一种TiO2气溶胶光催化剂及其制备方法、其用于处理有机废气的方法与流程

本发明涉及一种TiO₂气溶胶光催化剂及其制备方法、其用于处理有机废气的方法。

背景技术：

有机废气的处理方法有多种，例如燃烧法、吸收法、吸附法、生物法、光催化法、低温等离子法等。

近年来，光催化技术处理气态污染物愈来愈受到世界各国的重视，研究表明，该技术在常温、常压条件下能将废气中的有机物分解为CO₂、H₂O和其它无机物，有较大潜在应用价值。

TiO₂具有化学稳定性好、无毒、价廉、易得、具有较正的价带电位和较负的导带电位等特点，是理想的光催化剂，也是目前使用最多的一类光催化剂。

然而，现阶段采用光催化技术处理有机废气存在诸多问题，主要为：

1)光催化剂，例如TiO₂一般为粉末，放置在载体上(如分子筛，铝网等)，造成光催化剂只能单面受光，严重影响了其光能利用率；

2)大量使用的载体挤占了反应器内的空间；

3)载体多为蜂窝状，负载在其上的光催化剂与有机废气的接触面积有限。

技术实现要素：

针对现有技术的上述缺陷，本发明提供一种TiO₂气溶胶光催化剂及其制备方法、其处理有机废气的方法。本发明人将现有的光催化剂制备成TiO₂气溶胶光催化剂，该催化剂以铂担载，不需要载体，可有效降低光催化处理有机废气的成本。采用本发明所述方法制备的光催化剂处理有机废气的方法在常温下进行，工艺过程简单，有机废气降解率高。

用于实现上述目的的技术方案如下：

一方面，本发明提供一种制备TiO₂气溶胶光催化剂的方法，该方法包括如下步骤：

(1)将聚乙烯吡咯烷酮溶解于无水乙醇中，搅拌；

(2)将纤维素溶解于无水乙醇中，搅拌，静置，得纤维素凝胶；

(3)将钛酸四丁酯和氯铂酸溶解于步骤(1)得到的溶液中，然后，向其中加入步骤(2)得到的纤维素凝胶，搅拌，静置，转移至高压反应釜中，120-180℃下反应12-18h，真空干燥，即得。

优选地，在所述步骤(1)中，所述聚乙烯吡咯烷酮与所述无水乙醇的比例为1-5g：40-65ml，优选为2g：50ml；

优选地，在所述步骤(1)中，所述搅拌时间为8-12min，优选为10min；

优选地，在所述步骤(2)中，所述纤维素与所述无水乙醇的比例为8-12g：450-550ml，优选为10g：500ml；

优选地，在所述步骤(2)中，所述搅拌时间为25-35min，优选为30min；

优选地，在所述步骤(2)中，所述静置时间为1-3天，优选为2天；

优选地，在所述步骤(3)中，所述钛酸四丁酯、所述氯铂酸、所述步骤(1)得到的溶液与所述步骤(2)得到的纤维素凝胶的比例为0.8-1.2g：0.01-0.02g：45-55ml：0.2-0.8g，优选为1g：0.013g：50ml：0.5g；

优选地，在所述步骤(3)中，所述搅拌时间为25-35min，优选30min；

优选地，在所述步骤(3)中，所述氯铂酸浓度为1g/100ml；

优选地，在所述步骤(3)中，所述静置时间为4-6h，优选5h；

优选地，在所述步骤(3)中，所述在高压反应釜中的反应温度为120℃；

优选地，在所述步骤(3)中，所述在高压反应釜中的反应时间为15h。

优选地，所述方法包括如下步骤：

(1)将2g聚乙烯吡咯烷酮溶解50ml无水乙醇中，搅拌10min；

(2)将10g纤维素溶解到无水乙醇500ml中，搅拌30min后，静置2天，得纤维素凝胶；

(3)将钛酸四丁酯1g和浓度为1g/100ml的氯铂酸1.3ml溶解于步骤(1)得到的溶液50ml中，后向其中加入步骤(2)得到的纤维素凝胶0.5g，搅拌30min，静置5h，随后将其转移到高压反应釜中，120度下反应15h；

(4)将制备得到的样品真空干燥。

另一方面，本发明提供上述制备方法制备得到的TiO₂气溶胶光催化剂(铂担载的二氧化钛气溶胶)，该气溶胶光催化剂的比表面积为221.8-563.1m²/g。

又一方面，本发明提供一种处理有机废气的方法，该方法包括：在光催化反应器中，以等离子体以及本发明所述方法制备得到的TiO₂气溶胶光催化剂为催化体系，以紫外灯为光源来实现有机废气的降解。

