CN106984188A - 一种甲醛降解实验舱、实验方法及用光催化剂降解甲醛的应用 - Google Patents
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Abstract
一种甲醛降解实验舱、实验方法及用光催化剂降解甲醛的应用，其属于环保技术领域。这种甲醛降解实验舱包括实验舱、空气泵、针阀和缓冲容器，实验舱内设有小型风扇、排气口、日光灯管和承载体，空气泵通过管道依次连接针阀、缓冲容器、控制阀和实验舱。该实验舱结构简单，用光催化剂降解甲醛的应用实验十分方便。在密闭的空间中，甲醛初始值不大于1.5 mg/m3，控制光催化剂浓度为0.1‑0.5mg/m3，密闭空间中温湿度相同，光源采用日光灯管照射，Cu‑TiO2光催化剂在2h內甲醛的降解率为57.3%，SO4 2‑修饰Co‑TiO2光催化剂在2h內甲醛的降解率为58.7%，CdxMn1‑ xS光催化剂在2h內甲醛的降解率为57.8%；在10h內甲醛的降解率均在95%以上。光催化剂制备方法工艺简单、掺杂效率高、成本低、适用于室内空气治理。
Description
技术领域
本发明涉及一种甲醛降解实验舱、实验方法及用光催化剂降解甲醛的应用
，其属于环保技术领域。
背景技术
光催化技术是二十世纪七十年代以来随着纳米科学技术的崛起逐步发展起来的新兴研究领域。影响TiO2催化剂性能的因素主要有粒径和表面积、混晶效应和晶相缺陷。对TiO2进行掺杂改性后，不仅能对光生电子、空穴进行捕获，而且能扩大其光吸收波长范围，从而提高光量子效率。TiO2掺杂改性主要包括掺加过渡金属元素，非金属以及稀土金属元素。过渡金属元素可以有多种化合价，在TiO2中掺杂少量的过渡金属离子，可使其成为光生电子-空穴对的浅势俘获阱，延长电子与空穴的复合时间，并且能使催化反应的响应光谱向可见光扩展，从而提高TiO2的光催化效率。非金属掺杂可提高光催化活性主要是因为非金属掺杂可以使掺杂复合物的复合禁带宽度小于TiO2的禁带宽度，从而使TiO2的吸收边向可见光移动。稀土元素的掺杂提高纳米TiO2光催化活性主要有两方面原因。首先：稀土元素包裹在TiO2表面，能够吸收较宽范围的光辐射，并把能量传递给TiO2，从而提高光催化活性。其次，稀土金属掺杂后会引起TiO2晶格膨胀，适度的晶格膨胀引起更多氧缺陷（杂质缺陷），从而在导带底引起更多的浅能级成为捕获电子的陷阱，稀土离子在价带顶引入的浅能级则成为捕获空穴的陷阱，电子、空穴被捕获分离后又各自被激发向表面迁移，这就大大加强了电子-空穴对的有效分离，从而有利于光催化活性的提高。
非金属掺杂TiO2在可见光下的光催化活性需要进一步提高，而金属掺杂可以增强光催化活性，所以对其进行共掺杂能制备出在可见光下具有更高活性的光催化剂成为科研人员研究的重点。近年来，人们相继开发了许多TiO2掺杂的制备方法，大致可以分为两大类，即气相法和液相法，而以液相方法得到广泛应用。液相法制备纳米掺杂TiO2主要有胶溶法、沉淀法、水热法、溶胶－凝胶法等，关键在于得到一种简便易行，成本低，催化性能好的催化剂制备方法。
发明内容
为解决现有技术中掺杂效率低、工艺复杂、成本高、普适性差，得到成品催化剂活性低的的问题，本发明提供一种甲醛降解实验舱、实验方法及用光催化剂降解甲醛的应用，该实验舱结构简单，用光催化剂降解甲醛的应用实验十分方便。
本发明采用的技术方案为：一种甲醛降解实验舱，它包括一个设有舱门的实验舱，它还包括空气泵、针阀和缓冲容器，所述实验舱内设有两个小型风扇，在实验舱内的上部设有一个排气口、日光灯管和承载体，所述空气泵通过管道依次连接针阀、缓冲容器、控制阀和实验舱。
