摘要：以TVOC及甲醛为测试对象对光催化型过滤器分解VOCs的性能进行了实验测试。结果显示：光催化型空调过滤器能有效分解VOCs，能在较短的时间内(12 h)使室内VOCs的浓度达到GB／T—l8883—2002的要求；其平均反应速率及分解效率随着过滤器层数的增加而增加，并且其分解效率随面风速的增加而略有降低(当面风速从0．42 m／s增加至0．8 m／s时，在第3小时，分解效率下降了约5％)；对于室内VOCs浓度较低的民用建筑，光催化分解过程中的反应速率与反应浓度成正比。
关键词：总挥发性有机化合物甲醛光催化分解过滤器
0 前言
日常生活中，绝大多数人80％以上的时间都是在居室和公共场所的室内度过的，因此，室内空气品质(IAQ)与人体健康密切相关。随着新型建筑装饰材料和日用化学品的大量使用，使得许多化学物质不断释放到室内，由此导致IAQ下降已成为全世界瞩目的室内环境问题，引起各有关学科领域的广泛重视和关注。其中低浓度、高毒性的挥发性有机化合物(Volatileorganic compounds，简称VOCs)在室内空气中的污染影响日趋普遍，造成所谓的“病态建筑综合症(SBS)”，对人们的身体健康构成了严重的威胁。
常用的清除室内VOCs的手段主要有通风、吸附剂(如活性炭)吸附及催化氧化等，但这些方法都会造成二次污染⋯。相比之下，纳米光催化技术能将污染物氧化为无害物，而且直接利用空气中的O 作为氧化剂，反应在常温、常压下进行，反应条件温和，特别是纳米TiO 性质稳定、无毒、催化活性高、价廉等一系列优点在环境净化方面展示了十分广泛的应用前景，是治理环境中恒量污染物的最佳选择。
本文将空调过滤器浸渍光催化试剂构成光催化型空调过滤器，并对其分解室内空气中的VOCs的性能进行实验测试和综合评价。
1 TiO 光触媒催化分解VOCs的作用原理
自1972年Fujishma等[41发现锐钛纳米TiO2微粒在紫外光照射下能分解水以来，有关TiO 等半导体光催化剂的研究成为30多年来环境科学领域的热点。半导体光催化作用的本质是在光电转换中进行氧化还原反应。由于存在尺寸效应，半导体纳米超细微粒产生了一些与块体半导体不同的物理化学性质，因而可以显著的提高光催化效率。主要表现在超细微粒的尺寸量子效应会导致其吸收光谱的吸收带边蓝移和半导体催化剂光催化活性的提高。纳米材料粒径通常小于空间电荷层的厚度，使电子从内部扩散到表面的时间减少，提高了光致电荷分离的效率。纳米材料尺寸很小，处于表面的原子很多，比表面积很大，增强了半导体光催化吸附有机污染物的能力。
在半导体光催化材料中，TiO 的综合性能最好。光催化剂TiO 在波长小于385 nm的紫外光照射下，能够激发产生光生电子．空穴对，激发态的导带电子和价带空穴带会在光催化剂表面发生氧化还原反应：
2 光催化型空调过滤器分解VOCs实验
2．1光催化型空调过滤器的结构
纳米颗粒粒径是决定光催化活性的重要因素，将粒径在2 nm～5 nln以下的TiO 颗粒均匀分散在含强效无机粘接剂的溶液中制成TiO 悬浊液，其中TiO!颗粒含量为3．5％。将空调过滤网浸渍于TiO：悬浊液，样品自然晾干24 h制成光催化型空调过滤器单元。图l是光催化型空调过滤器的结构示意图，过滤器尺寸为400 mm(L)x300 mm(H)，紫外灯及过滤器单元可以根据需要进行组合。将过滤器安装于测试系统上，用波长为380 nln的紫外光灯持续照射过滤器，以达到激活光催化剂的目的；测试时将多块过滤器单元串联安装，以测试其去除VOCs的效果。
2．2实验装置
测试室为聚氨酯保温钢板装配成的密闭小室，小室门用密封胶条密封，其在测试条件下的漏风量接近于0。测试室规格为：3 mx3 mx3 m(27 m )。测试系统如图2所示。
2．3实验仪器
甲醛浓度测试采用美国某公司生产的4160型甲醛分析仪，最小读数为10 ppb，精度±30 ppb；TVOC浓度测试采用美国某公司生产的PGM．7240型手持式分
析仪，测试精度为±20 ppb，使用时先对TVOC分析仪进行清洁空气校正及标准气体校正。
由于本实验采用的甲醛分析仪及TVOC浓度测试仪所测数值均为体积浓度，因此，采用(1)式将体积浓度转换为质量浓度。
