环境保护前沿  >> Vol. 10 No. 1 (February 2020)

多孔泡沫陶瓷催化材料降解臭氧实验研究
Study on Ozone Degradation Experiment of Porous Foam Ceramic Catalytic Materials

DOI: 10.12677/AEP.2020.101004, PDF, HTML, XML, 下载: 184  浏览: 1,051 

作者: 沈 姝, 李菁元, 王计广:中汽研汽车检验中心(天津)有限公司,天津;中国汽车技术研究中心有限公司,天津;田小兵:武汉理工大学资源与环境工程学院,湖北 武汉;易忠芹, 王 宇, 王秀艳, 金陶胜:南开大学环境科学与工程学院,天津

关键词: 臭氧多孔泡沫陶瓷催化降解净化Ozone Porous Foam Ceramics Catalysis Degradation Purification

摘要: 本研究以多孔泡沫陶瓷催化材料为研究对象,将经催化剂改性的多孔泡沫陶瓷板置入空气净化设备中,在30 m3环境试验舱中测试了该材料对臭氧的净化效果。实验结果显示,专用于降解臭氧的多孔泡沫陶瓷催化材料在空气净化设备中有较好的净化效果。30立方舱密闭环境内,空气净化设备工作2小时,将臭氧的浓度由0.731 ppm降解到0.02 ppm,催化降解效率为96.90%。对自然衰减和催化氧化实验数据进行线性拟合计算后,可得洁净空气量CADR = 0.8580 m3/min。
Abstract: In this study, catalyst was sprayed on the porous foam ceramic and plated into the air purification equipment. A 30 m3 environmental test chamber was used to test purifying effect of ozone. The experimental results show that the porous foam ceramic catalytic materials have good purification effect on ozone degradation in air purification equipment. In the 30 m3 environmental test chamber, the concentration of ozone was degraded from 0.731 ppm to 0.02 ppm with a 96.90% catalytic degradation efficiency when air purification equipment was working in 2-hour duration. The CADR (clean air delivery rate) is 0.8580 m3/min, which was computed by the linear fitting calculation of natural attenuation and catalytic oxidation experiment data.

文章引用: 沈姝, 田小兵, 李菁元, 易忠芹, 王计广, 王宇, 王秀艳, 金陶胜. 多孔泡沫陶瓷催化材料降解臭氧实验研究[J]. 环境保护前沿, 2020, 10(1): 32-38. https://doi.org/10.12677/AEP.2020.101004

1. 引言

随着社会和经济发展以及人民生活水平的提高,室内臭氧污染越来越严重,长期暴露于臭氧中会引起呼吸疾病,损伤肺功能,加剧哮喘,刺激眼鼻,削弱人体对感冒等疾病的抵抗能力,加快肺组织老化 [1] [2] [3] [4],因此对污染气体臭氧的去除进行研究具有重要意义。

存在于大气平流层中的臭氧是有益的物质,但在近地面上,臭氧的强氧化性却是对人体和环境都是有害的 [5]。可引起机体的生理变化的敏感症状和其他机体症状指标变化的臭氧作用阈值浓度大约是0.10~0.14 mg/m3,当室内环境臭氧浓度超过0.2 mg/m3时,人体健康就会受到危害。暴露于臭氧中,可引起机体的呼吸道、机体生化代谢及肺功能的变化,并对肺脏的防御体系和机体的免疫功能造成危害后果 [6]。臭氧可以将甲苯氧化成苯甲醇,苯甲醇易于继续被氧化成苯甲酸或者苯甲醛 [7],会产生更严重的二次污染物。

Bell [8] 等人在美国95个城市社区臭氧短期暴露于人群死亡风险关系研究中采用了多种浓度度量方式,结果显示日浓度每增加5.1 µg/m3 (10 ppb)、每日8 h浓度每增加7.65 µg/m3 (15 ppb)和每日1 h浓度每增加10.2 µg/m3 (20 ppb),人群死亡风险分别增加0.52% (95%CL:0.27%~0.77%)、0.64% (95%CL:0.41%~0.86%)、0.67% (95%CL: 0.42%~0.92%)。

