大氣中揮發(fā)性有機(jī)物的污染現(xiàn)狀與光催化處理技術(shù)研究

宋璐璐

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)環(huán)境督查大隊(duì)，山西 大同 037001）

0 引言

揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）是大氣污染當(dāng)中最重要的一種成分，其不僅對(duì)生態(tài)系統(tǒng)有著惡劣的影響，還會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生嚴(yán)重的危害，因此加大對(duì)大氣中VOCs 的治理也是當(dāng)前環(huán)保事業(yè)推行的重要部分[1]。現(xiàn)階段，光催化技術(shù)是大氣中VOCs 去除的主要手段，但同種催化劑在不同區(qū)域的VOCs 去除過(guò)程中有著不同的效果，因此根據(jù)VOCs 成分科學(xué)地制備催化劑也是提高光催化處理效率的關(guān)鍵所在。

1 某地區(qū)大氣中VOCs 的污染現(xiàn)狀

VOCs 是影響大氣質(zhì)量的關(guān)鍵因素，本次調(diào)查取某地區(qū)大氣樣本進(jìn)行測(cè)驗(yàn)，分析其中VOCs 成分，經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)該地區(qū)大氣樣本中VOCs 成分主要以芳香烴為主，經(jīng)過(guò)對(duì)地方生產(chǎn)企業(yè)探究發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)的各類(lèi)工業(yè)企業(yè)均是產(chǎn)生VOCs 的源頭，其中某企業(yè)內(nèi)部大氣中各污染源總揮發(fā)性有機(jī)物（TVOCs）濃度最高。因此，大氣VOCs 污染治理也成為該地方政府環(huán)保事業(yè)推行的首要工作。

2 TiO2/ACF 復(fù)合光催化劑的合成

由上文可知，該地區(qū)某企業(yè)是VOCs 產(chǎn)出的主要源頭，其中VOCs 中以芳香烴為主。因此本次光催化降解主要以甲苯作為目標(biāo)化合物。

2.1 復(fù)合光催化劑的配制

本次光催化劑主要采用TiO2，為了提高催化效果，利用碳納米材料活性炭纖維（ACF）對(duì)其進(jìn)行改性處理，形成復(fù)合光催化劑，這不僅能夠提高光催化過(guò)程中催化劑的吸附能力，實(shí)現(xiàn)催化效率的提升，還能解決TiO2粉體分布雜亂的問(wèn)題[2]。復(fù)合光催化劑的合成步驟如下：

2.2 對(duì)ACF 進(jìn)行預(yù)處理

取規(guī)格為10 cm×10 cm，厚度1 mm 的AFC 置于超純水當(dāng)中，利用超聲波清洗裝置清洗10 min，去除其中纖維碎片。之后將其放置于干燥箱中，溫度設(shè)置為100 ℃，干燥時(shí)間3 h。后依次將其放置于0.5 mol/L的氫氧化鈉、0.5 mol/L 的稀鹽酸中，浸泡0.5 h，每次浸泡完成后均需要利用超純水進(jìn)行清洗，并利用鑷子將其中水分壓干。最后放置于超純水中，利用超聲波清洗裝置清洗20 min，后放入干燥箱當(dāng)中進(jìn)行干燥，干燥時(shí)間24 h，干燥溫度120 ℃。

2.3 配制TiO2 溶液

配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%～5%的TiO2溶液，溶液配制完成后需要進(jìn)行至少3 h 的攪拌和1 h 的超聲波振蕩，確保所配制的TiO2溶液穩(wěn)定。

2.4 配制磷酸鋁（AlPO4）溶膠

以水浴加熱的方式將磷酸溫度升至80 ℃，之后加入氫氧化鋁并不斷攪拌，直至形成AlPO4膠體形態(tài)，之后在其中加入超純水便可得到AlPO4溶膠。

2.5 配制TiO2/ACF 復(fù)合光催化劑

將第一步制備的ACF 進(jìn)行浸漬處理，將其放入AlPO4溶膠中勻速緩慢提拉，之后將其在120 ℃干燥機(jī)內(nèi)干燥20 min，之后再次按上述步驟根據(jù)要求進(jìn)行多次浸漬，在浸漬完成后在120 ℃干燥機(jī)內(nèi)干燥6 h，后取出在室溫環(huán)境下冷卻，便可得到TiO2/ACF 復(fù)合光催化劑。

