CN108993461A - 高效降解甲醛的负载型纳米二氧化钛管式反应器及其制备 - Google Patents

高效降解甲醛的负载型纳米二氧化钛管式反应器及其制备 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高效降解甲醛的负载型纳米二氧化钛管式反应器及其制备。所述的反应器,由石英管式反应器以及在高透石英管通道内填充的二氧化钛纳米线组成;由填充钛酸钠负载的石英棉于高透石英管中制得,并通过退火处理将钛酸钠结构转化为二氧化钛纳米线以获得催化能力。制备方法为:首先选用P25做原料通过水热法制备钛酸纳米线;其次用喷涂的方式将其负载于石英棉表面并退火以获得二氧化钛纳米线;最后将负载二氧化钛纳米线的石英棉填充到高透石英管通道内,即得到本反应器。

Description

高效降解甲醛的负载型纳米二氧化钛管式反应器及其制备
技术领域
[0001] 本发明涉及一种高效降解甲醛的负载型纳米二氧化钛管式反应器,特别是涉及高 效降解甲醛的纳米二氧化钛反应器、能光催化降解甲醛的二氧化钛纳米线的制备方法及在 高透石英管通道内的填充方法,属于空气净化技术领域。
[0002] 近年来,大量有机污染物应用于生产生活中,给人类赖以生存的空气带来极大污 染。空气污染物主要来源有甲苯、苯、甲醛、二手烟、⑶、N〇x、S〇2等一系列有毒有害物质。在这 些污染物中,甲醛是一种应用最为广泛的有机物,也是空气的主要污染源。甲醛是一种高毒 性物质,已被国际癌症研宄中心(IAPC)列为人类可疑致癌物,甲醛超标会引发咳嗽、胸闷、 头晕的症状,甚至白血病、染色体突变等,严重危害人体健康。
[0003] 目前解决甲醛(HCH0)污染气体问题通常采用通风、吸附和植物净化等方法,但这 些方法大多会带来二次污染和污染转移,不能彻底解决污染源问题。光催化技术作为一种 绿色技术,能够将甲醛分解为c〇2和h2o,做到真正的绿色净化,但受限于光催化技术净化空 气效率低下,所以研究高效率光催化剂非常有应用前景。
[0004] 光催化反应技术作为一项绿色的技术,能够高效地分解污染气体,同时不带来二 次污染,保证人的身体健康和提高生活品质。反应主要物质光催化剂在不经过处理的情况 下就能够重复有效地利用,降低了生产成本和劳动力。因此,设计一套新型的光催化系统用 以推进光催化处理甲醛污染气体具有很强的现实意义。
[0005] 基于空气循环系统使甲酸污染空气流过此反应器,可用于制作空气净化器的核心 部件。用于高效光分解甲醛的二氧化钛反应器利用单一的光催化技术对污染气体进行分 解,使污染气体变成无毒无害的物质,而不会造成二次污染;且核心物质二氧化钛纳米线光 催化剂不需要任何处理就能够循环利用,大大降低了使用成本和劳动力。
[0006] 目前市面上空气净化器多采用吸附原理,最常用的是活性炭吸附,如文章《活性炭 对甲醛吸附的研宄》,这类空气净化器初始使用效果好,但是寿命短,吸附剂在使用一段时 间后将丧失空气净化能力,且污染物被转嫁到吸附剂上,并不能从根源去除空气净化器。采 用光催化空气净化原理的大多采用净化板,不能达到理性效果;而使用催化剂直接填充的 空气净化器,容易堵塞,严重影响空气净化器的正常使用。本发明涉及的一种高效降解甲醛 的负载型纳米氧化钛管式反应器是先将纳米氧化钛负载到石英棉上,再填充到反应器中, 这样污染空气能够在反应器中正常流通且有高效降解甲醛的效果。
[0007] 本发明的目的不仅是设计和制备一套用于高效降解甲醛的二氧化钛反应器,还希 望发展一种均匀二氧化钛纳米线催化剂的制备负载技术。首先使用水热法制备出粒径均匀 的钛酸纳米线;随后将合成的钛酸纳米线以喷涂的方式负载到石英棉表面;再将负载的钛 酸退火结晶形成二氧化钛纳米线光催化剂;最终通过将石英棉填充于管式反应器通道内制 备出可高效光催化降解甲醛的二氧化钛反应器。
发明内容
[0008]有鉴于此,本发明的目的是制备一套用于高效降解甲醛的负载型纳米二氧化钛反 应器及均匀二氧化钛纳米线催化剂的制备和负载技术。
[0009]为达到上述目的,本发明提供如下技术方案: _ 1 •本发明提供的高效降解甲醛的负载型纳米二氧化钛管式反应器,其特征在于,包含 高透石英管以及在高透石英管通道内填充的二氧化钛纳米线。