臭氧净化技术 [9] - [14] 目前主要的分解方法热分解法、电磁波辐射分解法、药液吸收法、活性炭法、催化分解法大多数均停留于实验室研究阶段,投入市场生产应用还存在一定的困难。因此,还需进一步研发更为高效、实用、经济的净化技术来解决室内臭氧污染问题。

多孔陶瓷由于具有透过性高、比表面积大、低密度、低热传导率以及耐高温、耐腐蚀等优点而被应用于汽车尾气处理。工业污水处理,熔融金属过滤,催化剂载体,隔热隔音材料等;近年来,多孔陶瓷的应用领域又扩展到航空领域、电子领域、医用材料领域及生物化学领域等 [15]。其在臭氧净化方面也有一定的应用。

2. 实验部分

2.1. 实验系统与设备

2.1.1. 实验系统

实验系统——30 m3实验舱。环境舱的容积为30 m3,尺寸为3.5 m × 3.4 m × 2.5 m,均匀度不小于80%,相交的二平面处采用不小于100 mm的圆弧过渡,内壁采用化学惰性的,无吸附的不锈钢材料,双采样管设置,设有双回样管,采样管和回样管均为不锈钢管,采样点位于实验舱中心,回样点在距离舱内壁不大于0.5 m处。其结构如图1所示。

Figure 1. Inner structure of 30 m3 environmental test chamber

图1. 30 m3环境实验舱示意图

2.1.2. 实验设备

1) 臭氧发生器(OA-Y)

臭氧产量为7 g/h,臭氧浓度为15~30 mg/m3,臭氧气源为空气源,设备电源(220 V-50 Hz),设备功率为130 W,工作定时由欧姆龙DHC48S-S循环型继电器控制,工作时长约10~60分钟,青岛艺博净化设备有限公司生产。

操作方法:将臭氧发生器放置在平稳、散热良好的位置,与环境舱进气孔连接;将臭氧发生器电源线与220 V交流电连接;开启控制面板上的黑色开关。

设备中的空气压缩泵和臭氧发生单元及散热风扇开始工作运转,臭氧出气孔会有臭氧气体吹出。

2) 臭氧气体检测仪

GT901臭氧分析仪为深圳市科尔诺电子科技有限公司生产。

3) 空气净化设备

本研究使用额定风量160 m3/h的空气净化设备来测定30 m3舱内泡沫陶瓷催化材料对臭氧的净化效果。实验条件为室温和当地大气压。

2.2. 催化剂的表征方法

本研究采用扫描电子显微镜技术(SEM)探测催化剂的形貌和颗粒度大小。

电子显微镜:

a) 型号:JSM-7500F(日本电子株式会社(JEOL)生产);

b) 分辨率:3.0 nm@1 kV,1.2 nm@30 kV;

c) 加速电压:0.1~30 kV连续可调;

d) 溅射电流:10,20,30,40 mA;

e) 溅射:铂金。

2.3. 催化剂的评价方法

净化效果评价指标主要可分为两类:一类是对空气净化产品自身性能的评价,如一次通过效率(single-pass efficiency)、洁净空气量(clean air delivery rate, CADR) [16] [17] [18] [19] 和有害副产物产生量等性能;另一类是对净化产品在实验舱中对于污染物的去除效果的评价,如24小时的污染物去除率等。

洁净空气量是表示空气净化器所能提供不含某一特定污染物的空气量(m3/h),它实际上是对污染物浓度的稀释效果,将其定义为净化器一次通过效率与通过净化器的空气流量的乘积,如下(公式1)所示:

C A D R = G ε (1)

其中G表示空气净化器的风量,m3/h。

关于一次通过效率和CADR的测量,现有标准或规范主要采取环境舱检测法 [16] [18] [20],通过获得污染物在环境舱中的衰减曲线来求解一次通过效率,进而得到CADR。具体计算方法如下(公式2,3):

