1.光催化機理與催化工藝

光催化降解VOCs屬於多相催化反應，是氣相反（fǎn）應物（VOC）與固相光催化劑的表麵（miàn）進行（háng）接觸而（ér）發生在兩相界麵上的一種反（fǎn）應。該過程一般可分為以下六個步驟：

光催化降（jiàng）解VOCs反應步驟圖

文獻中（zhōng）涉及較多的光催化反應器的結構形（xíng）式主要包括：平板型、管狀、蜂窩型和光纖反應器等。下圖（tú）列舉了三種常見的（de）反應器形式。

三種常見光催化反應器的結構示意圖

根據半導體（tǐ）的（de）電（diàn）子結構，當半導體（光催化劑）吸收一個能量大（dà）於其帶隙能（Eg）的光子時，電子（e-）會從充滿的價帶躍遷（qiān）到空的導帶，而在價帶留下帶（dài）正電的空（kōng）穴（h+）。價帶空（kōng）穴具有強氧化性，而導帶電子具有強（qiáng）還原（yuán）性，它（tā）們（men）可以直接與反應（yīng）物作用，還可以與吸附在（zài）光催（cuī）化劑上的其他電（diàn）子給體（tǐ）和受體反應。納米光催化是利用TiO₂作為（wéi）催化劑的光催化過程，反應條件溫和，光解迅速（sù），產物（wù）為CO₂和H₂O或（huò）其（qí）他的離子如（rú） NO^3-、PO₄^3-、Cl^-等，而且適用範圍廣（guǎng），包括烴、醇、醛、酮、氨等有機物，都能通過（guò）TiO₂光催化清除。其機理主要是光催化劑二氧（yǎng）化鈦吸收光子，與表麵的水反應產生羥基自由基（jī）（•OH）和活性氧物質（•O，H₂O₂），其中羥基自由基（•OH）是光催化反（fǎn）應的（de）一（yī）種主（zhǔ）要的活性物質（zhì），對光（guāng）催化氧（yǎng）化起（qǐ）決定作用。羥基（jī）自由基具有（yǒu）120kJ/mol的反應能，高於有機物中的各類化學鍵能（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發性（xìng）有機物和構成（chéng）細菌的有機物，再加上其它活性氧物質（•O，H₂O₂）的協同作用，其殺菌效果更為迅速。

TiO₂的帶隙能Eg=3.2eV，隻（zhī）有波長小於380nm的紫（zǐ）外光才能激發TiO₂產生導（dǎo）帶電子和價帶空穴（xué），導致VOCs的氧化分解。光催化劑 TiO₂反應效率很（hěn）高，但顆粒微小而極易流失，因此將 TiO₂ 固定在活性炭載體（tǐ）上解決其分離回收問題。

TiO₂光催化降解VOCs反應機理圖

2.光催化（huà）劑（jì）

VOCs光催化降解的速率主要受吸附（fù）效率和（hé）光（guāng）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，因此選擇光催化劑至關重要。

目前，研究中經常采用的紫外光催化劑大多為金屬氧化物或（huò）硫化物，如TiO₂、ZnO、ZrO₂、SnO₂、WO₃、CeO₂、Fe₂O₃、Al₂O₃、ZnS及CdS等。其中，TiO₂的綜合性（xìng）能（néng）最（zuì）好，其光催化活性高（gāo）、化學性質穩定、氧化還原性強、抗陰極腐蝕性強、難溶、無毒且成本低，是研究應用中使用最廣（guǎng）泛的單一化合物光催化劑。TiO₂晶型對催化活性的影響很大。其晶型主要有（yǒu）三種：板鈦（tài）型（不穩定）、銳鈦型（表麵對O₂吸附能力較（jiào）強，具有較高活性）和金紅石（shí）型（表麵電子-空穴複合速（sù）度快，幾乎沒有光催（cuī）化活性）。以一定比例共存的銳鈦型（xíng）和金紅石型混晶（jīng）型TiO2的催化活性最高。其中，德國Degussa公司使用氣相法生產（chǎn）的TiO₂-P25（平均粒徑30nm，比表麵積50m²/g，30%金紅（hóng）石型，70%銳鈦型）光催化（huà）活性高，是研究中（zhōng）經常采（cǎi）用的一種光催化劑。

3.光催（cuī）化氧化的（de）特點

1)光催化氧化適合在常溫（wēn）下將（jiāng）廢臭氣體完全氧化成無毒無害的物質，適合處理（lǐ）高濃度、氣量大、穩（wěn）定性強的（de）且能吸收光子（zǐ）的有毒有害氣體的廢氣處理。

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

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

4)廣（guǎng）譜性：光催化（huà）氧化對從烴到（dào）羧酸的（de）種類（lèi）眾多有機物都有效，即使對原（yuán）子有（yǒu）機（jī）物如鹵代烴、染料、含氮有機物、有機磷（lín）殺蟲劑也有很好的去除效果，隻要經過一定時間的反應可達到完全淨化。

5)壽命長：在理論上，光催化劑的壽命是無限長的，無需更換。

在光催化TiO₂的產物上一直存在爭（zhēng）論，不能確定中間產物是否會造成二次汙染（rǎn）；光催（cuī）化氧化法存在著催化劑的失活、催化劑難以固定（dìng），且催化劑固定後催化效率（lǜ）降（jiàng）低的缺點；對不能吸收光（guāng）子（zǐ）的汙染物（wù）質效果差，對於成（chéng）分複雜的廢（fèi）氣無法達到預期處理效果。

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