TiO?-Pt涂层的炭微球作为流化床反应器中高效去除乙醛的光催化载体

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：TiO 2-Pt Coated Cenospheres as Efficient Photocatalytic Bed for Acetaldehyde Removal in the Fluidized Bed Reactor

TiO?涂覆 cenospheres 流体床反应器在UV-LED辐照下高效降解乙醛，Pt纳米颗粒修饰及120°C高温可提升降解率至90%以上，并增强矿化效率。

　　在当今社会，随着工业发展和城市化进程的加快，挥发性有机化合物（VOCs）的排放问题日益严重。这些化合物不仅影响空气质量，还对人类健康构成威胁。因此，开发高效、可持续的VOCs去除技术成为研究的重要方向之一。本文围绕一种新型的去除方法展开，即结合流化床反应器和光催化技术，使用涂覆二氧化钛（TiO?）的煤灰球体（cenospheres）作为载体，进一步引入铂（Pt）纳米颗粒以提升催化效率。通过实验，研究者探讨了在不同气体流速和温度条件下，这种新型材料对乙醛（acetaldehyde）的去除效果，以及其在实际应用中的潜力。

乙醛是一种常见的VOCs，广泛存在于室内空气中，对人类健康有显著影响。它不仅具有毒性，还可能引发呼吸道疾病、神经系统损伤等问题。因此，找到一种有效的方法来去除乙醛至关重要。传统的固定床反应器虽然在某些情况下能够实现一定的去除效果，但由于其结构限制，导致污染物与催化剂之间的接触不充分，从而影响整体反应效率。相比之下，流化床反应器因其良好的混合性能、热传递效率以及催化剂与反应气体和光的均匀接触，被认为是一种更为理想的装置。

本文的研究重点在于通过流化床反应器实现对乙醛的高效去除，同时结合光催化技术。选择煤灰球体作为支持材料，是因为它们具有轻质、多孔和良好的热稳定性等优点，特别适合在高温条件下使用。此外，煤灰球体的低密度特性也使得其在流化床操作中表现出色，能够在较低的气体流速下实现充分的停留时间，从而提高反应效率。TiO?作为一种广泛应用的光催化剂，其在光照射下能够分解有机污染物，产生无害的产物如二氧化碳（CO?）和水（H?O）。然而，TiO?的光响应主要集中在紫外光（UV）区域，这限制了其在自然光条件下的应用。因此，研究者通过引入Pt纳米颗粒，旨在增强TiO?的可见光活性，并提高其对乙醛的去除效率。

在实验中，研究者采用磁控溅射法将Pt纳米颗粒沉积在TiO?涂层的煤灰球体表面，实现了一种复合材料的制备。Pt的沉积过程经过五次循环，最终达到约0.23 wt%的负载量。这种负载量虽然较低，但对光催化性能的提升具有显著效果。研究者在连续流动反应器中测试了这种材料对乙醛的降解性能，气体流速范围从80到560 ml/min。实验结果显示，在较低的气体流速下，TiO?涂层的煤灰球体表现出较高的乙醛分解效率，达到99.6%。然而，随着气体流速的增加，分解效率有所下降，降至70-90%。相比之下，Pt修饰的复合材料在更高的气体流速下（400-560 ml/min）表现出更优的分解性能，提升约10%。此外，实验还发现，提高反应温度（例如120°C）能够进一步提升分解效率，增加约8%。这说明，在特定条件下，Pt的引入和温度的升高对乙醛的去除具有协同效应。

为了验证这些材料的性能，研究者还进行了CO?生成量的测量，以评估其矿化效率。结果表明，Pt/TiO?涂层的煤灰球体表现出更高的矿化效率，这进一步支持了其在VOCs去除中的应用价值。此外，研究者还对制备的光催化床进行了连续四次的乙醛降解测试，发现其在多次循环后仍能保持较高的活性，这表明该材料具有良好的稳定性和重复使用性。这些结果不仅为VOCs的去除提供了新的思路，也为未来开发更高效的光催化材料奠定了基础。

在材料制备方面，研究者选择了粒径在0.3到0.4 mm之间的煤灰球体作为基础材料，并通过水溶液中的TiO?沉积工艺对其表面进行涂覆。TiO?主要由金红石相组成，金红石相的光催化活性较高，同时其在光照射下能够产生电子-空穴对，从而促进氧化反应。通过扫描电子显微镜（SEM）和能量色散光谱（EDS）分析，研究者观察到TiO?涂层呈现出连续但不均匀的分布，具有粗糙和颗粒状的形态。Pt纳米颗粒的沉积使得其在TiO?表面均匀分布，这为光催化反应提供了更多的活性位点。同时，Pt的引入不仅增强了TiO?的可见光活性，还提高了电子-空穴对的分离效率，从而减少光生载流子的复合，提升光催化反应的整体效率。

从应用角度来看，本文的研究具有重要的实际意义。首先，通过将TiO?和Pt纳米颗粒结合在煤灰球体表面，研究者开发了一种新型的光催化材料，这种材料不仅具有良好的物理和化学性能，还能在动态流条件下实现高效的VOCs去除。其次，研究者通过调整气体流速和温度，探索了最佳的操作条件，为实际应用提供了指导。例如，在气体流速为480 ml/min时，Pt/TiO?涂层的煤灰球体表现出超过90%的乙醛分解效率，这表明该材料在高流速条件下仍具有较强的催化能力。此外，提高温度至120°C，进一步提升了分解效率，这说明在特定温度条件下，Pt的催化性能可以得到显著增强。

综上所述，本文的研究为VOCs的去除提供了一种新的解决方案。通过结合流化床反应器和光催化技术，使用涂覆TiO?和Pt纳米颗粒的煤灰球体作为载体，研究者成功开发了一种高效、稳定的光催化材料。这种材料在不同气体流速和温度条件下表现出良好的性能，特别是在高流速和高温条件下，其催化效率得到了显著提升。此外，材料的重复使用性也得到了验证，这表明其在实际应用中具有较高的可行性。未来，随着光催化技术的不断发展，以及新型材料的不断探索，这种结合流化床反应器和光催化技术的方法有望在更广泛的领域得到应用，为改善空气质量、保护人类健康提供有力支持。