改性二氧化鈦在可見光下對一氧化氮的去除效率研究

文_段軍 山西省環境保護技術評估中心

1 實驗部分

1.1 納米二氧化鈦的制備（表1）

表1 實驗藥劑

納米二氧化鈦（TiO2）顆粒制作步驟：用移液管分別移取60mL無水乙醇、20mL鈦酸丁酯、24mL冰醋酸加入到250mL錐形瓶中，用恒溫磁力攪拌器強烈攪拌均勻，記為A溶液。繼續量取 20mL無水乙醇、15mL蒸餾水加入到 60mL的滴定管中，記為B，同樣在強烈的攪拌下，以10s每滴的滴定速度向錐形瓶滴加，因為酯類物質極易強烈水解，所以需要注意的是在滴定過程中速度要慢。滴定完畢后，繼續攪拌60min，得到透明的TiO2溶膠，記為C。

將得到的透明溶膠C放在密閉的棕色干燥箱內靜置。24h之后取出錐形瓶，將TiO2溶膠移至坩堝內，將坩堝放置在烘箱內，設定烘箱溫度為700℃，烘干8h（確保有機物完全揮發，TiO2溶膠完全干燥為固體）。

8h后將坩堝放在馬弗爐內，設定溫度為5000℃，3h后取出坩堝，坩堝內的固體顆粒即為納米TiO2顆粒。將配置好的納米TiO2顆粒進行密封不見光保存。

1.2 粉煤灰的改性

1.2.1 粉煤灰的預處理

本次實驗的粉煤灰由太原第一熱電廠提供。

（1）水洗

用實驗室的八號篩（90±4.6μm 15目）將未經處理的粉煤灰篩至指定燒杯內，用蒸餾水洗滌粉煤灰，并用玻璃棒勻速攪拌，使粉煤灰中的雜質懸浮在上液面，靜置，使粉煤灰沉底，將表面水倒至指定容器。如此反復洗滌幾次直至不再有雜質浮在水面上。用抽濾機將粉煤灰中的水分抽走，將粉煤灰放置在坩堝中，放入烘箱內，設定烘箱溫度為1200℃，直至粉煤灰被完全烘干后再取出。

（2）酸洗-水洗

提前配制濃度為1mol/L的鹽酸，將水洗干燥后的粉煤灰用同樣上述的方法進行酸洗，倒入配制好的鹽酸淹沒粉煤灰，用玻璃棒攪拌，然后靜置，將鹽酸及其洗出雜質倒至指定廢酸桶，繼續用同樣方法進行水洗，直至倒出的液體呈中性。用同樣的方法用抽濾機抽濾，1200℃條件下烘干，烘干后將坩堝中的粉煤灰放入到設定為溫度5000℃的馬弗爐內，煅燒時間為3h。

1.2.2 粉煤灰的成型處理

（1）粉煤灰的成型最佳調配量

分別取磷酸硅：硅酸鈉：粉煤灰比例為 2：2：6、2：3：5、1：2：7,分別加入2.5mL蒸餾水，并用玻璃棒攪拌均勻呈泥狀后放置在濾紙上，用小刀攤平，將其切成條狀物，用手指在手掌上搓，看是否可以成型，之后再用小刀切成直徑約3cm、高度約5cm的柱狀物。經實驗發現，只有配比為2：3：5的一組可以較好地成型，且有一定的韌性和強度，易成型且不易斷裂。最終選取最佳配比，磷酸硅：硅酸鈉：粉煤灰比例為2：3：5。

（2）成型煅燒

按上述調配量制成的柱狀物粉煤灰放在坩堝內，放置到干燥箱中，設定溫度為1200℃，烘干4h后，將坩堝取出放到馬弗爐內，設定溫度為5000℃，煅燒時間設為3h。3h后，將坩堝取出，待藥品完全冷卻后，將成型的粉煤灰放在密封袋中進行保存。

1.3 尿素為氮源的氮摻雜二氧化鈦的制備

依據實驗室現有的條件，為不影響實驗進度，本設計選用粉體燒結法進行負載。將納米TiO2粒子研磨成粉末后溶于醇類或水溶液中，強烈攪拌，使得載體表面吸附TiO2，在1000℃下烘干脫醇或在自然狀態下風干脫水。然后在高溫（5500℃）下燒結，負載完成。

本文以摻氮即尿素(Urea)研究二氧化鈦在可見光區域的光催化活性。具體步驟如下：將密封袋中的粉煤灰取出32g放入燒杯中。將制好的納米二氧化鈦顆粒取出，研磨成粉末狀后，加入40mL乙醇，待顆粒完全溶解后，倒入燒杯中，用玻璃棒攪拌均勻后放入坩堝中，放置烘箱，設置溫度為1200℃，時間為4h。

1.4 Ti02光催化劑煙氣脫氮實驗

1.4.1 模擬電廠排放的一氧化氮氣體

將實驗室的氣袋事前通入空氣進行反復清洗。先通入一定量的純NO氣體，之后通入N2，將氣袋進行混勻，混勻之后通入NO檢測器，使得氣袋混合氣體保證NO濃度在1000ppm以下。實驗裝置如圖1所示。

圖1 二氧化鈦光催化煙氣脫硝試驗裝置

1.4.2 實驗過程

將混氣袋中氣體和空氣按1：9比例通入混氣瓶中，至混氣瓶中的氣體混合均勻，將混合氣體經由A通入一氧化氮檢測儀，直至數據穩定。

數據穩定后，將電腦與一氧化氮檢測儀相連，將混氣瓶中的氣體經由B通入反應器，待粉煤灰吸附飽和之后，與檢測儀相連的電腦上的曲線會有一個最低點。之后曲線會呈上升趨勢，待數據再次穩定后，打開燈管。

分別在反應器中放入摻氮二氧化鈦濃度依次為25%、35%、50%、100%、150%的負載粉煤灰，依次進行脫氮試驗。用電腦記錄數據。

用同樣的方法做另兩組實驗。變量分別為當摻氮為25%，煅燒時間分別為2h、3h、4h、5h；當摻鐵為10%時，煅燒時間分別為2h、3h、4h、5h。

2 實驗數據分析

2.1 摻氮濃度

當摻氮量為50%時，改性后的粉煤灰對氮氧化物的吸附率效果最明顯，但從整體來看，摻氮量的多少對于粉煤灰的吸附效率影響不明顯。與此同時，當摻氮量為50%時，二氧化鈦對氮氧化物的去除效率最高，為81.1%。摻氮量的變化對總去除效率的影響不是很大，整體在93%左右擺動。

2.2 摻氮的煅燒時間

總去除效率受煅燒時間影響不大，穩定在90%左右。當煅燒時間為3h時，粉煤灰對氮氧化物的吸附效率最高，為81.2%。當煅燒時間為4h時，光催化效率達到最高，為75.8%。

2.3 摻鐵煅燒時間

當摻氮量為50%時，改性后的粉煤灰對氮氧化物的吸附率效果最明顯，但從整體來看，摻氮量的多少對于粉煤灰的吸附效率影響不明顯。與此同時，二氧化鈦對氮氧化物的去除效率最高，為81.1%。總去除效率在此時也達到最高，為93.8%。

3 結語

由以上數據分析可知，摻氮量及摻氮的煅燒溫度對粉煤灰的吸附性能沒有明顯的影響。總體來說，改性二氧化鈦在可見光下對電廠排放的氮氧化物的去除率高達90%。

在粉煤灰成型過程中，粉煤灰所占比例為50%，對于電廠排放的這一廢棄物，實踐中沒有得到有效利用。