室内空气byLJ-12.ppt

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1、1,第七讲 室内空气污染治理 空气净化技术,2,如果前期的污染源失控而污染物浓度较高且污染物散发难以切断，此时要采用空气净化技术来去除室内空气污染物,3,第一节 室内空气净化技术,空气过滤,固体吸附,去除空气中的固体颗粒物,吸附空气中的大部分气体污染物,光催化技术,降解室内空气中的VOCs,4,第三节 光催化法去除室内空气污染物 一、纳米光催化降解VOCs的原理和特点 1972年Fujishima和Honda在Nature上发表了重要论文发现了在TiO2单晶体表面上光催化分解水的现象，这标志着多相光催化反应研究的开始。近年来，使用纳米半导体光催化材料消除空气中VOCs的研究和应用获得广泛关注！

2、 *A, Honda K. Electrochemical photolysis of water at a semiconductor electrode. Nature, 1972, 238: 37-38,5,1、原理 光催化反应降解VOCs的本质是在光电转换中进行氧化还原反应。 根据半导体的电子结构，当半导体（光催化剂）吸收一个能量大于其带隙能（Eg）的光子时，电子（e-）会从充满的价带跃迁到空的导带，而在价带留下带正电的空穴（h+）。价带空穴具有强氧化性，而导带电子具有强还原性，它们可以直接与反应物作用，还可以与吸附在光催化剂上的其他电子给体和受体反应。例如空穴可以使H2O氧化，电子使

3、空气中的O2还原。,6,TiO2光催化降解VOCs反应原理图,7,2、反应式,8,3、特点 由于存在尺寸效应，半导体纳米超细微粒产生了一些与块体半导体不同的物理化学特性，因而可以显著提高其光催化效率。纳米材料的具体优点如下： (1)超细微粒的尺寸量子效应会导致其吸收光谱的吸 收带边蓝移和提高催化剂光催化活性。 (2)纳米材料粒径通常小于空间电荷层的厚度，使电 子从内部扩散到表面的时间减少，提高了光致电荷 分离效率。 (3)纳米材料尺寸很小，比表面积很大，增强了半导 体光催化剂吸附有机污染物的能力。,9,二、光催化降解VOCs研究涉及方面,10,光催化剂 光催化剂多为金属氧化物或硫化物，实用性较

4、好的有TiO2和ZnO，其中TiO2的综合性能最好，其光催化活性高（高于ZnO），化学性质稳定、氧化还原性强、抗光阴极腐蚀性强、难溶、无毒且成本低，是研究应用中采用最广泛的单一化合物光催化剂。 VOCs种类 ASHRAE研究项目报告统计：目前已经有近60种有机化合物已经进行过气固相光催化反应研究，其中43种为在室内环境中常见的有机化合物。,11,两种不同光源下的VOC转化率,12,三、光催化反应器VOC降解数理模型 光催化反应器VOC降解性能强化和结构优化设计对于光催化空气净化技术的应用至关重要，而光催化反应器VOC降解数理模型是开展以上工作的基础！,13,1、光催化反应器VOC降解的物理化学

5、机制 光催化反应器中VOC降解属于多相催化反应，是气相反应物（VOC）与固相光催化剂（通常为TiO2）表面接触时发生在两相界面上的一种反应。反应可分为以下几个过程： (1)受浓度差的驱动，VOC由流体相附着到固体催化 剂表面； (2)VOC在表面活性位上被吸附； (3)被吸附的VOC分子在表面上进行光催化反应； (4)反应产物从催化剂表面脱附； (5)产物从固体催化剂外表面进入流动相。,14,2、光催化反应器VOC降解数理模型 以下为几种常见光催化反应器的结构示意图，包括平板反应器、蜂窝状反应器和管状反应器。,平板反应器,15,蜂窝状反应器,16,管状反应器,17,以上三种形式的反应器，可概括

