本發(fā)明涉及一種甲醛降解實(shí)驗(yàn)艙、實(shí)驗(yàn)方法及用光催化劑降解甲醛的應(yīng)用

，其屬于環(huán)保技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

光催化技術(shù)是二十世紀(jì)七十年代以來隨著納米科學(xué)技術(shù)的崛起逐步發(fā)展起來的新興研究領(lǐng)域。影響tio2催化劑性能的因素主要有粒徑和表面積、混晶效應(yīng)和晶相缺陷。對tio2進(jìn)行摻雜改性后，不僅能對光生電子、空穴進(jìn)行捕獲，而且能擴(kuò)大其光吸收波長范圍，從而提高光量子效率。tio2摻雜改性主要包括摻加過渡金屬元素，非金屬以及稀土金屬元素。過渡金屬元素可以有多種化合價，在tio2中摻雜少量的過渡金屬離子，可使其成為光生電子-空穴對的淺勢俘獲阱，延長電子與空穴的復(fù)合時間，并且能使催化反應(yīng)的響應(yīng)光譜向可見光擴(kuò)展，從而提高tio2的光催化效率。非金屬摻雜可提高光催化活性主要是因?yàn)榉墙饘贀诫s可以使摻雜復(fù)合物的復(fù)合禁帶寬度小于tio2的禁帶寬度，從而使tio2的吸收邊向可見光移動。稀土元素的摻雜提高納米tio2光催化活性主要有兩方面原因。首先：稀土元素包裹在tio2表面，能夠吸收較寬范圍的光輻射，并把能量傳遞給tio2，從而提高光催化活性。其次，稀土金屬摻雜后會引起tio2晶格膨脹，適度的晶格膨脹引起更多氧缺陷（雜質(zhì)缺陷），從而在導(dǎo)帶底引起更多的淺能級成為捕獲電子的陷阱，稀土離子在價帶頂引入的淺能級則成為捕獲空穴的陷阱，電子、空穴被捕獲分離后又各自被激發(fā)向表面遷移，這就大大加強(qiáng)了電子-空穴對的有效分離，從而有利于光催化活性的提高。

非金屬摻雜tio2在可見光下的光催化活性需要進(jìn)一步提高，而金屬摻雜可以增強(qiáng)光催化活性，所以對其進(jìn)行共摻雜能制備出在可見光下具有更高活性的光催化劑成為科研人員研究的重點(diǎn)。近年來，人們相繼開發(fā)了許多tio2摻雜的制備方法，大致可以分為兩大類，即氣相法和液相法，而以液相方法得到廣泛應(yīng)用。液相法制備納米摻雜tio2主要有膠溶法、沉淀法、水熱法、溶膠－凝膠法等，關(guān)鍵在于得到一種簡便易行，成本低，催化性能好的催化劑制備方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決現(xiàn)有技術(shù)中摻雜效率低、工藝復(fù)雜、成本高、普適性差，得到成品催化劑活性低的的問題，本發(fā)明提供一種甲醛降解實(shí)驗(yàn)艙、實(shí)驗(yàn)方法及用光催化劑降解甲醛的應(yīng)用，該實(shí)驗(yàn)艙結(jié)構(gòu)簡單，用光催化劑降解甲醛的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)十分方便。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種甲醛降解實(shí)驗(yàn)艙，它包括一個設(shè)有艙門的實(shí)驗(yàn)艙，它還包括空氣泵、針閥和緩沖容器，所述實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)設(shè)有兩個小型風(fēng)扇，在實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)的上部設(shè)有一個排氣口、日光燈管和承載體，所述空氣泵通過管道依次連接針閥、緩沖容器、控制閥和實(shí)驗(yàn)艙。

所述的一種甲醛降解實(shí)驗(yàn)艙的實(shí)驗(yàn)方法，在實(shí)驗(yàn)開始前，打開艙門，將光催化劑承載體放入實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)后，關(guān)閉艙門、打開針閥、控制閥及排氣口，使用空氣泵打氣清潔實(shí)驗(yàn)艙，然后關(guān)閉排氣口，將少量脫脂棉塞入針閥中，使用進(jìn)樣針往脫脂棉中注射甲醛，甲醛氣體在緩沖容器中緩存一段時間，然后開啟空氣泵往實(shí)驗(yàn)艙中進(jìn)樣，一段時間后關(guān)掉空氣泵電源，并關(guān)閉控制閥，此時甲醛氣體進(jìn)入實(shí)驗(yàn)艙中，通過控制進(jìn)樣針的進(jìn)樣量和針閥、控制閥的開閉控制實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)甲醛濃度不大于1.5mg/m³，打開小型風(fēng)扇攪動實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)空氣，使甲醛均勻分布于實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)，此時打開日光燈管進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，計(jì)時并檢測甲醛濃度。