优选地，所述光催化反应器的两极之间的距离为2-5cm；

优选地，所述光催化反应器的电极电压为10-20KV；

优选地，所述等离子体以电晕放电的方式产生；

优选地，所述紫外灯的功率为250W；

优选地，所述方法使用的光催化反应器为对板状光催化反应器；

优选地，所述对板状光催化反应器的内直径为2-5cm；

优选地，所述对板状光催化反应器的电极电压为10-20KV；

优选地，所述有机废气选自甲醛和/或甲苯。

本发明所述方法制备得到的TiO₂气溶胶光催化剂及本发明所述处理有机废气的方法在处理有机废气中的应用。

与现有技术相比较，本专利至少具有以下有益的技术效果。

(1)本发明处理有机废气的方法中，将光催化剂制备成铂担载的二氧化钛气溶胶，该气溶胶里有大量的孔道，可以有效的增加光催化剂与有机废气的接触面积，提高光催化剂的利用效率；

(2)本发明所述铂担载的二氧化钛气溶胶为孔道机构材料，可以有效的延长有机废气在其中的停留时间，有利于光催化剂效率的提高；

(3)本发明所述铂担载的二氧化钛气溶胶为半透明，所使用的紫外光可以穿透，能够很好地增加光催化剂的受光面积，大幅提高其光吸收能力；

(4)本发明所述铂担载的二氧化钛气溶胶本身为固态，因此可以将其直接填充到反应器中，无需额外的载体；

(5)本发明所述铂担载的二氧化钛气溶胶比表面积为250-500m²/g；

(6)本发明所述光催化处理有机废气的方法处理有机废气后，用气相色谱检测降解产物(主要为CO₂)，并采用外标法计算产物产量，可测得甲醛的降解率为88-98％。

附图说明

以下，结合附图来详细说明本发明的实施方案。

图1为本发明所述铂担载的二氧化钛气溶胶与Pt/TiO₂粉末活性对比；

图2为本发明所述铂担载的二氧化钛气溶胶与现有技术中等离子体Pt/TiO₂活性对比；

图3为本发明实施例中所述处理有机废气的方法处理有机废气系统示意图。

具体实施方式

以下参照具体的实施例来说明本发明。本领域技术人员能够理解，这些实施例仅用于说明本发明，其不以任何方式限制本发明的范围。

下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。下述实施例中所用的原料、试剂材料等，如无特殊说明，均为市售购买产品。

实施例1：本发明所述铂担载的二氧化钛气溶胶对甲醛废气的处理

1、铂担载的二氧化钛气溶胶的制备：

(1)将2g聚乙烯吡咯烷酮溶解于50ml无水乙醇中，搅拌10min；

(2)将1g纤维素溶解于50ml无水乙醇中，搅拌30min，静置2天，得纤维素凝胶；

(3)将1g钛酸四丁酯和1.3ml氯铂酸(氯铂酸浓度为1g/100ml)溶解于步骤(1)得到的溶液50ml中，后向其中加入步骤(2)得到的纤维素凝胶0.5g，搅拌30min后，静置5h，转移至100ml高压反应釜中120℃下反应15h，后干燥即得铂担载的二氧化钛气溶胶，其比表面积为450.2m²/g。

2、构建等离子光催化体系

将5g铂担载的二氧化钛气溶胶填充至光催化反应器中，以250W紫外光灯为光源，后以电晕放电的方式产生等离子体，构建得到等离子光催化体系；如图3所示。

3、甲醛废气的处理

将含量为5％的甲醛气体以5ml/min通过步骤2构建的等离子光催化体系中，调节等离子体电压为10kV，在反应器气体出口处，用气相色谱检测降解产物(主要为CO₂)，并采用外标法计算产物产量，可测得甲醛的降解率为90％。

实施例2：本发明所述铂担载的二氧化钛气溶胶对甲醛废气的处理

1、铂担载的二氧化钛气溶胶的制备：

(1)将2g聚乙烯吡咯烷酮溶解于50ml无水乙醇中，搅拌10min；

(2)将1g纤维素溶解于45ml无水乙醇中，搅拌25min，静置2天，得纤维素凝胶；

(3)将1g钛酸四丁酯和1.3ml氯铂酸(氯铂酸浓度为1g/100ml)溶解于步骤(1)得到的溶液50ml中，后向其中加入步骤(2)得到的纤维素凝胶0.5g，搅拌30min后，静置5h，转移至100ml高压反应釜中、150℃下反应15h，后干燥即得铂担载的二氧化钛气溶胶，其比表面积为561.3m²/g。

