新型室内空气(byLJ)-12.ppt

第七讲 室内空气污染治理 —空气净化技术; 如果前期的污染源失控而污染物浓度较高且污染物散发难以切断，此时要采用空气净化技术来去除室内空气污染物 ;第一节 室内空气净化技术 ;第三节 光催化法去除室内空气污染物 一、纳米光催化降解VOCs的原理和特点 1972年Fujishima和Honda在Nature上发表了重要论文发现了在TiO2单晶体表面上光催化分解水的现象，这标志着多相光催化反应研究的开始。近年来，使用纳米半导体光催化材料消除空气中VOCs的研究和应用获得广泛关注！ *A, Honda K. Electrochemical photolysis of water at a semiconductor electrode. Nature, 1972, 238: 37-38 ;1、原理 光催化反应降解VOCs的本质是在光电转换中进行氧化还原反应。 根据半导体的电子结构，当半导体（光催化剂）吸收一个能量大于其带隙能（Eg）的光子时，电子（e-）会从充满的价带跃迁到空的导带，而在价带留下带正电的空穴（h+）。价带空穴具有强氧化性，而导带电子具有强还原性，它们可以直接与反应物作用，还可以与吸附在光催化剂上的其他电子给体和受体反应。例如空穴可以使H2O氧化，电子使空气中的O2还原。; ;2、反应式 ;3、特点 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特性，因而可以显著提高其光催化效率。纳米材料的具体优点如下： (1)超细微粒的尺寸量子效应会导致其吸收光谱的吸 收带边蓝移和提高催化剂光催化活性。 (2)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 分离效率。 (3)纳米材料尺寸很小，比表面积很大，增强了半导 体光催化剂吸附有机污染物的能力。 ;二、光催化降解VOCs研究涉及方面; 光催化剂 光催化剂多为金属氧化物或硫化物，实用性较好的有TiO2和ZnO，其中TiO2的综合性能最好，其光催化活性高（高于ZnO），化学性质稳定、氧化还原性强、抗光阴极腐蚀性强、难溶、无毒且成本低，是研究应用中采用最广泛的单一化合物光催化剂。 VOCs种类 ASHRAE研究项目报告统计：目前已经有近60种有机化合物已经进行过气固相光催化反应研究，其中43种为在室内环境中常见的有机化合物。; ;三、光催化反应器VOC降解数理模型 光催化反应器VOC降解性能强化和结构优化设计对于光催化空气净化技术的应用至关重要，而光催化反应器VOC降解数理模型是开展以上工作的基础！ ;1、光催化反应器VOC降解的物理化学机制 光催化反应器中VOC降解属于多相催化反应，是气相反应物（VOC）与固相光催化剂（通常为TiO2）表面接触时发生在两相界面上的一种反应。反应可分为以下几个过程： (1)受浓度差的驱动，VOC由流体相附着到固体催化 剂表面； (2)VOC在表面活性位上被吸附； (3)被吸附的VOC分子在表面上进行光催化反应； (4)反应产物从催化剂表面脱附； (5)产物从固体催化剂外表面进入流动相。 ;2、光催化反应器VOC降解数理模型 以下为几种常见光催化反应器的结构示意图，包括平板反应器、蜂窝状反应器和管状反应器。; ; ;以上三种形式的反应器，可概括为如下形式： ;模型假设： 为突出物理本质并简化问题，假设：（1）仅有一种VOC参与表面光催化反应；（2）沿流动方向反应器截面相同。 光催化反应器的传质方程： 边界条件: ; 式中：G为空气体积流量，m3/s；z为沿空气流动方向距进口的距离，m；ξ为沿反应器截面周向距原点的距离，m；L为反应器通道长度，m；Lξ是沿反应器截面周向反应面的周长，m；C(z)、Cs(z, ξ)分别为截面z处VOC的平均摩尔浓度和在(z, ξ)坐标处贴近反应表面空气层VOC的摩尔浓度，mol/m3，Cin为反应器进口处VOC的摩尔浓度，mol/m3；r(z, ξ)为当地光催化反应速率，mol/m2s；Kapp(z, ξ)为当地表观反应系数，m/s；hm(z, ξ)为当地对流传质系数，m/s。 ; 根据光催化反应器VOC降解的物理化学机制推导，可得在单分子和双分子反应时当地表观反应系数Kapp(z, ξ)的表达式分别为： 由光催化材料、被降解VOC、当地紫外光强度I(z, ξ)、Cs(z, ξ)和水蒸气浓度Cw等参数共同决定。 ;进一步，解得： 定义当地总降解系数Kt(z, ξ)为： 该式代入光