C t = C 0 e k t (2)

ε = V C ( K e K n ) (3)

其中,t表示时间,Ct表示在时间t时的污染物浓度,C0表示在初始时刻的浓度,V表示环境舱体积,G表示净化器体积风量,k表示衰减常数,下标n表示没有净化器时的自然衰减,e则表示有净化器时的总衰减。

3. 实验结果及分析

3.1. 催化剂的表征

为探测专用于降解臭氧的催化的形貌和颗粒度,对其进行电子显微镜图扫描(SEM),如图2

图2(a)扫描电镜图(104倍)、图b扫描电镜图(2 × 104倍),可以看出该催化剂大体呈球状结构;图2(c)和图2(d)是扫描电镜图(5 × 104倍),可以看出该催化剂是由小球体结构结合而成的,粒径大小不一。图2(e)扫描电镜图(105倍),图2(f)是扫描电镜图(1.5 × 105倍),可以看出球体结构由杆状堆叠而成。

3.2. 30 m3实验舱内的实验结果与分析

多功能复合催化剂改性多孔泡沫陶瓷可降解甲醛、臭氧、苯等空气污染物,将其与专用于降解臭氧催化剂改性多孔泡沫陶瓷,利用空气净化设备,在相同标况下,进行除臭氧对比测试实验。图3为其在30立方舱中120分钟内两者的净化效率变化情况。

图3中可以看出,在120分钟内,使用多功能催化剂时,空气净化设备将臭氧的浓度由0.753 ppm降解到0.09 ppm,催化降解效率为88.30%;使用降解臭氧的陶瓷催化剂时,空气净化设备将臭氧的浓度由0.731 ppm降解到0.02 ppm,催化降解效率为96.90%。专用于降解臭氧的多孔泡沫陶瓷催化剂净化效果比多功能型催化剂更为显著。

Figure 2. The SEM Characterization (a, b, c, d, e, f) of catalyst (dedicated to degrade ozone)

图2. 催化剂(专用于降解臭氧) SEM表征(a, b, c, d, e, f)

Figure 3. The comparison of purification effect between multifunctional catalyst and dedicated ozone degradation catalysts modified porous foam ceramic catalyst

图3. 多功能催化剂与专用降解臭氧催化剂分别改性的多孔泡沫陶瓷催化剂的净化效果比较

3.3. 30 m3实验舱内多孔泡沫陶瓷板的性能评价

催化剂反应净化效果的评价方法采用洁净空气量法(CADR),表1是某空气净化设备的实验数据说明洁净空气量法的具体应用。

Table 1. County level planning schedule

表1. 县域等级规划一览表

对自然衰减和催化氧化实验数据进行线性拟合,即可得到:Ke = 0.0288,Kn = 0.0002,计算可得洁净空气量CADR = 0.8580 m3/min。

4. 结论

本文在30 m3的环境实验舱内进行了催化降解臭氧的实验。主要结果如下:

文章主要分析了专用于降解臭氧的多孔泡沫陶瓷催化材料对于臭氧的降解效果,实验结果显示专用于降解臭氧的多孔泡沫陶瓷板在该空气净化设备中有较好的净化效果,60 min净化效率达到了80%。

同时对比了专用于降解臭氧催化剂改性的多孔泡沫陶瓷板与多功能型催化剂改性的多孔泡沫陶瓷板在2 h内对臭氧的净化效果,结果表明专用于降解臭氧的多孔泡沫陶瓷催化剂净化效果比多功能型催化剂更为显著。

采用洁净空气量法对实验数据进行处理,评价催化材料去除臭氧污染物的能力,经计算得到洁净空气量CADR为0.8580 m3/min。

负载催化材料的多孔泡沫陶瓷板用于空气净化设备中具有良好的性能,在室内空气污染日益严重的情况下,多孔泡沫陶瓷催化材料必将会在空气净化领域发挥较为重要的作用。

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