纳米TiO_2等离子体放电催化空气净化技术的研究

时间:2017-8-11 14:17:00 来源:本网 添加人:admin

  纳米TiO等离子体放电催化空气净化技术的研究杨学昌,柯锐,夏天,周远翔,赵大庆,李明贤2,李汝南2(1.清华大学,北京100084;2.北京华怡净化科技研究所,北京100088)放电催化空气净化技术,该技术是空气净化技术中最有前景的技术之一。进行了纳米二氧化钛等离子体放电催化降解甲醛的试验和杀灭芽孢杆菌的试验,取得了令人满意的结果。

  1前言随着农业生产的飞速发展和科技的进步,空气污染问题越来越突出。非典型肺炎的传播已引起了人们对空气污染的高度重视。如何阻断SARS病毒的传播途径成为研究的焦点之一。为此,笔者提出纳米Ti2等离子体放电催化空气净化技术来消灭空气中的病菌病毒这一思路。

  目前市场上销售的空气净化器主要有3类:①物理过滤和物理吸附型空气净化器,它主要过滤和吸附空气中的浮尘,没有杀菌消毒和分解有害气体的能力,并且需要定期更换过滤材料和吸附剂。②光催化型空气净化器,以紫外光作为光源作用于纳米二氧化钛产生羟基自由基来降解有机物和杀灭细菌基金项目:清华大学防治“非典”科技攻关专项基金(03fd23)北京市西城区科学技术委员会创业资金资肋病毒。其缺点是羟基自由基产生量少,处理空气流量小,而且由于必须使用紫光灯进行电能到光能的转换,能量利用效率很低。③前两类的组合型。纳米二氧化钛等离子体放电催化空气净化技术是在纳米二氧化钛光催化空气净化技术的基础上发展起来的。

  2放电形式和基本原理纳米二氧化钛等离子体放电催化空气净化器的基本单元见。

  电极放电间隙电极空气净化器基本单元示意图在电极间加上合适的电压后,间隙内会发生轻微的电晕放电,产生低温等离子体。纳米二氧化钛在低温等离子体和晕光的共同作用下可产生大量的羟基自由基。在羟基自由基、等离子体、晕光的协同作用下,可以对通过间隙的空气进行杀菌消毒、降解有害有机挥发物(VOC)和除臭除味等处理。

  当等离子体放电产生的电子或光子能量大于纳米Ti2禁带宽度时,会激发纳米Ti2的电子从价带跃迁至导带,形成具有很强化学活性的电子-空穴对,并进一步诱导一系列氧化还原反应的进行。其中产生的空穴具有很强的得电子能力,可与纳米Ti2表面的OH-和H2O发生反应生成羟基自由基:TiO2+hv~!TiO2(h‘+e-)h++OH-―OH羟基自由基。OH的氧化能力极强!2,其氧化还原电位为2.80V,与自然界中氧化能力最强的氟(氧化还原电位为2.87V)相当,它可以氧化包拮VOC在内的许多有机物,同时可以高效杀灭细菌病毒。等离子体放电产生的等离子体和紫外辐射,也具有灭菌消毒和分解有机物的能力。纳米Ti2等离子体放电催化技术是在羟基自由基、等离子体、紫外辐射等因素共同作用下对空气进行净化的技术。与纳米二氧化钛光催化相比,它不需要紫外光源,能够利用放电过程中的各种能量,同时产生大量羟基自由基,因此是一种新型的快速高效空气净化技术。

  在搭建空气净化系统时,可以将所示的基本单元进行并联和(或)串联,以满足不同的流量、滞留时间等方面的需要。

  3纳米Ti2等离子体放电催化降解甲醛的试验研究在纳米Ti2光催化降解V0C方面已有很多的研究,为了检验纳米二氧化钛等离子体放电催化降解V0C的能力,对其进行了降解甲醛的试验。

  3.1降解甲醛的静态静止试验将所示的净化器基本单元置于一合适容积的密闭容器中,容器中通入一定量的甲醛-空气混合气。在净化器基本单元上加上适当高压,开始纳米二氧化钛等离子体放电催化过程,按一定时间间隔在容器中取样,用气相色谱仪监测容器中甲醛的浓度变化。