6、为如下形式：,通用光催化反应器示意图：（a）反应器通道坐标系；（b）过流截面微元的质量平衡,18,模型假设： 为突出物理本质并简化问题，假设：（1）仅有一种VOC参与表面光催化反应；（2）沿流动方向反应器截面相同。 光催化反应器的传质方程： 边界条件:,19,式中：G为空气体积流量，m3/s；z为沿空气流动方向距进口的距离，m；为沿反应器截面周向距原点的距离，m；L为反应器通道长度，m；L是沿反应器截面周向反应面的周长，m；C(z)、Cs(z, )分别为截面z处VOC的平均摩尔浓度和在(z, )坐标处贴近反应表面空气层VOC的摩尔浓度，mol/m3，Cin为反应器进口处VOC的摩尔浓度，mol

7、/m3；r(z, )为当地光催化反应速率，mol/m2s；Kapp(z, )为当地表观反应系数，m/s；hm(z, )为当地对流传质系数，m/s。,20,根据光催化反应器VOC降解的物理化学机制推导，可得在单分子和双分子反应时当地表观反应系数Kapp(z, )的表达式分别为： 由光催化材料、被降解VOC、当地紫外光强度I(z, )、Cs(z, )和水蒸气浓度Cw等参数共同决定。,21,进一步，解得： 定义当地总降解系数Kt(z, )为： 该式代入光催化反应器传质方程，积分可得： 式中：Cout为反应器出口处VOC的摩尔浓度，mol/m3。,22,定义总降解系数Kt为： 式中：Ar为反应面积，m

8、2 于是，得到：,23,参考换热器性能计算的 -NTU法中传热单元数NTU的定义，定义了光催化反应器的传质单元数NTUm如下： 光催化反应器的VOC转化率可表示为： 采用传质单元数NTUm，反应器转化率 可表示为：,24,反应器VOC降解速率 可表示如下： G、Cin、和NTUm是影响反应器VOC降解性能的重要因素 ！,25,评价光催化反应器VOC降解性能的四个关键参数,26,说明： 实际工况下，空气中同时存在多种VOCs而非单一的VOC，由于空气中VOCs的含量很低，而且对流传质效果远大于不同VOCs之间的扩散效果，因此本数理模型也可扩展到多组分VOCs的光催化降解过程，只是方程中当地表观反

9、应系数和当地对流传质系数分别针对不同种类的VOC。 从其物理化学过程可知，此数理模型不只限于光催化反应器VOC降解过程，可适用于所有满足模型假设条件的气固或液固多相反应过程，对于评价和优化设计这些过程中使用的反应器同样具有指导意义。,27,四、光催化降解VOCs实验,28,29,为了研究不同紫外光源对平板反应器降解VOC的性能影响，分别使用两根平行的黑光灯（主波长365 nm）和杀菌灯（主波长254 nm）作为紫外光源，对其进行测试。,30,31,32,比较杀菌灯与黑光灯，相同距离下杀菌灯在反应表面产生的光强较高，其发光效率较高，而且相同光强下其光催化效果更好，因此更适合作为光催化反应器的光源

10、。,33,五、光催化反应器设计研究 光催化反应器设计对于光催化空气净化技术的应用至关重要，性能优异的光催化材料应用于结构优化的反应器中才能物尽其用，实现高效降解VOCs的目的。光催化反应器设计包括两部分，选型和尺寸优化设计。 1、常见光催化反应器 常见的光催化反应器包括平板、管状和蜂窝状反应器。其中平板反应器具有空气流量小，反应条件易于控制（如反应表面光强均匀且易于调节）等特点，因此适合于进行光催化反应动力学等基础研究，而不适用于空气净化领域。而管状和蜂窝状反应器可用于处理空气流量较大的工况，实用性较好，,34,2、管状光催化反应器特点分析 管状反应器根据其外管形状的不同可有多种形式，如圆管状

