TiO2光催化氧化技术原理与高效除恶臭

1.纳米光催化技术原理

上述四种处理方法都存在处理设备投资大，运行成本高的问题。纳米氧化钛光催化技术（简称纳米光催化技术）应用于涂装生产中可降解有机废气，具有降解快速、节能环保、无附加产物的优点，可以满足相关国家标准。

紫外线在电磁波谱中波长为0.01～0.40μm，其能量与波长直接有关，波长越短，能量越大。紫外光灯会发射出不同波长的紫外线，若要使废气中的VOC借紫外光直接通过自由基链锁反应降解，则VOC也必须能吸收这类波长的紫外线，即紫外光灯的最大发射要与VOC的最大吸收相一致。这种借紫外光进行降解的反应称为光氧化或光解。光解作用不是净化VOC污染的唯一效应。紫外光发射的强度越大，则空气中的氧越容易分解为臭氧，产生的臭氧也易分解为自由基，从而加剧光解过程。此外，空气中的水分在紫外光作用下也可分解为OH-，同样也参与VOC的氧化。因此，在紫外光的作用下，通过上述几种效应的叠加可以产生大量的活性自由基，从而高效地降解VOC。如果后续有催化反应，即光催化氧化，则VOC的净化效果更佳。

光催化氧化法是借催化剂具有光催化的性能，将吸附在催化剂表面上的VOC氧化为CO₂和H₂O。通常用于一些比较容易氧化的有机化合物。如前所述，在紫外光的照射下不断产生大量的活性自由基，使大部分VOC降解；而光催化剂可加速化学反应，有助于有机物的降解；紫外光同时还有消毒、杀菌的作用。经典的光催化剂都是半导体，其中最有效的光催化剂是TiO₂，还有ZnO、SnO₂、Fe₂ O₃、CdS、ZnS、WO₃、PbS等。由于TiO₂对紫外光线有很高的吸收率，还具有较高的催化活性和化学稳定性，以及无毒而价廉等优点，所以应用最广。

光催化氧化法的反应机理如下：根据半导体的电子结构理论，光催化性能取决于晶粒内的能带结构，能带结构由一个充满电子的低能价带和一个空的高能导带所构成，两者由禁带分开，其能差即为带隙能。在光照射半导体光催化剂的情况下，当吸收一个能量大于或等于其带隙能的光子时，电子会从充满的价带跃迁到空的导带，而在价带留下带正电的空穴。光致空穴具有很强的氧化性，并能夺取吸附在催化剂颗粒表面的有机物中的电子，使本来不吸收光而无法被光子直接氧化的物质，经光催化而被活化、氧化。TiO₂经光激发后产生高活性光生空穴和光生电子，并经一系列反应后生成大量高活性的自由基，因而TiO₂表面的羟基化是光催化氧化VOC的必要条件。此外，VOC光催化降解的速率主要取决于催化剂吸附VOC的性能和光催化反应速率，因此寻求对VOC具有高的吸附效率和较快降解速率的光催化剂是极为重要的。

通常紫外光发射器分低压和高压两类。前者产生离散的紫外线，波长在185～254nm，这种灯主要用于消毒，一般功率为10～400W；后者产生拟连续发射光谱，功率为1000～32000W。

2l世纪初在日本，应用光氧化和催化氧化技术的组合（例如与活性炭吸附相结合）已开发了相应的产品，并成功获得应用。例如，2003年用于德国Krauss公司的工厂溶剂排放处理，室外机的处理量达30000m³/h；而2004年同样也是用于德国SRI Radio System的空调脱臭，室内机两个系统处理量分别为40000m³/h和50000m³/h。德国IBL Umwelt und Bio-technik GmbH公司开发的紫外线反应器已用于：①喷漆车间的废气处理，废气处理量为55000Nm³/h，废气中VOC的成分主要是丁酮、苯和甲苯，总有机碳浓度为150mg/Nm³；②橡胶生产过程的排放气，废气处理量为12000Nm³/h，废气中VOC的成分主要是丁酮、苯和甲苯，总有机碳浓度为750mg/Nm³；③处理含氯苯的废气，废气处理量为2000Nm³/h，总有机碳浓度为225mg/Nm³。

2.技术特性

（1）UV功能 波长越短的紫外线其光子能量越强，如波长为184.9nm的紫外线，其光子能量为647kJ/mol；波长为253.7nm的紫外线，其光子能量为472kJ/mol；波长为365nm的紫外线，其光子能量328kJ/mol。这些波长的紫外线它们能量级都比大多数废气物质的分子结合能强，所以可将污染物分子键裂解为呈游离状态的离子，且波长在200nm以下的短波长紫外线能分解O₂分子，生成的O∗与O₂结合可生成臭氧O₃。呈游离状态的污染物离子极易与O₃产生氧化反应，生成简单、低害或无害的物质，如CO₂、H₂ O等，以达到净化废气的目的。部分化学分子的结合能见表6-22。

表6-22 部分化学分子的结合能

用UV光解方式获得的臭氧，因获得复合离子光子的能量后，能极为迅速地分解，分解后产生氧化性更强的自由基·O、·OH等。·O、·OH等自由基与恶臭气体发生一系列协同、联锁反应，恶臭气体最终被氧化降解为低分子物质、水和二氧化碳，达到最终的除臭目的。恶臭气体去除率的高低与紫外线能量、臭氧产生量及废气浓度有关，并受到恶臭气体的成分及杂质等因子的影响。

（2）综合特性

1）应用紫外线光解技术处理废气物质，其化学反应过程是极其复杂的，可通过分子结构相对简单的气体（以H₂S为例）的分解反应模型来初步了解，如图6-25所示。

图6-25 分解反应模型(www.xing528.com)

由图6-33中的反应模型可见，高能紫外线光能将恶臭化学物质，拆解为独立的原子，再通过分解空气中的氧气，产生性质活跃的正负氧离子，继而产生臭氧，同时将拆解为独立原子的化学物质通过臭氧的氧化反应，重新组合成低分子的化合物，如水，二氧化碳等。这是一个协同、联锁复杂的反应过程，在很短的时间内（2～3s）就可完成。

2）在研究过程中，我们进一步发现，当恶臭气体的相对分子质量越大时，UV光解氧化效果就越明显。

3）在特种能量当级的紫外线作用下，大多数化学物质都能得到高效分解。

4）表6-23列出部分适用于UV光解氧化法的恶臭物质的相对分子质量。表6-24列出了常见的废气化学性质及其主要化学键键能。

表6-23 恶臭物质的相对分子质量

表6-24 常见的废气化学性质及其主要化学键键能

（续）

（3）技术特征

1）高效除恶臭。能高效去除挥发性有机物（VOC）、无机物、硫化氢、氨气、硫醇类等主要污染物，以及各种恶臭气味，脱臭净化效率最高可达99%以上，脱臭效果大大超过我国1993年颁布的《恶臭污染物排放标准》（GB/T 14554—1993）。

2）无需添加任何物质。UV光解净化设备运行过程中，无需添加任何物质参与化学反应，只需要设置相应的排风管道和排风动力，使恶臭气体通过本设备后，即可完成彻底的脱臭净化处理。

3）净化设备适应性强。可适应高浓度、大气量、不同恶臭气体物质的脱臭净化处理，可每天24h连续工作，运行稳定可靠。