所述的一种甲醛降解实验舱的实验方法，在实验开始前，打开舱门，将光催化剂承载体放入实验舱内后，关闭舱门、打开针阀、控制阀及排气口，使用空气泵打气清洁实验舱，然后关闭排气口，将少量脱脂棉塞入针阀中，使用进样针往脱脂棉中注射甲醛，甲醛气体在缓冲容器中缓存一段时间，然后开启空气泵往实验舱中进样，一段时间后关掉空气泵电源，并关闭控制阀，此时甲醛气体进入实验舱中，通过控制进样针的进样量和针阀、控制阀的开闭控制实验舱内甲醛浓度不大于1.5 mg/m3，打开小型风扇搅动实验舱内空气，使甲醛均匀分布于实验舱内，此时打开日光灯管进行实验，计时并检测甲醛浓度。
所述的甲醛降解实验舱内用光催化剂降解甲醛的应用，包括以下步骤：
（1）将光催化剂置于含有甲醛的实验舱内，光催化剂的浓度为0.1-0.5mg/m3；实验舱内的甲醛浓度不大于1.5 mg/m3；
（2）采用光源对光催化剂进行照射，光源采用日光灯管；
所述光催化剂包括CdxMn1-xS、Cuy-TiO2和SO4 2-修饰Coz-TiO2，其中：x 代表Cd的掺杂量，1-x代表Mn的掺杂量，x为摩尔百分数；y为摩尔百分数代表铜掺杂量，z为摩尔百分数代表铜掺杂量；x的取值范围0.4-0.6，y的取值范围1.0-3.0，z的取值范围1.5-2.5。
所述Cu-TiO2光催化剂的制备方法为：剧烈搅拌下，将5mL钛酸四丁酯和20mL无水乙醇混合溶液缓慢滴入10mL蒸馏水、10mL乙醇和2mL冰醋酸的混合液中进行水解，滴加完毕后继续搅拌得到透明的溶胶，在室温下静置陈化形成凝胶；80℃干燥12h后置马弗炉中500℃焙烧2小时，得到未掺杂TiO2粉体；再将5mL钛酸四丁酯和10mL无水乙醇混合溶液缓慢滴入10mLCuCl2、10mL乙醇和2mL冰醋酸的混合液中进行水解，滴加完毕后继续搅拌得到透明的溶胶，在室温下静置陈化形成凝胶；80℃干燥12h后置马弗炉中500℃焙烧2小时，得到Cuy-TiO2粉体，其中y为摩尔百分数代表铜掺杂量，根据加入CuCl2浓度不同y的取值范围是1.0-3.0。
所述SO4 2-修饰Co-TiO2光催化剂的制备方法为：将5 mL钛酸四丁酯加入到20 mL无水乙醇中，充分搅拌30 min得到溶液A；再将5 mL无水乙醇、5 mL去离子水和1 mL浓硝酸混合均匀得到溶液B；剧烈搅拌下，将A溶液逐滴加入到溶液B中，滴加完毕后继续搅拌3 h得到透明溶胶；室温下自然陈化5 h并在80 ℃干燥24 h，得到淡黄色干胶粒；研磨后，在500℃焙烧5 h制得纯TiO2粒子；
再将5 mL无水乙醇、5 mL硝酸钴水溶液和1 mL浓硝酸混合均匀得到溶液C；剧烈搅拌下，将A溶液逐滴加入到溶液C中，滴加完毕后继续搅拌3 h得到透明溶胶；室温下自然陈化5h并在80 ℃干燥24 h；制得Co掺杂的TiO2粒子，并用10%浓度的H2SO4溶液将所制备的Co浸渍12 h，并在80 ℃下烘干，研磨；以500℃将其焙烧3 h，得到SO4 2-修饰Coz-TiO2， z为摩尔百分数代表铜掺杂量，根据加入硝酸钴水溶液浓度，z的取值范围是1.5-2.5；
所述CdxMn1-xS光催化剂的制备方法为：为得到不同x值CdxMn1-xS光催化剂，按不同的化学计量比将硝酸镉Cd(NO3)2·6H2O、乙酸锰C4H6MnO4·4H2O和硫脲溶解在水-溶剂中，在室温下持续搅拌60min后，将溶液转入到100mL的聚四氟乙烯反应釜中，密封；在150℃恒温一段时间后，置于室温条件下冷却，通过抽虑分离出沉淀、水洗、醇洗各三次后，将产物于80℃烘箱中24h烘干，研磨；经过上述过程，所得产物即为CdxMn1-xS催化剂，其中x 代表Cd的掺杂量，1-x代表Mn的掺杂量，x为摩尔百分数，x的取值范围是0.4-0.6。
