2024-08-15110

光（熱）催化降解VOCs：基礎(chǔ)知識及解決方案

隨著工業(yè)化進(jìn)程和經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展,，大量揮發(fā)性有機(jī)污染物（VOCs）排放到大氣環(huán)境中。這些污染源不僅來自于如燃料燃燒,、汽車尾氣,、工業(yè)排放等室外因素,，還包括廚房油煙和建筑裝修材料帶來的室內(nèi)污染^[^1]。當(dāng)前,，工業(yè)上為去除大氣中的VOCs,，常采用吸收-吸附^[^2-3]、冷凝^[^4],、生物降解^[^5],、熱焚燒^[^6]、催化氧化^[^7-8]和膜分離^[^9-10]等方法,。然而,，這些技術(shù)面臨著初期成本高、能源消耗大以及處理難度大的挑戰(zhàn),。因此,，研發(fā)高效且環(huán)保的VOCs降解新技術(shù)尤為必要，這對于改善我國的空氣質(zhì)量和保障人民健康具有重要價值,。

光催化作為一種新興的綠色能源轉(zhuǎn)換技術(shù)^[^11],，引起了國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。它利用半導(dǎo)體光催化劑在溫和條件下直接使用太陽能去除環(huán)境污染物,，具有低能耗,、環(huán)保和便捷的優(yōu)勢^[^12],。

光催化降解VOCs的反應(yīng)機(jī)理

光催化降解VOCs屬于光催化氧化技術(shù)（PCO），反應(yīng)機(jī)理如圖1所示,，即具有適當(dāng)帶隙能量的半導(dǎo)體材料（例如TiO?）被具有足夠能量的光照射以將電子從價帶（VB）激發(fā)到導(dǎo)帶（CB）并產(chǎn)生電子−空穴對（e?和h?),。光生電子和空穴隨后與水、表面羥基和O?反應(yīng),，產(chǎn)生活性自由基,，如羥基自由基（·OH）和超氧自由基（·O??）。這些自由基與吸附在催化劑表面的VOCs分子發(fā)生氧化反應(yīng),，將污染物氧化分解為CO?,、H?O和其他輕質(zhì)副產(chǎn)物。

TiO?光催化降解VOCs的反應(yīng)機(jī)理

圖1.TiO?光催化降解VOCs的反應(yīng)機(jī)理^[^13]

VOCs的光催化降解過程十分復(fù)雜,，會受到眾多因素如光照強(qiáng)度,、催化劑性質(zhì)、VOCs濃度,、反應(yīng)濕度等的影響,。溫度也是影響光催化過程中反應(yīng)動力學(xué)的重要因素^[^14]。目前在光催化過程中研究溫度對催化的影響,，主要集中在光熱催化的協(xié)同效應(yīng),。Li等人^[^15]發(fā)現(xiàn)在TiO?/CeO?納米復(fù)合材料上發(fā)現(xiàn)了太陽能驅(qū)動的CeO?熱催化，復(fù)合材料在氙燈照射下表現(xiàn)出更強(qiáng)的苯氧化催化活性,。

光熱催化利用太陽能為催化反應(yīng)提供能量,，同時利用UV-vis對半導(dǎo)體催化劑的激發(fā)作用和紅外光的熱效應(yīng)，能夠更有效地利用太陽光譜,，并能實現(xiàn)高效降解污染物，同時降低能耗,，是一種有潛力的降解污染物的方式,。

光熱催化降解VOCs的反應(yīng)機(jī)理

1.光激發(fā)和熱活化：光熱催化劑在光照下吸收光子，使電子躍遷到更高的能級,，形成電子-空穴對,。同時，熱能激活催化劑表面,，提高活化能,，促進(jìn)反應(yīng)進(jìn)程。^[^16]

2.反應(yīng)物吸附：VOCs分子吸附在光熱催化劑表面,。高溫條件下,，吸附效率增加，強(qiáng)化了反應(yīng)物和催化劑的接觸,。^[^17]