2、构建等离子光催化体系

将5g铂担载的二氧化钛气溶胶填充至光催化反应器中，以250W紫外光灯为光源，后以电晕放电的方式产生等离子体，构建得到等离子光催化体系；如图3所示。

3、甲醛废气的处理

将含量为5％的甲醛气体以5ml/min通过步骤2构建的等离子光催化体系中，调节等离子体电压为10kV，在反应器气体出口处，用气相色谱检测降解产物(主要为CO₂)，并采用外标法计算产物产量，可测得甲醛的降解率为98.2％；如图1所示。

实施例3：本发明所述铂担载的二氧化钛气溶胶对甲醛废气的处理

1、铂担载的二氧化钛气溶胶的制备：

(1)将2g聚乙烯吡咯烷酮溶解于50ml无水乙醇中，搅拌12min；

(2)将1g纤维素溶解于50ml无水乙醇中，搅拌35min，静置2天，得纤维素凝胶；

(3)将1g钛酸四丁酯和1.3ml氯铂酸(氯铂酸浓度为1g/100ml)溶解于步骤(1)得到的溶液50ml中，后向其中加入步骤(2)得到的纤维素凝胶0.5g，搅拌30min后，静置5h，转移至100ml高压反应釜中180℃下反应15h，后干燥即得铂担载的二氧化钛气溶胶，其比表面积为228.1m²/g。

2、构建等离子光催化体系

将5g铂担载的二氧化钛气溶胶填充至光催化反应器中，以250W紫外光灯为光源，后以电晕放电的方式产生等离子体，构建得到等离子光催化体系；如图3所示。

3、甲醛废气的处理

将含量为5％的甲醛气体以5ml/min通过步骤2构建的等离子光催化体系中，调节等离子体电压为10kV，在反应器气体出口处，用气相色谱检测降解产物(主要为CO₂)，并采用外标法计算产物产量，可测得甲醛的降解率为86％。

实施例4：本发明所述铂担载的二氧化钛气溶胶对甲醛废气的处理

1、铂担载的二氧化钛气溶胶的制备：

(1)将1g聚乙烯吡咯烷酮溶解于40ml无水乙醇中，搅拌10min；

(2)将0.8g纤维素溶解于45ml无水乙醇中，搅拌25min，静置3天，得纤维素凝胶；

(3)将1g钛酸四丁酯和1.3ml氯铂酸(氯铂酸浓度为1g/100ml)溶解于步骤(1)得到的溶液55ml中，后向其中加入步骤(2)得到的纤维素凝胶0.8g，搅拌25min后，静置4h，转移至100ml高压反应釜中120℃下反应12h，后干燥即得铂担载的二氧化钛气溶胶。

2、构建等离子光催化体系

将5g铂担载的二氧化钛气溶胶填充至光催化反应器中，以250W紫外光灯为光源，后以电晕放电的方式产生等离子体，构建得到等离子光催化体系；如图3所示。

3、甲醛废气的处理

将含量为5％的甲醛气体以5ml/min通过步骤2构建的等离子光催化体系中，调节等离子体电压为10kV，在反应器气体出口处，用气相色谱检测降解产物(主要为CO₂)，并采用外标法计算产物产量，可测得甲醛的降解率为93％。

实施例5：本发明所述铂担载的二氧化钛气溶胶对甲醛废气的处理

1、铂担载的二氧化钛气溶胶的制备：

(1)将5g聚乙烯吡咯烷酮溶解于65ml无水乙醇中，搅拌12min；

(2)将1.2g纤维素溶解于55ml无水乙醇中，搅拌35min，静置1天，得纤维素凝胶；

(3)将1g钛酸四丁酯和1.3ml氯铂酸(氯铂酸浓度为1g/100ml)溶解于步骤(1)得到的溶液50ml中，后向其中加入步骤(2)得到的纤维素凝胶0.5g，搅拌35min后，静置6h，转移至100ml高压反应釜中、180℃下反应16h，后干燥即得铂担载的二氧化钛气溶胶。

2、构建等离子光催化体系

将5g铂担载的二氧化钛气溶胶填充至光催化反应器中，以250W紫外光灯为光源，后以电晕放电的方式产生等离子体，构建得到等离子光催化体系；如图3所示。

3、甲醛废气的处理

将含量为5％的甲醛气体以5ml/min通过步骤2构建的等离子光催化体系中，调节等离子体电压为10kV，在反应器气体出口处，用气相色谱检测降解产物(主要为CO₂)，并采用外标法计算产物产量，可测得甲醛的降解率为87％。