本发明的有益效果是：这种甲醛降解实验舱包括实验舱、空气泵、针阀和缓冲容器，实验舱内设有小型风扇、排气口、日光灯管和承载体，空气泵通过管道依次连接针阀、缓冲容器、控制阀和实验舱。该实验舱结构简单，用光催化剂降解甲醛的应用实验十分方便。在密闭的空间中，甲醛初始值不大于1.5 mg/m3，控制光催化剂浓度为0.1-0.5mg/m3，密闭空间中温湿度相同，光源采用日光灯管照射，Cu-TiO2光催化剂在2h內甲醛的降解率为57.3%，SO4 2-修饰Co-TiO2光催化剂在2h內甲醛的降解率为58.7%，CdxMn1-xS光催化剂在2h內甲醛的降解率为57.8% ；在10h內甲醛的降解率均在95%以上。光催化剂制备方法工艺简单、掺杂效率高、成本低、适用于室内空气治理，所得到的纳米二氧化钛晶化度高、可见光催化活性好，催化剂的寿命长。
附图说明
图1是一种自制实验舱的示意图。
图中：1、空气泵，2、进样针，3、针阀，4、缓冲容器，5、控制阀， 6、小型风扇，7、舱门，8、排气口，9、日光灯管，10、承载体。
具体实施方式
光催化降解室内空气中甲醛的实验步骤如下：
步骤1、实验在自制实验舱（图 1）中进行，实验舱的尺寸规格为：800×400×400(mm)，材质为 1mm厚不锈钢材料，整体焊接密封。实验舱体分别预留进线孔和进样孔一个，以胶垫密封。设计舱门一个，尺寸为 150mm×150mm，光源采用日光灯管照射，甲醛初始值不大于1.5 mg/m3，实验舱内设置光源悬挂装置及样品支架，另外，特设置小型风扇 2 个，形成实验舱内循环气流、以保证舱内污染物质浓度分布均匀。
步骤2 、按照Cu-TiO2光催化剂、SO4 2-修饰Co-TiO2光催化剂、CdxMn1-xS光催化剂的制备方法制备光催化剂，并将Cu-TiO2光催化剂、SO4 2-修饰Co-TiO2光催化剂、CdxMn1-xS光催化剂各10g研磨后加入500ml蒸馏水中，使用超声波振荡器振荡30min，得到乳白色溶胶溶液。取上层溶胶溶液至干净烧杯，标定二氧化钛含量，采用快速喷雾法将二氧化钛喷到碳纤维上，迅速转移到实验舱内，控制催化剂浓度为0.1mg/m3，紧压密闭实验舱门，通过微量进样系统投加甲醛。模拟室内甲醛的污染，待实验舱内浓度达到实验所需的浓度水平时；打开可见光的日光灯管开始进行实验，以甲醛的降解率为指标来评价光催化剂的光催化性能。
步骤3、测试不同光催化剂降解甲醛的能力，Cu-TiO2光催化剂在2h内甲醛的降解率为57.3%， SO4 2-修饰Co-TiO2光催化剂在2h内甲醛的降解率为58.7%，CdxMn1-xS光催化剂在2h内甲醛的降解率为57.8% ； Cu-TiO2光催化剂、SO4 2-修饰Co-TiO2光催化剂、CdxMn1-xS光催化剂在10h内甲醛的降解率均为95%以上。可见上述催化剂使用日光灯管作为光源能够有效降解室内空气中的甲醛，催化活性高。
实验开始前，打开舱门7，将光催化剂承载体10挂在实验舱内支架上，关闭舱门7、打开针阀3、控制阀5及排气口8，使用空气泵1打气清洁实验舱，然后关闭排气口8，将少量脱脂棉塞入针阀3中，使用进样针2往脱脂棉中注射甲醛，甲醛气体在缓冲容器4中缓存一段时间，然后开启空气泵1往实验舱中进样，一段时间后关掉空气泵1电源，并关闭控制阀5，此时甲醛气体进入实验舱中，通过控制进样针2的进样量和针阀3、控制阀5的开闭控制实验舱内甲醛浓度不大于1.5 mg/m3，打开小型风扇6搅动实验舱内空气，使甲醛均匀分布于实验舱内，此时打开日光灯管9进行实验，计时并检测甲醛浓度。
Claims (3)
1.一种甲醛降解实验舱，它包括一个设有舱门（7）的实验舱，其特征是：它还包括空气泵（1）、针阀（3）和缓冲容器（4），所述实验舱内设有两个小型风扇（6），在实验舱内的上部设有一个排气口（8）、日光灯管（9）和承载体（10），所述空气泵（1）通过管道依次连接针阀（3）、缓冲容器（4）、控制阀（5）和实验舱。