[0010] 2 •高效降解甲醛的负载型纳米二氧化钛管式反应器的制备,其特征在于,包括如 下步骤: (1) (a)先用P25和氢氧化钠为原材料,通过水热法制备出钛酸钠纳米线;⑹然后用盐 酸溶液置换钛酸钠中钠离子得到钛酸纳米线;(c)使用喷涂法将步骤(b)所得钛酸纳米线均 匀喷涂到小块石英棉表面,将喷涂完钛酸的石英棉小块移至烘箱中整晚干燥,得到负载粒 径均匀钛酸纳米线的小块石英棉; (2) 然后将步骤⑴得到的负载粒径均匀钛酸纳米线的小块石英棉置于马弗炉中,进行 退火结晶成有催化能力的二氧化钛纳米线,最后将负载二氧化钛纳米线的石英棉填充到高 透石英管中,得到高效降解甲醛的负载型纳米二氧化钛管式反应器。
[0011] 进一步,所述步骤(1) (&)中的通过水热法制备出钛酸钠纳米线的制备方法,包括 以下步骤:(i)配置5〜12mol/L的氢氧化钠溶液,并将2〜3〇g P25置于所配溶液中搅匀后移至 500ml反应釜中,(i i)水热反应是在120〜200。(:下连续反应30〜80h。
[0012]进一步,所述步骤(1) (b)中的盐酸溶液溶度为〇 • 〇5〜〇. 5mol/L,置换的时间为1(K 80h。
[0013]进一步,所述步骤⑴(c)中的小块石英棉的尺寸为i cmX1 cmXlcm〜15 cmX15 cmX l5cm,烘箱设置温度为60〜120°C。
[0014]进一步,所述步骤(2)中的高透石英管的尺寸为〇3〜30cm。
[0015]进一步,所述步骤(2)中的退火的温度为450〜750。〇,退火的升温速率为3〜1(TC/ min; 进一步,所述步骤(2)中的二氧化钛纳米线的粒径尺寸为30〜500mn,长度尺寸为200nm〜 10]im〇
[0016] 3•本发明的有益效果在于:本发明提供了一种用于高效降解甲醛的负载型管式纳 米二氧化钛反应器,该反应器表现出高效光催化的性能,拥有超强光降解甲醛的能力 (100%)。同时提供了一种均匀二氧化钛纳米线催化剂的制备和负载技术,均匀的二氧化钛 纳米线具有高效的光催化性能,且喷涂-退火的负载方式可使二氧化钛纳米线在石英棉表 面具有良好的负载能力。
附图说明
[0017]为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚,本发明提供如下附图进行 说明: 图1为实施例1的高效降解甲醛的纳米二氧化钛管式反应器的工作原理示意图。
[0018]图2为实施例1中的均匀二氧化钛纳米线催化剂的扫描电子显微镜(SEM)图片。
[0019] 图3为实施例1中的高效降解甲醛的纳米二氧化钛管式反应器的空气净化能力评 价图。
[0020] 图4为实施例2中的高效降解甲醛的纳米二氧化钛管式反应器的空气净化能力评 价图。
具体实施方式
[0021] 下面将对本发明的优选实施例进行详细的描述。
[0022] 实施例1 (1) 首先用l〇g P25和400ml 8mol/L氢氧化钠溶液混合搅匀后移入500ml水热反应釜 中,在180°C下连续水热反应60小时,反应完后将白色沉淀在400ml 0.2mol/L HC1溶液中置 换Na离子30小时,得到白色钛酸沉淀; (2) 使用喷涂法将步骤(1)所得钛酸纳米线喷涂到尺寸为3 X 3 X 3cm小块石英棉表面, 将喷涂完钛酸的石英棉小块移至80°C烘箱中整晚干燥; (3) 将⑵中所得在马弗炉中以550°C退火2小时,升温速率5°C/min,使得负载到石英棉 上的钛酸结晶成为二氧化钛纳米线;负载二氧化钛纳米线的石英棉在扫描电镜下的SEM图 片如图2所示,可以看到内径较为均匀的二氧化钛纳米线; (4) 将⑶中得到的负载二氧化钛纳米线的石英棉填充到O 10cm高透石英管中,用 370nm LED紫外光照射填充的二氧化钛纳米线,即最终得到用于高效光降解甲醛的二氧化 钛管式反应器;其工作原理如图1所示。
[0023] (5)用此反应器在波长为365mn,光功率为0.43mW/cm2的紫外LED灯下降解流速为 50ml/min,甲醛浓度为0.5mg/m3的污染空气,甲醛光降解率达到100%,如图3所示。