  为反应前容器中甲醛-空气混合气体的气相色谱图,其初始浓度为137!L/L;为反应5min后容器中气体的气相色谱图。色谱图中横坐标为1446处的峰表示甲醛,其峰面积对应了甲醛的浓度。

  反应5min后试样的气相色谱图(甲醛浓度45fiL/L)该试验表明,纳米二氧化钛等离子体放电催化作后,可以将静止试样中的甲醛降解67.2".3.2降解甲醛的静态流动试验将所示的基本单元6个按照流量需要并联,组成试验用空气净化器。将该空气净化器置于容积为1.7m3的不锈钢密闭小室内,在净化器出气口处安装轴流风机,以保证小室内的气体不断循环流过净化器(空气流速10m/s,流量73m3/h)。密闭小室内安装风扇以保证其中气体成分均匀。小室内放置测量探头,探头连接到1312型气体检测器,实时检测小室内气体成分的变化。整个试验系统见。

  网4降解甲醛态流动试验系统示息图利用所示的试验系统进行了纳米二氧化钛等离子体放电催化降解流动甲醛的试验,得到了不同初始浓度下甲醛的降解曲线,见。

  不同初始浓度下甲醛的降解曲线从可以看出,在密闭的小室内,纳米二氧化钛等离子放电催化可以有效地降解流动甲醛气体。

  4纳米Ti02等离子体放电催化杀灭芽孢杆菌的试验研究关于纳米二氧化钛光催化灭菌效果的研究请参见文,为了检验纳米二氧化钛等离子体放电催化的灭菌效果,进行了杀灭芽孢杆菌的试验。

  4.1试验过程先将成分为酵母粉5g/L,蛋白胨10g/L,氯化钠5g/L的液体培养基在121的灭菌锅中进行1520min的消毒处理,将少量芽孢杆菌接种至培养基中形成菌液,并将菌液在37恒温的培养室内培养约10h待用。取约100!L的上述菌液均匀涂在已消毒的0.15mm厚的玻璃片上静止一段时间,待水分蒸发后芽孢杆菌就留在玻璃片上。将该玻璃片放入所示基本单元的放电腔内,在纳米二氧化钛等离子体放电催化下处理1min.将处理1min后的玻璃片置入100mL的无菌水中进行1000倍的稀释,充分摇匀后放置一段时间,以确保玻璃片上的芽孢杆菌充分进入水中,并得到处理后菌液。取100!L这样的菌液均匀涂在成分为酵母粉15g/L,蛋白胨10g/L,氯化钠5g/L,琼脂15g/L的固体培养基上,将培养基在37恒温环境下培养24h,使固体培养基上的芽孢杆菌充分生长。

  用同样的过程对未处理的菌液!下转第8页)在应用中需要注意的一点是,采用小波变换实现滤波,其频带是固定的,即只取决于每天的监测点数,因而在具体分析时,由于带宽限止,在滤除某一周期性分量的同时也可能滤除了另一需要保留的周期性分量,造成信息失;而采用形态滤波,结构元素的宽度选择是任意的,可以事先估计出抑制对象的周期,使结构元素的宽度略大于该周期宽度即可,不会影响到数据中周期更大的分量,因而处理较为炅活。但是,对于去除一些大的周期性因素影响,由于结构元素宽度要增大很多,使得处理运算量大大增加;而对于小波变换,分解计算量是逐层减半的,且频带的划分也较宽,更适合用于长期的趋势分析。

  6结语笔者在研究介损在线监测数据规律性的基础上,提出采用滤波思想实现趋势提取。从频域分析的角度介绍了小波变换,从时域的角度介绍了形态滤波这两种方法,及其在介损在线监测数据趋势提取中的应用。通过对实际的介损在线监测数据进行处理,验证了两种方法的有效性。同时也对这两种方法本质上的联系与适用性进行了深入的探讨。

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