2.根据权利要求1所述的一种甲醛降解实验舱的实验方法，其特征是：在实验开始前，打开舱门（7），将光催化剂承载体（10）挂在实验舱内支架上，关闭舱门（7）、打开针阀（3）、控制阀（5）及排气口（8），使用空气泵（1）打气清洁实验舱，然后关闭排气口（8），将少量脱脂棉塞入针阀（3）中，使用进样针（2）往脱脂棉中注射甲醛，甲醛气体在缓冲容器（4）中缓存一段时间，然后开启空气泵（1）往实验舱中进样，一段时间后关掉空气泵（1）电源，并关闭控制阀（5），此时甲醛气体进入实验舱中，通过控制进样针（2）的进样量和针阀（3）、控制阀（5）的开闭控制实验舱内甲醛浓度不大于1.5mg/m3，打开小型风扇（6）搅动实验舱内空气，使甲醛均匀分布于实验舱内，此时打开日光灯管（9）进行实验，计时并检测甲醛浓度。
3.根据权利要求1所述的甲醛降解实验舱内用光催化剂降解甲醛的应用，其特征是：包括以下步骤：
（1）将光催化剂置于含有甲醛的实验舱内，光催化剂的浓度为0.1-0.5mg/m3；实验舱内的甲醛浓度不大于1.5 mg/m3；
（2）采用光源对光催化剂进行照射，光源采用日光灯管；
所述光催化剂包括CdxMn1-xS、Cuy-TiO2和SO4 2-修饰Coz-TiO2，其中：x 代表Cd的掺杂量，1-x代表Mn的掺杂量，x为摩尔百分数；y为摩尔百分数代表铜掺杂量，z为摩尔百分数代表铜掺杂量；x的取值范围0.4-0.6，y的取值范围1.0-3.0，z的取值范围1.5-2.5；
所述Cu-TiO2光催化剂的制备方法为：剧烈搅拌下，将5mL钛酸四丁酯和20mL无水乙醇混合溶液缓慢滴入10mL蒸馏水、10mL乙醇和2mL冰醋酸的混合液中进行水解，滴加完毕后继续搅拌得到透明的溶胶，在室温下静置陈化形成凝胶；80℃干燥12h后置于马弗炉中500℃焙烧2小时，得到未掺杂TiO2粉体；再将5mL钛酸四丁酯和10mL无水乙醇混合溶液缓慢滴入10mLCuCl2、10mL乙醇和2mL冰醋酸的混合液中进行水解，滴加完毕后继续搅拌得到透明的溶胶，在室温下静置陈化形成凝胶；80℃干燥12h后置马弗炉中500℃焙烧2小时，得到Cuy-TiO2粉体，其中y为摩尔百分数代表铜掺杂量，根据加入CuCl2浓度不同y的取值范围是1.0-3.0；
所述SO4 2-修饰Co-TiO2光催化剂的制备方法为：将5 mL钛酸四丁酯加入到20 mL无水乙醇中，充分搅拌30 min得到溶液A；再将5 mL无水乙醇、5 mL去离子水和1 mL浓硝酸混合均匀得到溶液B；剧烈搅拌下，将A溶液逐滴加入到溶液B中，滴加完毕后继续搅拌3 h得到透明溶胶；室温下自然陈化5 h并在80 ℃干燥24 h，得到淡黄色干胶粒；研磨后，在500℃焙烧5h制得纯TiO2粒子；再将5 mL无水乙醇、5 mL硝酸钴水溶液和1 mL浓硝酸混合均匀得到溶液C；剧烈搅拌下，将A溶液逐滴加入到溶液C中，滴加完毕后继续搅拌3 h得到透明溶胶；室温下自然陈化5 h并在80 ℃干燥24 h；制得Co掺杂的TiO2粒子，并用10%浓度的H2SO4溶液将所制备的Co浸渍12 h，并在80 ℃下烘干，研磨；以500℃将其焙烧3 h，得到SO4 2-修饰Coz-TiO2，z为摩尔百分数代表铜掺杂量，根据加入硝酸钴水溶液浓度，z的取值范围是1.5-2.5；
所述CdxMn1-xS光催化剂的制备方法为：将硝酸镉Cd(NO3)2·6H2O、乙酸锰C4H6MnO4·4H2O和硫脲溶解在水-溶剂中，在室温下持续搅拌60min后，将溶液转入到100mL的聚四氟乙烯反应釜中，密封；置于室温条件下冷却，通过抽虑分离出沉淀、水洗、醇洗各三次后，将产物于80℃烘箱中24h烘干，研磨；得到CdxMn1-xS催化剂，其中x 代表Cd的掺杂量，1-x代表Mn的掺杂量，x为摩尔百分数，x的取值范围是0.4-0.6。
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