所述的甲醛降解實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)用光催化劑降解甲醛的應(yīng)用，包括以下步驟：

（1）將光催化劑置于含有甲醛的實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)，光催化劑的濃度為0.1-0.5mg/m³；實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)的甲醛濃度不大于1.5mg/m³；

（2）采用光源對光催化劑進(jìn)行照射，光源采用日光燈管；

所述光催化劑包括cdxmn1-xs、cuy-tio2和so4^2-修飾coz-tio2，其中：x代表cd的摻雜量，1-x代表mn的摻雜量，x為摩爾百分?jǐn)?shù)；y為摩爾百分?jǐn)?shù)代表銅摻雜量，z為摩爾百分?jǐn)?shù)代表銅摻雜量；x的取值范圍0.4-0.6，y的取值范圍1.0-3.0，z的取值范圍1.5-2.5。

所述cu-tio2光催化劑的制備方法為：劇烈攪拌下，將5ml鈦酸四丁酯和20ml無水乙醇混合溶液緩慢滴入10ml蒸餾水、10ml乙醇和2ml冰醋酸的混合液中進(jìn)行水解，滴加完畢后繼續(xù)攪拌得到透明的溶膠，在室溫下靜置陳化形成凝膠；80℃干燥12h后置馬弗爐中500℃焙燒2小時，得到未摻雜tio2粉體；再將5ml鈦酸四丁酯和10ml無水乙醇混合溶液緩慢滴入10mlcucl2、10ml乙醇和2ml冰醋酸的混合液中進(jìn)行水解，滴加完畢后繼續(xù)攪拌得到透明的溶膠，在室溫下靜置陳化形成凝膠；80℃干燥12h后置馬弗爐中500℃焙燒2小時，得到cuy-tio2粉體，其中y為摩爾百分?jǐn)?shù)代表銅摻雜量，根據(jù)加入cucl2濃度不同y的取值范圍是1.0-3.0。

所述so4^2-修飾co-tio2光催化劑的制備方法為：將5ml鈦酸四丁酯加入到20ml無水乙醇中，充分?jǐn)嚢?0min得到溶液a；再將5ml無水乙醇、5ml去離子水和1ml濃硝酸混合均勻得到溶液b；劇烈攪拌下，將a溶液逐滴加入到溶液b中，滴加完畢后繼續(xù)攪拌3h得到透明溶膠；室溫下自然陳化5h并在80℃干燥24h，得到淡黃色干膠粒；研磨后，在500℃焙燒5h制得純tio2粒子；

再將5ml無水乙醇、5ml硝酸鈷水溶液和1ml濃硝酸混合均勻得到溶液c；劇烈攪拌下，將a溶液逐滴加入到溶液c中，滴加完畢后繼續(xù)攪拌3h得到透明溶膠；室溫下自然陳化5h并在80℃干燥24h；制得co摻雜的tio2粒子，并用10%濃度的h2so4溶液將所制備的co浸漬12h，并在80℃下烘干，研磨；以500℃將其焙燒3h，得到so4^2-修飾coz-tio2，z為摩爾百分?jǐn)?shù)代表銅摻雜量，根據(jù)加入硝酸鈷水溶液濃度，z的取值范圍是1.5-2.5；

所述cdxmn1-xs光催化劑的制備方法為：為得到不同x值cdxmn1-xs光催化劑，按不同的化學(xué)計(jì)量比將硝酸鎘cd(no3)2·6h2o、乙酸錳c4h6mno4·4h2o和硫脲溶解在水-溶劑中，在室溫下持續(xù)攪拌60min后，將溶液轉(zhuǎn)入到100ml的聚四氟乙烯反應(yīng)釜中，密封；在150℃恒溫一段時間后，置于室溫條件下冷卻，通過抽慮分離出沉淀、水洗、醇洗各三次后，將產(chǎn)物于80℃烘箱中24h烘干，研磨；經(jīng)過上述過程，所得產(chǎn)物即為cdxmn1-xs催化劑，其中x代表cd的摻雜量，1-x代表mn的摻雜量，x為摩爾百分?jǐn)?shù)，x的取值范圍是0.4-0.6。