实施例6：本发明所述铂担载的二氧化钛气溶胶对甲醛废气的处理

1、铂担载的二氧化钛气溶胶的制备：

(1)将2g聚乙烯吡咯烷酮溶解于50ml无水乙醇中，搅拌10min；

(2)将0.5g纤维素溶解于25ml无水乙醇中，搅拌30min，静置2天，得纤维素凝胶；

(3)将1g钛酸四丁酯和1.3ml氯铂酸(氯铂酸浓度为1g/100ml)溶解于步骤(1)得到的溶液50ml中，后向其中加入步骤(2)得到的纤维素凝胶0.5g，搅拌30min后，静置5h，转移至100ml高压反应釜中120℃下反应15h，后干燥即得铂担载的二氧化钛气溶胶。

2、构建等离子光催化体系

将5g铂担载的二氧化钛气溶胶填充至光催化反应器中，以250W紫外光灯为光源，后以电晕放电的方式产生等离子体，构建得到等离子光催化体系；如图3所示。

3、甲醛废气的处理

将含量为5％的甲醛气体以5ml/min通过步骤2构建的等离子光催化体系中，调节等离子体电压为5kV，在反应器气体出口处，用气相色谱检测降解产物(主要为CO₂)，并采用外标法计算产物产量，可测得甲醛的降解率为88％。

实施例7：本发明所述铂担载的二氧化钛气溶胶对甲醛废气的处理

1、铂担载的二氧化钛气溶胶的制备：

(1)将2g聚乙烯吡咯烷酮溶解于50ml无水乙醇中，搅拌10min；

(2)将0.5g纤维素溶解于25ml无水乙醇中，搅拌30min，静置2天，得纤维素凝胶；

(3)将1g钛酸四丁酯和1.3ml氯铂酸(氯铂酸浓度为1g/100ml)溶解于步骤(1)得到的溶液50ml中，后向其中加入步骤(2)得到的纤维素凝胶0.5g，搅拌30min后，静置5h，转移至100ml高压反应釜中120℃下反应15h，后干燥即得铂担载的二氧化钛气溶胶。

2、构建等离子光催化体系

将5g铂担载的二氧化钛气溶胶填充至光催化反应器中，以250W紫外光灯为光源，后以电晕放电的方式产生等离子体，构建得到等离子光催化体系；如图3所示。

3、甲醛废气的处理

将含量为5％的甲醛气体以5ml/min通过步骤2构建的等离子光催化体系中，调节等离子体电压为15kV，在反应器气体出口处，用气相色谱检测降解产物(主要为CO₂)，并采用外标法计算产物产量，可测得甲醛的降解率为88.1％。

实施例8：本发明所述铂担载的二氧化钛气溶胶对甲苯废气的处理

1、铂担载的二氧化钛气溶胶的制备：

(1)将2g聚乙烯吡咯烷酮溶解于50ml无水乙醇中，搅拌10min；

(2)将0.5g纤维素溶解于25ml无水乙醇中，搅拌30min，静置2天，得纤维素凝胶；

(3)将1g钛酸四丁酯和1.3ml氯铂酸(氯铂酸浓度为1g/100ml)溶解于步骤(1)得到的溶液50ml中，后向其中加入步骤(2)得到的纤维素凝胶0.5g，搅拌30min后，静置5h，转移至100ml高压反应釜中、150℃下反应15h，后干燥即得铂担载的二氧化钛气溶胶。

2、构建等离子光催化体系

将铂担载的二氧化钛气溶胶填充至光催化反应器中，以250W紫外光灯为光源，后以电晕放电的方式产生等离子体，构建得到等离子光催化体系；如图3所示。

3、甲醛废气的处理

将含量为1％的甲苯气体以5ml/min通过步骤2构建的等离子光催化体系中，调节等离子体电压为15kV，在反应器气体出口处，用气相色谱检测降解产物(主要为CO₂)，并采用外标法计算产物产量，可测得甲苯的降解率为75％。

对比例1：二氧化钛气溶胶对甲醛废气的处理

1、气溶胶的制备：

(1)将20ml丙酮与0.54ml乙酰丙酮混合；

(2)将6g钛酸四丁酯加入到步骤(1)得到的混合液中，并搅拌；

(3)将7.6ml丙酮加入到7.8ml氯铂酸(氯铂酸浓度为1g/100ml)中，并将其逐滴滴加到步骤(2)得到的混合液中；后静置24h后，将其转移到高压反应釜中140℃下反应15h；后冷却至室温，静置4h，然后依次在50℃下反应4h、80℃下反应2h以及120℃下反应2h，得到气溶胶，其比表面积为528.9m²/g。

