1.光催化機理與催（cuī）化工藝

光催化降解VOCs屬於多相催化反應，是氣相反應物（VOC）與固相光催化劑的表麵進行接觸而發生在兩相界（jiè）麵上的一種反應。該過（guò）程一般（bān）可（kě）分（fèn）為以下（xià）六個步驟（zhòu）：

光催化降解VOCs反應步驟圖

文獻中涉及較（jiào）多（duō）的光催化反應器的結構形（xíng）式主要包括：平板型（xíng）、管狀、蜂窩型和光（guāng）纖反應器等。下圖列舉了三種常見的反應器形式。

三種常見光（guāng）催化反應器的結構示意圖

根據半導（dǎo）體的電子結構，當半導體（光催化劑）吸收（shōu）一個能量大於其（qí）帶隙能（Eg）的光子時，電子（e-）會從充滿的價帶躍遷到空的導帶，而在價帶留下帶正電的（de）空穴（h+）。價帶空穴具有強氧化性，而導帶電子具有強還原（yuán）性（xìng），它們可以直接與反（fǎn）應物作用，還可以與吸附在光催化劑上的其他（tā）電子給體和受體（tǐ）反應。納米光催化是利用TiO₂作為催化劑（jì）的光（guāng）催化過程，反應條件溫和，光解（jiě）迅（xùn）速，產物為CO₂和H₂O或其他的離子如 NO^3-、PO₄^3-、Cl^-等，而且（qiě）適用範圍廣（guǎng），包括烴、醇、醛、酮、氨等有機物，都能通過TiO₂光（guāng）催化清除（chú）。其機（jī）理（lǐ）主（zhǔ）要是光催化劑（jì）二氧化鈦吸收光子，與表麵的水反應（yīng）產生羥基自由基（•OH）和活性氧物質（•O，H₂O₂），其中羥基自由基（•OH）是光催化反應的一種主要的活性物質，對光催化氧化起決定作用。羥（qiǎng）基自由基具有120kJ/mol的反應能，高於有機物中（zhōng）的各類化學鍵能（néng），如：C-C（83kJ/mol），C-H（99 kJ/mol），C-N（73kJ/mol），C-O （84kJ/mol），H-O （111kJ/mol），N-H（93 kJ/mol），因而能迅速有效地分解揮（huī）發（fā）性（xìng）有機物和構成細菌（jun1）的有機物，再加上其它活性氧物質（•O，H₂O₂）的協同作用，其殺菌效果更為（wéi）迅速。

TiO₂的（de）帶隙能Eg=3.2eV，隻有波長小於380nm的紫外光才能激發（fā）TiO₂產生導帶（dài）電子和價帶空穴，導致VOCs的氧化分解。光催化劑 TiO₂反應效率（lǜ）很高，但顆粒微小而極易（yì）流失，因此將 TiO₂ 固定在（zài）活性（xìng）炭載體上解決其分離回收問題。

TiO₂光催（cuī）化降解VOCs反應機理圖

2.光催化劑

VOCs光催化降解的速率（lǜ）主要（yào）受吸附效（xiào）率和光催化反應速率的影響，具有較高吸附性能的VOCs不一定有較快的降解速率，因此選擇（zé）光催化劑至關重要。

目（mù）前，研究（jiū）中經常采用的紫外光催化劑大多（duō）為金屬氧化物或硫化物，如TiO₂、ZnO、ZrO₂、SnO₂、WO₃、CeO₂、Fe₂O₃、Al₂O₃、ZnS及CdS等（děng）。其中，TiO₂的（de）綜合性能最好，其光催化活性高、化學性質穩定（dìng）、氧化還（hái）原性強、抗陰極腐蝕性強、難（nán）溶、無毒且成本低，是（shì）研究應（yīng）用中使（shǐ）用最廣泛的單一化合物光催化劑。TiO₂晶型對催化活性（xìng）的影響很大。其晶型主要有三種：板鈦型（不穩定）、銳鈦型（表麵對（duì）O₂吸附能力較強（qiáng），具有（yǒu）較（jiào）高活性）和金紅石型（表麵電子-空穴（xué）複合速（sù）度快（kuài），幾乎（hū）沒有光催化活性）。以一定比例共存的（de）銳鈦型和金紅石型混晶型TiO2的催化活性最高。其中，德（dé）國Degussa公司使（shǐ）用（yòng）氣（qì）相法生產的TiO₂-P25（平（píng）均粒徑30nm，比表麵積50m²/g，30%金紅石型，70%銳鈦型）光催化活性高，是研究中經常采用的一種光催化劑。

3.光催化氧化的特點

1)光催化氧化適合在常溫下將廢臭（chòu）氣體完全氧化成無毒無害的物質（zhì），適合處理高濃度、氣量大、穩定性強的且能吸收光子的有毒有（yǒu）害氣體的廢（fèi）氣處理。

2)光催化氧（yǎng）化利（lì）用人工紫外線（xiàn）燈管產生的真空波紫外光作（zuò）為能源來活化光（guāng）催化（huà）劑，驅動氧化—還原反應，而且光催化劑在反應過程中並不消耗，利用空氣中（zhōng）的（de）氧作為氧化劑，有效（xiào）地降解有毒有害廢臭氣體成為（wéi）光催化節約能源的最大特點。

3)氧化性強：半導體光催化具有氧化性強的特點，對臭氧難以氧化的某些有機物如三氯甲烷、四氯化炭、六氯苯、都能有效地加以分解，所以對難（nán）以降解的（de）有機物具有特別意義，光催化的有效氧化劑是羥基自由（yóu）基（OH^-）和超（chāo）氧離子自由基（O^2-、O^-），其氧化性高於常見的臭氧、雙氧水、高錳酸鉀、次氯酸等（děng）。

4)廣譜性：光（guāng）催化氧化對從烴到羧酸的種類眾多有（yǒu）機物都（dōu）有（yǒu）效，即使（shǐ）對原子有機物如鹵（lǔ）代烴、染（rǎn）料、含氮有（yǒu）機物、有機（jī）磷殺蟲劑也（yě）有很好的去除效果，隻要（yào）經（jīng）過一定（dìng）時間的反應可達（dá）到完全淨化。

5)壽命（mìng）長：在（zài）理論上，光（guāng）催（cuī）化劑的壽命是無限（xiàn）長的，無需更換。

在光催化TiO₂的產物（wù）上一直存在爭論，不能確定中間產物是否會造成二次汙（wū）染；光催化氧化法存在著催化劑的失（shī）活、催化劑難以固定（dìng），且催化（huà）劑固定後催化效率降低的缺點；對不能吸收光子的汙染物質效果差，對於成分複雜的廢氣無法達到預期處（chù）理效果。

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