风道式光催化反应器降解VOCs的效果分析

第11卷　第7期环境工程学报Vol.11,No.72017年7月ChineseJournalofEnvironmentalEngineeringJuly2017基金项目:国家自然科学基金资助项目(51478058);重庆市应用开发计划项目(cstc2013yykfC00002);重庆市建设科技计划项目(城科字2013第1-5-2)收稿日期:2016-05-22;录用日期:2016-08-17第一作者:段波(1990—),男,硕士研究生,研究方向:室内空气品质。E-mail:[e-mail]∗通信作者,E-mail:[e-mail]风道式光催化反应器降解VOCs的效果分析段波,郑洁∗,宋雪瑞,黄锋重庆大学三峡库区生态环境教育部重点实验室,重庆,400045摘　要　针对室内挥发性有机化合物(VOCs),搭建了带风道式反应器的模拟环境舱实验系统,选取甲醛、甲苯和苯为目标污染物,研究了光催化对各污染物的降解性能及其之间的相互影响。通过装置的优化,还对紫外光下目标VOC降解的主要副产物进行了检测。结果表明,单组分VOC的降解实验中,该净化器对3种污染物均具有良好的降解效果,其中对甲苯和苯的降解性能相似,对甲醛的降解性能更优。2组分VOCs降解实验中,目标组分会受到另一组分的不同程度影响;甲苯和苯无论是作为影响组分还是目标组分其实验结果均较接近;甲醛对甲苯、苯的降解影响明显大于两者的相互影响,即甲醛对两者的降解反应阻碍更大。甲苯的主要副产物为苯、苯甲醛和苯甲酸,苯的主要副产物为苯酚。关键词　光催化氧化;VOCs;室内空气品质;空气净化;空调系统中国分类号　O643　　文献标识码　A　　文章编号　1673-9108(2017)07-4162-07　　DOI:10.12030/j.cjee.201605183EffectanalysisonVOCsremovalinductphotocatalyticreactorDUANBo,ZHENGJie∗,SONGXuerui,HUANGFengKeyLaboratoryofThreeReservoirRegionEco-Environment,MinistryofEducation,ChongqingUniversity,Chongqing400045,ChinaAbstract　Inthisresearch,anexperimentalsystemwasdesignedfortheremovalofindoorVOCs.Thesystemwascomposedofaductphotocatalyticreactorandanenvironmentalchamber.Thetargetcontaminantsselectedfortheexperimentswereformaldehyde,toluene,andbenzene.TheexperimentalprocesswasoptimizedreasonablybyanalyzingthedegradationperformanceofeachVOCandthereciprocalinfluenceofotherVOCs.IntermediatesoftheVOCsweretestedatthesametime.TheexperimentalresultsforthethreekindsofVOCsrevealedthattheductphotocatalyticreactoreffectivelydegradedsingle-componentVOCs.Thedegradationperformanceoftolueneandbenzenewassimilarlyhigh,whiletheformaldehyderesultwasbetter.Thetargetcomponentcouldbeinflu-encedbytheothertwocomponentsduringVOCdegradation.Theimpactsoftolueneandbenzeneonformalde-hydeweresimilar,buttheinteractionsbetweentolueneandbenzeneweredifferentfromtheinfluenceformalde-hydehadonthem,duringwhichtheinhibitionofformaldehydewasmoresignificant.Benzaldehydeandbenzenewereprimaryintermediatesofthetoluenereaction,andphenolwasthemajorintermediateinbenzenedegrada-tion.Keywords　photocatalyticoxidation;VOCs;indoorairquality;airpurification;airconditioningsystem　　随着人民生活水平不断提高,国内正处于购房装修热潮。据统计,全国新建住房的装修率高达98%,二手房的装修率接近100%,使得会产生大量挥发性有机化合物(VOCs)的家具、装饰品、建筑材料和油漆和涂料等进入人们的居室及工作场所[1]。这些产品会持续不断地释放各种污染物,含甲醛、苯和甲苯等有害VOCs,极易降低室内空气品质(indoorairquality,IAQ)[2-3],对人体健康造成危害,甚至致癌[4],其治理刻不容缓。目前,室内VOCs的控制技术主要分为三类:源控制、通风换气和净化去除,其中新型的光催化氧化(photocatalyticoxidation,PCO)技术节能环保,催化活性高,降解无选择性,是去除室内VOCs的有效手段[5-7],该技术在空气净化领域具有很大的发展潜力,正愈加受关注。