光催化净化器

光催化反应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（E_g）的光子时，电子（e^-）会从价帯跃迁到导带上，而在价带上留下带正电的空穴（e^-）。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。例如空穴可以使氧化，电子使空气中的O₂还原，生成H₂O₂、·OH基团和・H₂O，这些基团的氧化能力都很强，能有效地将有机污染物氧化，最终将其分解为CO₂、H₂O，达到消除VOCs的目的。

一般采用纳米半导体粒子为光催化剂，这是因为：①通过量子尺寸限域造成吸收边的蓝移；②与体材料相比，量子阱中的热载流子冷却速度下降，量子效率提高；③纳米TiO₂所具有的量子尺寸效应使其导电和价电能级变成分立的能级，能隙变宽，导电电位变得更负，而价电电位变得更正，这些使其具备了更强的氧化还原能力，从而催化活性大大提高；④纳米粒子比表面积大，使粒子具有更强的吸附有机物的能力，这对催化反应十分有利，粒径越小，电子与空穴复合几率越小，电荷分离效果越好，从而提高催化活性。

光催化反应器形式为：流化床型、固定床型和蜂窝结构型等。固定床具有较大连续表面积的载体，将催化剂负载其上，流动相流过表面发生反应。流化床多适合于颗粒状载体，负载后仍能随流动相发生翻滚、迁移等，但载体颗粒较TiO₂纳米粒子大得多，易与反应物分离，可用滤片将其封存在光催化反应器中而实现连续化处理。蜂窝状反应器流动阻力小，最有应用前景，当前市售的纳米光催化反应器多为此种形式。

当前，制约光催化获得大规模应用的瓶颈问题是：①会产生有害副产物；②性能会衰减较快—俗称材料“中毒”或老化；③光催化净化效率不高；④耗能较高。

由于光催化发生的条件是：h_v≥E_g，h是普朗克常数，为6.626 ×10^-27J·s，v是辐射光频率，E_g是半导体材料价带和导带之间的能级差。可见，较高频率的辐射易产生催化反应。对TiO₂，E_g =3.2eV，因此，一般在紫外线光照射下光催化反应才能进行。

光催化反应器中采用的光源多为中压或低压汞灯。如前所述，紫外光谱分为UVA（315～400nm）、UVB（280～315nm）和UVC（100～280nm）。杀菌紫外灯波长一般在UVC波段，特别在254nm。在应用中采用所谓黑光灯（black light lamp）和黑光蓝灯（blacklightbluelamp）效果较好，其辐射波长在UVA波段。185nm以下的辐射会产生臭氧，而上述两种灯的辐射在240nm以上，故不会产生臭氧。

图1为实验所用的光催化净化器，光催化反应器位于实验台上，反应器尺寸60cm×25cm×30cm，其左端为进气口，连接甲醛气体进入，右端为排气口，实验时，甲醛溶液在其左侧甲醛挥发箱挥发得到甲醛气体，经进气管进入环境测试舱，再经反应器净化，由排气管排出净化后的气体，其中通过改变实验中测试的实验因素，分析反应器对甲醛的净化效率，得出实验结论。

1个1m×0.5m×1m的环境测试舱，其前端采用透明材料作为可视窗口。光催化反应器位于舱内的实验台上，其进出口均暴露于舱内空气中。左侧为甲醛挥发箱，用注射器准确抽取少量的甲醛溶液，迅速将其滴入到固定在挥发箱底部纸杯里的棉花团上，快速将挥发箱的盖子盖好，已知甲醛挥发箱采用水封的作用，密闭性良好；在甲醛挥发箱的一侧底部安装有一根通气管与环境测试舱连通且管道上设有1个三通阀，一端进空气、一端进甲醛气体，两端可同时开启，即可使气体混合进入环境测试舱内，根据环境测试舱内甲醛测试仪的浓度显示来调节通入的空气和甲醛气体的量，以调节环境测试舱内甲醛气体浓度；可开启密闭舱内的小功率电磁式空气压缩机将甲醛气体和空气抽入环境测试舱内，舱内放置一个小型风扇，用于均匀混合舱内空气，在实验开始前一段时间内，风扇开启，当舱内气体混合均匀、甲醛测试仪读数稳定时再开启净化反应器进行实验，以保证检测到舱内甲醛浓度的准确性。

测试舱所有出口处均采用泡沫、胶布等进行密封。实验结束后，利用大功率的电磁式空气压缩机将环境测试舱内的甲醛气体抽到准备好的水溶液中，将其溶解，以免其扩散到空气中，对人体造成伤害。