3 TiO2/ACF 復(fù)合光催化劑VOCs 治理效果研究

3.1 光催化實(shí)驗(yàn)裝置

光催化反應(yīng)裝置包含4 個(gè)方面，分別為其他發(fā)生系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、光催化系統(tǒng)以及檢測(cè)系統(tǒng)。其中氣體發(fā)生系統(tǒng)主要為SPG-ATO1 甲苯發(fā)生器，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)甲苯濃度的控制；反應(yīng)系統(tǒng)包含有紫外線燈以及裝有TiO2/ACF 復(fù)合光催化劑的石英管；檢測(cè)系統(tǒng)為氣象色譜儀；溫度控制系統(tǒng)包含有氣路所纏繞的加熱帶，確保管內(nèi)溫度高于120 ℃以上，以此來(lái)避免甲苯冷凝造成測(cè)量結(jié)果誤差。

3.2 TiO2/ACF 復(fù)合光催化劑VOCs 治理效果分析

3.2.1 浸漬次數(shù)對(duì)TiO2/ACF 復(fù)合光催化劑性能的影響

在配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%TiO2時(shí)，在TiO2/ACF 復(fù)合光催化劑過(guò)程中分別浸漬1～5 次，浸漬時(shí)間控制為30 min，開(kāi)啟紫外線燈，進(jìn)行甲苯去除實(shí)驗(yàn)，具體結(jié)果如圖1 所示。

圖1 不同浸漬次數(shù)下TiO2/ACF 復(fù)合光催化劑甲苯去除效果

由圖1 可知，隨著浸漬次數(shù)的逐步增多，甲苯去除率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，其中浸漬3 次TiO2/ACF 復(fù)合光催化劑在甲苯去除過(guò)程中效果最佳。出現(xiàn)此種情況的主要原因在于在浸漬1～3 次時(shí)，隨著浸漬次數(shù)的增大，ACF 上的TiO2含量增大，這也使光催化效率有了進(jìn)一步的提升。直到浸漬4 次、5 次時(shí)，雖然ACF 上的TiO2含量還在持續(xù)增多，但TiO2出現(xiàn)了嚴(yán)重的團(tuán)聚現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致催化劑與甲苯接觸的表面積并沒(méi)有增大，并且由于TiO2含量過(guò)高，ACF上對(duì)甲苯的吸附位點(diǎn)也相對(duì)較少，進(jìn)而影響甲苯的去除效率，因此在浸漬4～5 次時(shí)，甲苯去除率越來(lái)越低。

3.2.2 浸漬時(shí)間對(duì)TiO2/ACF 復(fù)合光催化劑性能的影響

在配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%TiO2，浸漬次數(shù)為3 次的基礎(chǔ)上，將浸漬時(shí)間作為研究變量，分別為10、20、30、40、50 min，分析TiO2/ACF 復(fù)合光催化劑VOCs 治理效果，具體結(jié)果如圖2 所示。

圖2 不同浸漬時(shí)間下TiO2/ACF 復(fù)合光催化劑甲苯去除效果

由圖2 可知，隨著浸漬時(shí)間的增長(zhǎng)，TiO2/ACF 復(fù)合光催化劑在甲苯去除方面的效果先增后減，在浸漬20、30 min 時(shí)，TiO2/ACF 復(fù)合光催化劑具有良好的催化效果。出現(xiàn)此種情況的原因與上述浸漬次數(shù)對(duì)TiO2/ACF 復(fù)合光催化劑性能影響原理相同，隨著浸漬時(shí)間的增加，光催化反應(yīng)活性中心數(shù)數(shù)量越少，進(jìn)而導(dǎo)致光催化性能降低。

3.2.3 TiO2濃度對(duì)TiO2/ACF 復(fù)合光催化劑性能的影響

在TiO2/ACF 置備過(guò)程中，ACF 上的孔隙會(huì)被TiO2占據(jù)，進(jìn)而對(duì)其催化效能產(chǎn)生影響，因此通過(guò)不同濃度的TiO2溶液進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，結(jié)果如圖3 所示。

圖3 不同TiO2 濃度下TiO2/ACF 復(fù)合光催化劑甲苯去除效果

由圖3 可知，在180 min 以?xún)?nèi)紫外線燈未開(kāi)啟狀態(tài)下，經(jīng)過(guò)1%、2%TiO2[1%、2%均為w（TiO2）的值]配制的TiO2/ACF 復(fù)合光催化劑甲苯去除效果較高，但從整體來(lái)看1%～5%溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)下甲苯去除率相差較小，并且此段時(shí)間內(nèi)處理效果均達(dá)到了70%以上。在180 min 開(kāi)啟紫外線燈后，在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的TiO2溶液中配制TiO2/ACF 復(fù)合光催化劑在去除甲苯過(guò)程中效率明顯最高。

