖子盖好,已知甲醛挥发箱采用水封的作用,密闭性良好;在甲醛挥发箱的一侧底部安装有一根通气管与环境测试舱连通且管道上设有1个三通阀,一端进空气、一端进甲醛气体,两端可同时开启,即可使气体混合进入环境测试舱内,根据环境测试舱内甲醛测试仪的浓度显示来调节通入的空气和甲醛气体的量,以调节环境测试舱内甲醛气体浓度;可开启密闭舱内的小功率电磁式空气压缩机将甲醛气体和空气抽入环境测试舱内,舱内放置一个小型风扇,用于均匀混合舱内空气,在实验开始前一段时间内,风扇开启,当舱内气体混合均匀、甲醛测试仪读数稳定时再开启净化反应器进行实验,以保证检测到舱内甲醛浓度的准确性。

测试舱所有出口处均采用泡沫、胶布等进行密封。实验结束后,利用大功率的电磁式空气压缩机将环境测试舱内的甲醛气体抽到准备好的水溶液中,将其溶解[12],以免其扩散到空气中,对人体造成伤害。

3 实验结果及分析 3.1 管状光催化反应器与传统平板式反应器的净化效果对比试验

传统的光催化反应器一般为单体式平板反应器[13],将负载有P25 TiO2 3组玻璃和灯管并排放置,其结构可视为平板式反应器,将其与设计的管状光催化反应器在相同的实验条件下进行对比实验,分析其净化效果。

设定实验条件为:甲醛初始浓度1 mg/m3,环境温度(16±2)℃,相对湿度55%±10%,P25 TiO2负载量2.3 mg/ cm2

对比实验结果如图 3所示。

图 3 对比实验结果 Fig. 3 The results of contrastive experiments

图 3可知,在相同的初始实验条件下进行光催化降解,新设计的管状光催化反应器较传统的平板式光催化反应器的催化效果好,原因是新设计的管状光催化反应器增大了要净化气体在管内的停留时间,相当于催化剂与污染气体接触面积加大,净化效率提高。

净化效率按下式计算:

$$ \eta = 1 - \frac{{{C_t}}}{{{C_0}}}, $$ 式中:η为净化效率;C0为甲醛气体的初始浓度值;Ct为甲醛气体的最终浓度值。

传统的平板式反应器在120 min内对甲醛的降解效率为53%,管状光催化反应器的降解效率为67%,相对于传统的平板式反应器净化效率提高了14%。

3.2 光催化降解效率影响因素的正交实验及实验结果分析

选择影响光催化降解效率的3个重要可控因素:环境温度(通过室内空调进行调节控制)、P25TiO2负载量及甲醛气体初始浓度[14],进行正交实验。环境温度根据《空气净化器》[15]所规定的温度25±2 ℃,选择了16、20,25 ℃ 3个水平;气体的初始浓度根据《室内空气质量标准》[16]规定的范围进行选择,发生气体污染物的初始浓度应为相应气体污染物限值的2~10倍,鉴于甲醛的限值为0.1 mg/m3,实验中选取的甲醛初始浓度值分别为0.4、0.7、1.0 mg/m3 3个水平值;TiO2的负载量选择了3个水平值,分别为2.3、1.5、1.0 mg/cm2,研究其对光催化反应的影响。通过设计正交实验,得出这3个可控因素的最佳搭配。

根据正交设计的步骤首先选择正交表,由于每个因素有3个水平,需要在3水平正交表中选取,且一般应尽量选择较小的表,故实验选取L9(34),不考虑交互作用,此表有9行4列,表示最终安排9次实验,由于实验考虑了3个因素,而选用的正交表中有4列,需选择1列为空列,空列在正交表中的作用很大,反应了随机因素引起的误差。正交表的设计如下:将甲醛初始浓度设为因素A、环境温度设为因素B、P25 TiO2负载量设为因素C,A1、B1、C1均用1表示,分别为A、B、C的第一个水平,A2、B2、C2均用2表示,A3、B3、C3均用3表示。

实验进行时,顺序随机选择,不完全按方案表中的顺序进行,每次实验均可重复操作,最终得出9组实验的催化降解效率。实验过程中,其他条件认为不变,环境湿度基本上在55%±10%范围内,净化器进口风速为0.25 m/s,出口风速为0.55 m/s。

已知此正交实验,考虑了甲醛初始浓度、环境温度及P25TiO2负载量3个因素,且每个因素分别有3个水平,总的实验次数为n=9,每个水平进行的实验次数为m=3,表中Kjt表示第j列中所代表的因素j相应于其水平t(t=1,2,…,r)的m次实验结果之和,根据实验设计方案可知r=3,m=3,n=9,例如K11= y1 +y2 +y3