3.自由基生成：激發(fā)的電子和空穴遷移到催化劑表面,，與吸附的氧氣和水分子反應(yīng),，生成活性氧物種如羥基自由基（·OH）和超氧陰離子自由基（·O??），這些自由基對VOCs具有強(qiáng)的氧化能力,。^[^18]

4.VOCs氧化降解：這些活性氧物種攻擊VOCs分子,，破壞其化學(xué)鍵，將其轉(zhuǎn)變?yōu)闊o害的小分子如CO?和H?O,。^[^19]

5.產(chǎn)物脫附：最后,，反應(yīng)生成的產(chǎn)物從催化劑表面脫附，釋放出催化劑活性位點,，為新的反應(yīng)周期做準(zhǔn)備,。^[^20]

光熱催化機(jī)理示意圖

圖2. 光熱催化機(jī)理示意圖^[2^1]

泊菲萊科技在光（熱）催化降解VOCs領(lǐng)域可提供如下解決方案：

01 光熱協(xié)同轉(zhuǎn)化過程方案

PLR-RP/RT系列光熱/（熱）催化反應(yīng)評價裝置，適用于各類型氣固相光/光熱/熱催化反應(yīng),。

裝置配備了獨有的創(chuàng)新環(huán)照式反應(yīng)器,，將催化劑裝填在光源四周，有效地將催化劑受光面積由平面照射的0.3 cm²大幅提升至約20 cm²,，催化劑與光能夠充分接觸,。同時，在保證光有效穿透前提下,，催化劑負(fù)載量從0.9 mL提升至9 mL,，在有效提升光利用效率的同時，也能提高底物的吸附量及轉(zhuǎn)化率,。

環(huán)照式

裝置設(shè)計了液體輸送-汽化-管道伴熱-冷凝分離四大功能模塊,。

液體輸送系統(tǒng)保證進(jìn)入預(yù)熱室的液體量保持恒定；

預(yù)熱室采用特殊汽化器結(jié)構(gòu)設(shè)計,，有效避免出現(xiàn)因汽化裝置體積龐大,、汽化后氣體輸出不穩(wěn)定和無法實時汽化等問題，保證輸出穩(wěn)定的液體汽化混合氣,；

管道伴熱結(jié)構(gòu)可有效避免液體在進(jìn)入反應(yīng)室前出現(xiàn)冷凝現(xiàn)象,；

反應(yīng)后的冷凝分離系統(tǒng)能夠?qū)⑽捶磻?yīng)的液體原料和反應(yīng)生成的液體產(chǎn)物迅速冷凝至分離器中進(jìn)行收集，用于后續(xù)反應(yīng)過程分析,。

針對不同反應(yīng)溫度和壓力條件,，裝置有多種規(guī)格：

高壓版（~650℃、~10 MPa）

標(biāo)準(zhǔn)版（~850℃,、~6 MPa）

高溫版（~1050℃,、~3 MPa）

高溫高壓版（~850℃、~10 MPa）

如果上述配置仍不能滿足反應(yīng)需求,，泊菲萊科技也提供裝置的定制化服務(wù)（咨詢電話：400-1161-365）

02 PLR-PTSRⅡ 光熱催化反應(yīng)儀+PLR-GPTR系列氣固相光熱反應(yīng)器：

PLR-PTSRⅡ 光熱催化反應(yīng)儀以流動微分式反應(yīng)為主,，兼顧密閉積分式反應(yīng)需求，可實現(xiàn)反應(yīng)原位加熱,、雙流量計控壓,、雙檢測器測溫等功能,，并允許水汽參與反應(yīng)，旨在提供流量壓力可控的光熱協(xié)同反應(yīng)測試平臺,。

PLR-GPTR系列氣固相光熱反應(yīng)器作為小型化裝置：可與各種檢測設(shè)備配合使用,；兼容密閉/循環(huán)氣路模式；優(yōu)化催化劑負(fù)載平臺使氣體與催化劑接觸更充分,；配置高壓金屬快插頭,，可實現(xiàn)多段程序自動控溫功能；可進(jìn)行不同體積,、一體水浴控溫等多種定制,。