[0024] 实施例2 (1)首先用1¾ P25和350ml 5mol/L氢氧化钠溶液混合搅匀后移入500ml水热反应釜 中,在160°C下连续水热反应72小时,反应完后将白色沉淀在500ml 0.2mol/L HC1溶液中置 换Na离子32小时,得到白色钛酸沉淀; ⑵使用喷涂法将步骤⑴所得钛酸纳米线喷涂到尺寸为2 X 2 X 2cm小块石英棉表面, 将喷涂完钛酸的石英棉小块移至80°C烘箱中整晚干燥; ⑶将⑵中所得在马弗炉中以600°C退火2小时,升温速率5°C/min,使得负载到石英棉 上的钛酸结晶成为二氧化钛; (4) 将C3)中得到的负载二氧化钛纳米线的石英棉填充到〇 15cm高透石英管中,用 36〇nm LED紫外光照射填充的二氧化钛纳米线,即最终得到用于高效光降解甲醛的二氧化 钛管式反应器; (5) 用此反应器在波长为365nm,光功率为〇_96mW/cm2的紫外LED灯下降解流速为 200m 1 /min,甲醛浓度为0 • 5mg/m3的污染空气,甲醛光分解率达到1 〇〇%,如图4所示。
[0025]图1是高效降解甲醛的纳米二氧化钛管式反应器的工作原理的示意图,在紫外LED 灯的照射下,通入还有甲醛的污染空气可以被反应器光分解。
[0026]图2是均匀二氧化钛纳米线催化剂的扫描电子显微镜(SEM)图片,由插图可知,二 氧化钛纳米线较为均匀,二氧化钛纳米线尺寸在45-55nm范围并且长度达微米以上。
[0027]图3是实例1中制备的反应器在波长为365nm,光功率为〇_43mW/cm2的紫外LED灯下 降解流速为5〇ml/min,甲醛浓度为〇.5mg/tn3污染空气的性能示意图。
[0028] 图4是实例2中制备的反应器在波长为365nm,光功率为0.96mW/cm2的紫外LED灯下 降解流速为2〇〇ml/min,甲醛浓度为〇. 5ing/m3污染空气的性能示意图。
[0029]最后说明的是,以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制,尽管通 过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述,但本领域技术人员应当理解,可以在 形式上和细节上对其作出各种各样的改变,而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (6)

1 丄高效降解甲醛的负载型纳米二氧化钛管式反应器,其特征在于,包含高透石英管以 及在高透石英管通道内填充的二氧化钛纳米线;所述的高效降解甲醛的负载型纳米二氧化 钛管式反应器的制备,其特征在于,包括如下步骤: (1) (a)先用P25和氢氧化钠为原材料,通过水热法制备出钛酸钠纳米线;(b)然后用盐 酸溶液置换钛酸钠中钠离子得到钛酸纳米线;(c)使用喷涂法将步骤(b)所得钛酸纳米线均 匀喷涂到小块石英棉表面,随后将喷涂完钛酸的石英棉小块移至烘箱中整晚干燥,得到负 载粒径均匀钛酸纳米线的小块石英棉; (2) 然后将步骤(1)得到的负载粒径均匀钛酸纳米线的小块石英棉置于马弗炉中,进行 退火结晶成有催化能力的二氧化钛纳米线,最后将负载二氧化钛纳米线的石英棉填充到高 透石英管中,得到高效降解甲醛的负载型纳米二氧化钛管式反应器。
2. 根据权利要求1所述的高效降解甲醛的负载型纳米二氧化钛管式反应器的制备,其 特征在于,所述步骤(1) (a)中的通过水热法制备出钛酸钠纳米线的制备方法,包括以下步 骤:(i)配置5〜12mol/L的氢氧化钠溶液,并将2〜30g P25置于所配溶液中搅匀后移至500ml 反应釜中,(i i)水热反应是在120〜200 °C下连续反应30〜80h。
3. 根据权利要求1所述的高效降解甲醛的负载型纳米二氧化钛管式反应器的制备,其 特征在于,所述步骤(1) (b)中的盐酸溶液溶度为〇. 05〜0.5mol/L,置换的时间为10〜80h。
4. 根据权利要求1所述的高效降解甲醛的负载型纳米二氧化钛管式反应器的制备,其 特征在于,所述步骤(l)(c)中的小块石英棉的尺寸为1 cmXl cmXlcm〜15 cmX15 cmX 15cm,烘箱设置温度为60〜120 °C。
5. 根据权利要求1所述的高效降解甲醛的负载型纳米二氧化钛管式反应器的制备,其 特征在于,所述步骤(2)中的高透石英管的尺寸为O 3〜30cm。
6. 根据权利要求1所述的高效降解甲醛的负载型纳米二氧化钛管式反应器的制备,其 特征在于,所述步骤(2)中的退火的温度为450〜750。(:,退火的升温速率为3〜WC/min;所述 步骤⑵中的二氧化钛纳米线的粒径尺寸为30〜500nm,长度尺寸为2〇〇nm〜lOwn。
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