目前,PCO技术的开发涉及催化剂的改性,反应器的优化设计、与其他净化技术的联合运用等各个方第7期段波等:风道式光催化反应器降解VOCs的效果分析面[8-10],这些进一步的开发在一定程度上都可提高其降解性能及效果。但将PCO技术应用于供热、通风及空调系统(HVAC)仍受到各方面的制约和阻碍[11-13]。如何营造环境舱以实现对净化器实际运行环境的模拟,国内外鲜有报道;且一旦HVAC系统受到污染,污染物可通过风道迅速弥漫至整个室内环境,所以,对HVAC系统的净化亦很有必要[14]。本研究设计了一种能灵活内嵌于HVAC系统的风道式光催化反应器,并营造出一座构造简单,且能实现多种室内环境工况转变的模拟环境舱,通过实验分析出紫外光下该反应器中影响实验结果的显著因素、单组分VOC的降解性能、2组分VOCs之间的相互影响以及部分芳香族VOCs的光催化反应副产物,以期为光催化反应器的进一步实际应用提供科学支撑。1　实验部分1.1　实验装置设计1.1.1　风道式反应器设计传统的光催化空气净化器如圆筒折流式(见图1(a))、平板直流式(见图1(b)),大都是单体结构,都需单独置于室内,占据部分宝贵的室内空间,但随着居民物质要求的提高,室内空间不足的问题日益凸显,传统光催化空气净化器的应用受到制约。基于不占用室内空间,本实验设计了一种风道式光催化反应器[15],其壳体由镀锌钢板制成,可通过法兰内嵌于HVAC系统的送风管,免除了对室内空间占用;同时可利用HVAC系统提供的动力,不需额外装置提供动力,优势非常明显。图1　光催化反应器示意图Fig.1　SchematicofPCOreactor　如图1(c)所示,该反应器的尺寸为长(1000mm)×宽(800mm)×高(320mm),由多个筒体对接而成,每个筒体两端均设置有法兰。内部至少设置一组光催化结构单元,每组结构单元中有两张呈W形平行设置的光催化滤网,滤网上设置有蜂窝状的圆孔,滤网之间设置有W形肋片,气体从肋片三角形缺口流过,肋片中部安装有透明套管,紫外光源设在透明套管内,滤网、肋片以及壳体内表面均涂有光催化剂TiO2,壳体两端设置有防鼠网。1.1.2　环境舱设计如图2所示,模拟环境舱[16]的有效容积为2.27m3,包括模拟VOCs气体发生室和光催化降解室。气体发生室的底部设置有VOCs挥发液,侧壁处设有均流网,顶部有水蒸气进气口。在降解室末端还连接有尾气处理装置,依次由排气扇、集气罩、导气管和吸收池构成。降解室与气体发生室、尾气处理装置之间均为双层球面旋转门(一层固定在降解室上,另一层可绕转轴转动),旋转门上有若干通气孔均匀排列,可灵3614环境工程学报第11卷活实现降解室与其两侧连接装置的连通或隔断,操作性和密封性好,且布气均匀。图2　环境舱的结构示意图Fig.2　Structureoflaboratorycabin1.2　实验方法及仪器1.2.1实验仪器及步骤表1　主要测试仪器Table1　Instrumentinformationfortest测量参数仪器精度环境温湿度干湿球温度计0.2℃空气流速Testo480风速仪0.03m·s-1VOCs浓度GC-7900气相色谱仪与操作有关紫外光强UV-C紫外辐照计0.1μW·cm-2TiO2负载量FA214精密电子天平0.1mg　　实验用主要测试仪器如表1所示。实验时环境舱内的温度控制为(20.0±2)℃,相对湿度为(50±10)%。为确保测试结果的可靠性,实验流程被重复执行多次,每次实验均按以下步骤进行:1)调节环境舱内的水蒸气浓度,使相对湿度达到设定范围;2)开启送风机,通过调节恒温水浴温度和旋转门开启程度,使环境舱内的VOCs浓度升高至设定范围;3)关闭旋转门,使环境舱处于密闭状态,当舱内VOCs浓度稳定时,开启光催化反应器进行实验,并按一定的采样频率测定舱内VOCs浓度值;4)舱内VOCs浓度不断降低,当其再次稳定时,关闭反应器;5)将舱内剩余气体排入尾气处理装置进行处理。1.2.2操作说明1)本实验现场取样后立刻检测样本,相关结果计算未考虑空白值的影响,亦未进行如加标回收率等质量控制的计算分析。2)文中各VOCs的浓度及副产物种类的测试均利用气相色谱仪采用外标法进行检测。工作原理:首先将被检测样品注入色谱仪中,得出其波形图曲线;预测目标组分在降解过程中可能出现的副产物种类,将可能出现的副产物标准样注入色谱仪得到其标准曲线;对照被测样品曲线与各可能存在的副产物曲线的波峰位置即可确定该副产物的种类,再由波峰面积与浓度的正比关系,进一步可得各副产物的浓度值。1.3　实验方案设计本研究选用1.1节中的实验装置,反应器内的气体流量为15m3·h-1;催化剂厚度为1.5μm;紫外光源选择波长为254nm的杀菌灯,光强为3.26×103μW·cm-2。在此基础上,风道式反应器降解VOCs的工况设计如表2所示。其中,在2组分浓度搭配中保持目标组分与单组分实验时浓度相同,便于对比分析2组分和单组分的降解性能,并特意增大2组分之间的浓度差,充分放大高浓度VOC(影响组分)对低浓度VOC(目标组分)的影响,还可一定程度减弱低浓度VOC对高浓度VOC的影响,从而仅需主要考虑高浓度VOC对低浓度VOC的影响。4614第7期段波等:风道式光催化反应器降解VOCs的效果分析表2　实验工况设计Table2　Designofexperimentalcondition组分数目标组分(浓度)/(10-3mg·L-1)影响组分(浓度)/(10-3mg·L-1)1甲醛(0.24)—甲苯(0.552)—苯(0.546)—2甲醛(0.24)甲苯(0.552)苯(0.546)甲苯(5.52)苯(6.24)甲醛(2.4)苯(6.24)甲醛(2.4)甲苯(5.52)2　结果与讨论2.1　单组分VOC的光催化降解性能单组分VOC的浓度变化符合总衰减曲线:Ct=C0e-tke(1)式中:ke为总衰减常数;t为反应时间;C0、Ct分别为初始时刻和t时刻的VOCs浓度值。各组分VOC的浓度降解拟合曲线及方程如图3所示。反应速率r、转化率R和一次