光催化連續(xù)轉(zhuǎn)化過程方案

PLC-GDHC I 氣體擴(kuò)散多相連續(xù)催化反應(yīng)平臺的氣固相光催化連續(xù)轉(zhuǎn)化過程方案：

① 氣體擴(kuò)散反應(yīng)器：內(nèi)含可搭載光催化劑的多孔疏水氣體擴(kuò)散層；有效解決液態(tài)水屏蔽光催化劑活性位點,，避免析氫,。

② 氣體擴(kuò)散循環(huán)器：為原料氣氛提供循環(huán)動力；提供外源動力將產(chǎn)物及時從光催化劑界面脫附,；將未及時反應(yīng)的原料氣氛再次輸送參與氣-固非均相反應(yīng),。

③ 一體式電動升降光源：機(jī)身內(nèi)置白光大功率LED光源，光源波段可更換/調(diào)節(jié)/定制,；電動升降設(shè)計可精細(xì)調(diào)節(jié)光源輻照距離,。

④ 模塊化功能臺：可選配加熱模塊、底照式光電模塊和溫度控制傳感模塊,；可搭配不同規(guī)格氣體擴(kuò)散反應(yīng)器可拓展不同的反應(yīng)類型,。

光催化轉(zhuǎn)化條件篩選方案

在科研過程中，對于光化學(xué)過程的反應(yīng)條件,、催化劑制備條件和反應(yīng)結(jié)果的篩選是一項費時費力的工作,，同時人為操作和與非同步實驗也不可避免地對結(jié)果造成細(xì)微影響?；谝陨蠎?yīng)用需求,，MCP-WS1000光化學(xué)工作站應(yīng)運而生，用于對反應(yīng)條件的系統(tǒng)優(yōu)化及催化劑快速篩選,。

MCP-WS1000光化學(xué)工作站由PCX-50C Discover多通道光催化反應(yīng)系統(tǒng)，PLA-MAC1005多路氣氛控制器,、PLA-GPA1000全自動進(jìn)樣器及適配的表征測試系統(tǒng)構(gòu)成,。

PCX-50C Discover多通道光催化反應(yīng)系統(tǒng)的光輸出波長可從紫外區(qū)到紅外區(qū)進(jìn)行任意定制與隨意組合，光強(qiáng)連續(xù)可調(diào),；可根據(jù)實際要求搭配不同體積反應(yīng)瓶,，提高光利用率與反應(yīng)速率，可實現(xiàn)光強(qiáng),、波長,、溫度等反應(yīng)條件參數(shù)的各通道獨立控制與篩選,。

配合PLA-MAC1005多路氣氛控制器還可以對氣體氛圍、反應(yīng)壓力等條件進(jìn)行篩選,，實現(xiàn)瓶內(nèi)氣氛的多次置換及調(diào)壓過程,，同時監(jiān)測不同反應(yīng)通道內(nèi)的氣壓變化過程并進(jìn)行實時顯示與記錄。

PLA-GPA1000全自動進(jìn)樣器可實現(xiàn)自動取樣,、送樣,、進(jìn)樣，規(guī)范實驗流程并提升效率,，減少人為誤差,。送樣過程全程載氣保護(hù)，有效避免空氣對光催化CO?還原中待檢測氣體的干擾,，同時可兼容目前主流氣相色譜儀,，也可搭配頂空進(jìn)樣器使用。

進(jìn)一步結(jié)合微流控系統(tǒng)與檢測芯片,，可將測試手段拓展至多種光譜與成像手段,，并實現(xiàn)對反應(yīng)過程的在線/離線/原位表征。

光催化和光熱催化技術(shù)為高效,、環(huán)保的揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOCs）治理提供了創(chuàng)新的解決方案,。泊菲萊科技將不斷推進(jìn)深入研究與技術(shù)創(chuàng)新，致力于實現(xiàn)綠色可持續(xù)發(fā)展的長遠(yuǎn)目標(biāo),。

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