2、构建等离子光催化体系

将铂担载的二氧化钛气溶胶填充至光催化反应器中，以250W紫外光灯为光源，后以电晕放电的方式产生等离子体，构建得到等离子光催化体系；如图3所示。

3、甲醛废气的处理

将含量为5％的甲醛气体以5ml/min通过步骤2构建的等离子光催化体系中，调节等离子体电压为15kV，在反应器气体出口处，用气相色谱检测降解产物(主要为CO₂)，并采用外标法计算产物产量，可测得甲醛的降解率为81％，如图2所示。

对比例2：铂担载的二氧化钛气溶胶对甲醛废气的处理

1、铂担载的二氧化钛气溶胶的制备：

(1)将2g聚乙烯吡咯烷酮溶解于50ml无水乙醇中，搅拌10min；

(2)将1g纤维素溶解于50ml无水乙醇中，搅拌30min，静置2天，得纤维素凝胶；

(3)将1g钛酸四丁酯和1.3ml氯铂酸(氯铂酸浓度为1g/100ml)溶解于步骤(1)得到的溶液50ml中，后向其中加入步骤(2)得到的纤维素凝胶2g，搅拌30min后，静置5h，转移至100ml高压反应釜中、150℃下反应15h，后干燥即得铂担载的二氧化钛气溶胶。

2、构建等离子光催化体系

将5g铂担载的二氧化钛气溶胶填充至光催化反应器中，以250W紫外光灯为光源，后以电晕放电的方式产生等离子体，构建得到等离子光催化体系；如图3所示。

3、甲醛废气的处理

将含量为5％的甲醛气体以5ml/min通过步骤2构建的等离子光催化体系中，调节等离子体电压为10kV，在反应器气体出口处，用气相色谱检测降解产物(主要为CO₂)，并采用外标法计算产物产量，可测得甲醛的降解率为40％。

对比例3：铂担载的二氧化钛气溶胶对甲醛废气的处理

1、铂担载的二氧化钛气溶胶的制备：

(1)将2g聚乙烯吡咯烷酮溶解于50ml无水乙醇中，搅拌10min；

(2)将1g纤维素溶解于50ml无水乙醇中，搅拌30min，静置2天，得纤维素凝胶；

(3)将1g钛酸四丁酯和1.3ml氯铂酸(氯铂酸浓度为1g/100ml)溶解于步骤(1)得到的溶液50ml中，后向其中加入步骤(2)得到的纤维素凝胶0.05g，搅拌30min后，静置5h，转移至100ml高压反应釜中、150℃下反应15h，后干燥即得铂担载的二氧化钛气溶胶。

2、构建等离子光催化体系

将5g铂担载的二氧化钛气溶胶填充至光催化反应器中，以250W紫外光灯为光源，后以电晕放电的方式产生等离子体，构建得到等离子光催化体系；如图3所示。

3、甲醛废气的处理

将含量为5％的甲醛气体以5ml/min通过步骤2构建的等离子光催化体系中，调节等离子体电压为10kV，在反应器气体出口处，用气相色谱检测降解产物(主要为CO₂)，并采用外标法计算产物产量，可测得甲醛的降解率为29％。

对比例4：铂担载的二氧化钛粉末对甲醛废气的处理

1、铂担载的二氧化钛粉末的制备：

(1)将1g钛酸四丁酯和1.3ml氯铂酸(氯铂酸浓度为1g/100ml)溶解于50ml水溶液中，搅拌30min后，转移至100ml高压反应釜中150℃下反应15h，后干燥即得铂担载的二氧化钛气溶胶。

(2)将5g步骤(1)制备的TiO₂粉末与100ml水混合，超声1h，然后将其旋涂到玻璃片上(宽度2-5cm，与反应器的尺寸相符)，在红外灯下烘干，得TiO₂粉末涂板。

2、构建等离子光催化体系

将TiO2粉末涂板放置到光催化反应器中，以250W紫外光灯为光源，后以电晕放电的方式产生等离子体，构建得到等离子光催化体系；如图3所示。

3、甲醛废气的处理

将含量为5％的甲醛气体以5ml/min通过步骤2构建的等离子光催化体系中，调节等离子体电压为10kV，在反应器气体出口处，用气相色谱检测降解产物(主要为CO₂)，并采用外标法计算产物产量，可测得甲醛的降解率为70.1％，如图1所示。

以上对本发明具体实施方式的描述并不限制本发明，本领域技术人员可以根据本发明作出各种改变或变形，只要不脱离本发明的精神，均应属于本发明所附权利要求的范围。