4 VOCs 實(shí)踐去除效果分析

4.1 試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

本次測(cè)驗(yàn)主要是為了驗(yàn)證TiO2/ACF 復(fù)合光催化劑在大氣VOCs 方面的去除效果，由于該區(qū)域VOCs的產(chǎn)生主要源頭為某企業(yè)區(qū)域，因此整個(gè)裝置設(shè)置在該企業(yè)區(qū)域內(nèi)部。

試驗(yàn)裝置為圓筒形，氣體由下向上，整個(gè)裝置下部設(shè)置有兩層過(guò)濾網(wǎng)，第一層主要為過(guò)濾棉，第二層為玻璃纖維，以此來(lái)過(guò)濾大氣內(nèi)部較大的灰塵顆粒。TiO2/ACF 復(fù)合光催化劑用鐵絲固定在第二層過(guò)濾網(wǎng)上部，固定方式為螺旋式結(jié)構(gòu)，螺旋內(nèi)部設(shè)置有一根波長(zhǎng)為180～365 nm 的紫外線燈管，以此來(lái)增大VOCs與TiO2/ACF 復(fù)合光催化劑的反應(yīng)時(shí)間。在TiO2/ACF復(fù)合光催化劑螺旋片上部安裝風(fēng)機(jī)，作為空氣流動(dòng)凈化動(dòng)力。整個(gè)裝置設(shè)計(jì)處理氣量為800 m3/h，氣體流速為0.2 m/s。試驗(yàn)選用在質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%TiO2溶液中浸漬3 次，浸漬時(shí)長(zhǎng)20min 的TiO2/ACF 復(fù)合光催化劑。

4.2 試驗(yàn)初始條件

在裝置設(shè)置完成后，采集裝置進(jìn)風(fēng)口大氣，對(duì)其中的成分進(jìn)行測(cè)定，具體VOCs 中各成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：苯32.15×10-9、甲苯40.73×10-9、二甲苯58.29×10-9、乙苯29.64×10-9、苯乙烯23.13×10-9、1，3，5-三甲基苯40.11×10-9、1，2，4-三甲基苯35.72×10-9、1，2，3-三甲基苯30.96×10-9、TVOCs2 461.37×10-9。

去除率計(jì)算公式為式（1）：

式中：η 代表VOCs 的治理效率；w0代表初始VOCs 質(zhì)量分?jǐn)?shù)；Ct代表在t 時(shí)VOCs 質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

打開(kāi)風(fēng)機(jī)，待裝置穩(wěn)定運(yùn)行后計(jì)時(shí)，并在10、20、30、40、50、60 min 時(shí)取裝置出氣口氣體樣本，檢測(cè)其中VOCs 中各成分含量，以此為基礎(chǔ)計(jì)算VOCs 中各成分去除率，具體結(jié)果如圖4 所示。

圖4 TiO2/ACF 復(fù)合光催化劑對(duì)VOCs 治理效率

由圖4 可知，隨著處理時(shí)間的不斷延長(zhǎng)，出氣樣本中VOCs 各成分含量逐步降低，其中在處理60 min后，甲苯去除率最大為57.93%，1，2，4-三甲基苯去除率最低為50.35%，由此可見(jiàn)TiO2/ACF 復(fù)合光催化劑具有良好的VOCs 治理效果。

5 結(jié)語(yǔ)

1）對(duì)某地大氣VOCs 污染情況進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其中VOCs 成本主要以芳香烴為主。

2）利用浸漬法配制TiO2/ACF 復(fù)合光催化劑，配制過(guò)程中將TiO2溶液濃度、浸漬次數(shù)、浸漬時(shí)間作為變量，其中溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制為1%～5%，濃度變化梯度為1%，浸漬次數(shù)1～5 次，浸漬時(shí)間為10～50 min，時(shí)間梯度為10 min。

3）利用控制變量法分析TiO2/ACF 復(fù)合光催化劑對(duì)甲苯的去除效果，其中發(fā)現(xiàn)在TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%TiO2溶液中浸漬3 次，浸漬時(shí)長(zhǎng)20 min 時(shí)去除甲苯效果最佳。

4）對(duì)某地區(qū)區(qū)域大氣VOCs 進(jìn)行治理，試驗(yàn)結(jié)果表明，TiO2/ACF 復(fù)合光催化劑具有良好的大氣VOCs治理效果，其中VOCs 各組分去除率均在50%以上。