本發(fā)明的有益效果是：這種甲醛降解實(shí)驗(yàn)艙包括實(shí)驗(yàn)艙、空氣泵、針閥和緩沖容器，實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)設(shè)有小型風(fēng)扇、排氣口、日光燈管和承載體，空氣泵通過管道依次連接針閥、緩沖容器、控制閥和實(shí)驗(yàn)艙。該實(shí)驗(yàn)艙結(jié)構(gòu)簡單，用光催化劑降解甲醛的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)十分方便。在密閉的空間中，甲醛初始值不大于1.5mg/m³，控制光催化劑濃度為0.1-0.5mg/m³，密閉空間中溫濕度相同，光源采用日光燈管照射，cu-tio2光催化劑在2h內(nèi)甲醛的降解率為57.3%，so4^2-修飾co-tio2光催化劑在2h內(nèi)甲醛的降解率為58.7%，cdxmn1-xs光催化劑在2h內(nèi)甲醛的降解率為57.8%；在10h內(nèi)甲醛的降解率均在95%以上。光催化劑制備方法工藝簡單、摻雜效率高、成本低、適用于室內(nèi)空氣治理，所得到的納米二氧化鈦晶化度高、可見光催化活性好，催化劑的壽命長。

附圖說明

圖1是一種自制實(shí)驗(yàn)艙的示意圖。

圖中：1、空氣泵，2、進(jìn)樣針，3、針閥，4、緩沖容器，5、控制閥，6、小型風(fēng)扇，7、艙門，8、排氣口，9、日光燈管，10、承載體。

具體實(shí)施方式

光催化降解室內(nèi)空氣中甲醛的實(shí)驗(yàn)步驟如下：

步驟1、實(shí)驗(yàn)在自制實(shí)驗(yàn)艙（圖1）中進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)艙的尺寸規(guī)格為：800×400×400(mm)，材質(zhì)為1mm厚不銹鋼材料，整體焊接密封。實(shí)驗(yàn)艙體分別預(yù)留進(jìn)線孔和進(jìn)樣孔一個，以膠墊密封。設(shè)計(jì)艙門一個，尺寸為150mm×150mm，光源采用日光燈管照射，甲醛初始值不大于1.5mg/m³，實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)設(shè)置光源懸掛裝置及樣品支架，另外，特設(shè)置小型風(fēng)扇2個，形成實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)循環(huán)氣流、以保證艙內(nèi)污染物質(zhì)濃度分布均勻。

步驟2、按照cu-tio2光催化劑、so4^2-修飾co-tio2光催化劑、cdxmn1-xs光催化劑的制備方法制備光催化劑，并將cu-tio2光催化劑、so4^2-修飾co-tio2光催化劑、cdxmn1-xs光催化劑各10g研磨后加入500ml蒸餾水中，使用超聲波振蕩器振蕩30min，得到乳白色溶膠溶液。取上層溶膠溶液至干凈燒杯，標(biāo)定二氧化鈦含量，采用快速噴霧法將二氧化鈦噴到碳纖維上，迅速轉(zhuǎn)移到實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)，控制催化劑濃度為0.1mg/m³，緊壓密閉實(shí)驗(yàn)艙門，通過微量進(jìn)樣系統(tǒng)投加甲醛。模擬室內(nèi)甲醛的污染，待實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)濃度達(dá)到實(shí)驗(yàn)所需的濃度水平時；打開可見光的日光燈管開始進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以甲醛的降解率為指標(biāo)來評價光催化劑的光催化性能。

步驟3、測試不同光催化劑降解甲醛的能力，cu-tio2光催化劑在2h內(nèi)甲醛的降解率為57.3%，so4^2-修飾co-tio2光催化劑在2h內(nèi)甲醛的降解率為58.7%，cdxmn1-xs光催化劑在2h內(nèi)甲醛的降解率為57.8%；cu-tio2光催化劑、so4^2-修飾co-tio2光催化劑、cdxmn1-xs光催化劑在10h內(nèi)甲醛的降解率均為95%以上?？梢娚鲜龃呋瘎┦褂萌展鉄艄茏鳛楣庠茨軌蛴行Ы到馐覂?nèi)空氣中的甲醛，催化活性高。

實(shí)驗(yàn)開始前，打開艙門7，將光催化劑承載體10掛在實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)支架上，關(guān)閉艙門7、打開針閥3、控制閥5及排氣口8，使用空氣泵1打氣清潔實(shí)驗(yàn)艙，然后關(guān)閉排氣口8，將少量脫脂棉塞入針閥3中，使用進(jìn)樣針2往脫脂棉中注射甲醛，甲醛氣體在緩沖容器4中緩存一段時間，然后開啟空氣泵1往實(shí)驗(yàn)艙中進(jìn)樣，一段時間后關(guān)掉空氣泵1電源，并關(guān)閉控制閥5，此時甲醛氣體進(jìn)入實(shí)驗(yàn)艙中，通過控制進(jìn)樣針2的進(jìn)樣量和針閥3、控制閥5的開閉控制實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)甲醛濃度不大于1.5mg/m³，打開小型風(fēng)扇6攪動實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)空氣，使甲醛均勻分布于實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)，此時打開日光燈管9進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，計(jì)時并檢測甲醛濃度。