其中，C为转换后的质量浓度，mg／m ；Co为转换前的体积浓度，ppm；M为分子量，对于甲醛，分子量为30；对于TVOC浓度测试仪为仪器所采用的校正气体(异丁烯)的分子量，为56；P为测试点的大气压，kPa；T为测试点的温度，K。GB／T．1 8883．2002 E 】规定的TVOC浓度标准为0．6m m ；甲醛浓度标准为0．1 m m 。
2．4实验步骤
①按图2所示安装测试系统，进行空白试验(所使用的过滤器为普通过滤器)；
② 向测试室释放一定浓度的VOCs(VOCs源为普通市售木制家具用油漆)，将TVOC测试仪放在固定测试点(点的位置选在过滤器进风侧中央位置)，开启系统风机及测试仪器；
③测试完成以后，打开测试室门，进行完全通风换气，向测试室释放一定浓度的甲醛(甲醛源为化学纯试剂)，开启测试系统风机，使用甲醛分析仪测试室内甲醛初始浓度；
④将空调过滤器更换为光催化型空调过滤器，重复2、3步测试过程，测试时，光催化型空调过滤器分别按单层、双层及三层进行组合，系统风量可调。
3 实验结果和讨论
3．1光催化型空调过滤器分解VOCs性能
当系统未加装光催化型空调过滤器时室内TVOC及甲醛浓度24 h下降5％，这可能是由于空调过滤器、测试室壁面对有机化合物的吸附作用造成的。因此，可以认为当系统安装光催化型空调过滤器时所测得的浓度是由于TiO：光催化分解造成的。
3．1．1分解TVOC的性能
图3是测试室内TVOC浓度变化值，测试时通风量为162 m ／h(过滤器面风速0．38 m／s)，相当于密闭小室换气次数6次／h。从图中可以看出，三种过滤器均能得到较好催化分解效果，在各自的初始浓度下，单层过滤器达到GB／T．18883．2002规定的允许浓度需12 h，双层过滤器需9．5 h，i层过滤器则仅需5．5 h：通过对三种过滤器TVOC催化分解平均反应速率(即斜率)比较可以看出，当过滤器的层数增加时，其平均反应速率显著增加，这是由于过滤器串联运行，其负载的TiO：较多，所以具有较高的光催化活性引起的。从图4的过滤器的分解效率图中也可以看出，随着过滤器层数的增加，分解效率增加。
3．1．2分解甲醛性能
甲醛是挥发性有机化合物中比较特殊的化合物，由于甲醛等反应活性比较强，世界卫生组织及美国环保局都将其列为潜在的致癌物和重要的环境污染物：现代家庭用品如清洁剂、化妆品、装饰材料等都可能释放出甲醛，导致室内空气污染。图5是测试室甲醛浓度变化值，可以看出，三种过滤器均能得到较好催化分解效果。三种过滤器甲醛降解的平均反应速率变化趋势与TVOC基本一致，当过滤器的层数增加时，其平均反应速率会增加。图6是光催化过滤器对甲醛的分解效率图，从图中可以看出，随着过滤器层数的增加，分解效率也增加。
3．2空调过滤器面风速对分解性能的影响
图7反映了过滤器面风速对TVOC分解性能的影响，从图中可以看出，随着面风速的增加，分解效率略有降低，当面风速从0．42 m／s上升0．8 m／s时，在第3小时，分解效率下降了约5％。这可能是由于其分解性能与污染物在TiO 表面上的吸附能力相关，当面风速增加时，污染物的质穿透能力增强，导致污染物在TiO 表面上的吸附能力下降，从而使其分解能力降低。
3．3反应物浓度对分解性能的影响
TiO 光催化分解反应速率可用L—H动力学方程来描述：
其中，r为反应速度；C为反应物浓度；K为表观吸附平衡常数；fc为发生于光催化剂表面活性位置的表面反应速率常数。
在低浓度时KC=I时，r=KKC=ICC，即反应速率与反应浓度成正比，初始浓度越高，降解速率越大；在某一高浓度范围内，反应速率与该反应浓度无关；在中等浓度时，反应速率与反应物之间存在着复杂的关系，光降解动力学主要取决于半导体被光照产生空穴的难易程度及污染物在TiO 表面上的吸附。对于民用建筑，其室内VOCs浓度一般均较低，因此其光催化分解过程中的反应速率与反应浓度成正比。
4 结论
将空调过滤器浸渍纳米TiO：光催化试剂构成光催化型空调过滤器，通过实验测试其分解TVOC和甲醛性能，结果显示：光催化型空调过滤器对VOCs有很好的分解效果，能在较短时间内达到GB／T一18883—2002对室内VOCs浓度的要求；平均反应速率及分解效率随着过滤器层数的增加而增加；随着过滤器面风速的增加，分解效率略有降低，当面风速从0．42 m／s上升0．8 m／s时，在第3小时，分解效率下降了约5％；对于室内VOCs浓度较低的民用建筑，光催化分解过程中的反应速率与反应浓度成正比。
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