11、和 方管状； 结构都为光源内置式，光源置于反应器中央照射反应表面，光 源利用率高，反应条件好； 但通常由于反应器的外管壁与灯管之间间隙较大，空气旁通量 大，传质特性差，反应器的性能受到一定限制； 通过缩小外管直径或增加肋片的方式可强化传质从而增强反应 器性能，但同时也会增加反应器的阻力能耗，因此管状反应器 的设计存在性能和能耗的平衡问题； 管状反应器通常适用于空气流通截面不大而沿空气流动方向空 间较大的场合，这样可为置于反应器内部的紫外灯管提供足够 的空间； 管状反应器可通过多个并联方式提高其空气处理量，但同时也 会增加光源使用数量从而增加能耗。,35,3、蜂窝状光催化反应器特点分析 蜂窝状反

12、应器根据其蜂窝通道形状的不同可有多种不同形式，如方形、三角形和六边形等，但其结构都为光源外置式，所谓外置是指光源位于反应器通道之外。蜂窝反应器中尤以方形蜂窝状反应器使用最为广泛。蜂窝状反应器结构紧凑，流动阻力小，传质特性好，但是由于其光源外置，反应表面的辐照条件很差。,36,4、新型光催化反应器设想 由以上分析结果可知，管状反应器传质特性差，但其反应特性较好；蜂窝状反应器虽然结构紧凑传质特性好，但其反应特性不佳。管状和蜂窝状反应器的主要差异在于光源的摆放位置。管状反应器选择光源内置以优化反应特性；蜂窝状反应器选择光源外置以优化结构和传质特性。 如果存在一种理想光源，其直径很小，这样便可将其放入

13、蜂窝状反应器内，而此时管状反应器的管径可进一步缩小，最终两种反应器将实现结构统一，都为光源内置式光催化反应器。如果存在这种理想光源，便可结合两种反应器的优势，设计一种较为理想的光催化反应器结构形式。,37,解决途径： 为了实现结构紧凑的紫外面光源可将发光二极管（LED，Light-emitting diode）作为点光源单元组成大面积阵列从而构成面光源。 新型面光源蜂窝状反应器兼具结构紧凑以及反应和传质特性好的优点，是一种较为理想的反应器结构形式。还可充分利用传质入口段效应强化传质：将一段较长的蜂窝状反应器分为若干小段，各间隔一定距离，然后顺序连接，这样每小段都可利用传质入口段效应实现传质强化

14、。,38,5、光催化反应器尺寸优化设计思路 光催化反应器的类型确定后，其尺寸优化设计也十分重要。 通常在给定条件下，如VOCs种类（如甲醛、甲苯或其他污染物）、污染物进口浓度Cin、水蒸气浓度Cw，空气流量G、反应器迎风面积Ac、光源能耗I和光催化材料M，综合考虑性能和能耗，要求反应器的转化率不低于给定值min，阻力损耗P不超过给定值 Pmax的范围，设计出满足应用需要的最佳反应器尺寸。 对于蜂窝状反应器此尺寸为孔径d和长度L；而对于管状反应器通常反应器长度L由灯管长度决定，此尺寸则为管径d和肋片数n。,39,基于前述理论与实验研究，提出了如下光催化反应器尺寸优化设计思路： (1)对于给定形式

15、的光催化反应器，通过以min做为理想反应转化率ir确定出反应器尺寸范围的下限，在此下限之上的反应器才可能满足性能要求； (2)通过Pmax确定反应器尺寸范围的上限，在此上限内反应器阻力损耗才满足能耗要求； (3)取（1）、（2）步骤中得到的尺寸范围交集（若不存在此交集则无法设计满足该条件的反应器结构），确定可满足min的最佳尺寸。若在此范围内都无满足min的尺寸，则需考虑使用性能更好的光催化材料或改善反应条件（如提高光源能耗）以满足min，也可考虑降低min或增大Pmax以获得合适的尺寸。,40,41,本部分科研工作者杨瑞特长与爱好： 网球： 2005年北京市高校网球公开赛男团亚军主力队员； 2004年北京市高校网球公开赛男单第3名，男双亚军； 中国象棋： 1999年清华大学马约翰 杯中国象棋赛乙组冠军。 围棋： 国家围棋业余四段。,42,感谢同学们对本课程的选修！ 恳请对该课程的讲授内容、讲授方式提出建设性建议！ 可以面对面交流，亦可by email！,