正交实验设计表及实验结果见下表(其中指标Y表示洁净空气量的值:用于表征净化器的净化能力,用单位时间能够提供的洁净空气的量值表示[17])。

表 1 正交实验结果计算表 Table 1 The results statement of orthogonal experiment

表中各个观测值的计算公式如下:

$$ K = \sum\limits_{t = 1}^r {{k_{jt}}} ;P = \frac{1}{n}{K^2};{Q_j} = \frac{1}{m}\sum\limits_{t = 1}^r {k_{jt}^2} ;S_j^2 = {Q_j} - P;Q = \sum\limits_{i = 1}^n {y_i^2} ;S_T^2 = Q - P $$

可以证明其中 $S_T^2 = \sum\limits_{i = 1}^n {{{\left( {{Y_i} - \bar Y} \right)}^2}} = \sum\limits_j {S_j^2} $,其中$\bar Y = \frac{1}{n}K$ 。

从表中通过比较Sj2的值,可以看出因素B的影响最大,其次是因素A。即对净化效率的影响显著性因素排序为:环境温度>甲醛初始浓度>P25 TiO2负载量。在其他因素不变的实验条件下,环境温度对催化降解影响最为显著,这是由于在16~25 ℃的温度范围内,随着温度的增大,光催化剂表面的活化分子数增大,光催化剂与污染物的化学反应速率增大,因此环境温度体现了较好的显著性。也可通过比较极差来判断,极差R表示每一个因素(每一列)各个水平对应的指标的平均值中的最大值与最小值之差,经计算每个因素的极差值RA、RB、RC分别等于0.1、0.11、0.06,得出的结果与方差比较结论一致。

通过计算表可知:

$$ {K_{12}} > {K_{11}} > {K_{13}},{K_{23}} > {K_{22}} > {K_{21}},{K_{33}} > {K_{32}} > {K_{31}} $$

因此最佳实验条件的水平搭配为A2、B3、C3,即环境温度为25 ℃、P25 TiO2的负载量为1.0 mg/cm2、甲醛初始浓度为0.7 mg/m3,此时自行设计的光催化空气净化器对甲醛的降解效果最佳。可以看出此因素水平搭配并不在所设计的实验中,这也体现了正交实验设计的整齐可比性,即可以通过比较Kjt的值可以找出较优的水平。

3.3 最佳催化反应条件下的甲醛净化及其结果分析

在正交实验得到的光催化最佳净化反应条件(环境温度为25 ℃,P25 TiO2的负载量为1.0 mg/cm2,甲醛初始浓度为0.7 mg/m3)下进行甲醛净化实验,测定其净化结果并进行分析。 实验结果如图 4所示。

图 4 总衰减实验结果图 Fig. 4 The results of total attenuation experiment

通过对图 4的分析及拟合,可以得出,在光催化空气净化器的最佳配比条件下,甲醛的净化效果较明显,前60 min内,甲醛降解速率较快;降解效率在60 min时达到74%,120 min时降解效率达到89%,相比其他实验条件下的降解效率要高,也证明了正交分析结果的准确性。

若采用标准的环境测试舱的尺寸(V=30 m3),将本装置得出的洁净空气量近似转化,可计算出洁净空气量的参考值Q=30.6 m3/h。已知空气净化器所用排风扇功率W=22 W,因此可以计算其净化效能,代入计算式η=Q/W可得净化效能等于1.4 m3/(h.W),在1.0~1.5 m3/(h.W)之间,在标准[15]的净化效能等级中属于C级范围,具有一定实用价值。

4 结 论

依据光催化原理设计一种管状光催化空气净化器,以甲醛为污染气体进行试验,对实验结果进行分析,得出结论:

1) 在相同的实验条件下,自行设计的管状光催化反应器与传统的平板式反应器对比,甲醛的降解效率提高了14%。

2) 通过设计正交实验及实验结果分析可得到利用管状光催化空气净化器净化甲醛的最佳实验条件:甲醛初始浓度0.7 mg/m3,环境温度为25 ℃,P25 TiO2的负载量为1.0 mg/cm2

3) 通过方差分析可知,环境温度、污染物初始浓度及P25 TiO2负载量3个可控因素对光催化空气净化器的净化效率影响存在显著性差异,显著性水平排序为:环境温度>甲醛气体初始浓度>P25 TiO2的负载量。

4) 在最佳实验条件下进行净化实验,甲醛的降解效率在120 min内可达89%,比对标准计算净化效能,净化效能属于C级,具有一定实用价值。

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