Исследование свойств фотокаталитических нанопокрытий TiO 2 по очистке воздуха от паров органических растворителей

Цель исследования: определить способность нанопокрытий TO 2 обезвреживать и дезодорировать воздух от вредных химических веществ.

Установлено, что при ультрафиолетовом (УФ) облучении TiO 2 абсорбция фотона с энергией больше, чем ширина запрещенной зоны, приводит к образованию устойчивой пары «электрон-дырка», которая называется «экситоном». Хотя экситон состоит из электрона и дырки, он является самостоятельной элементарной (не сводимой) частицей в случаях, когда энергия взаимодействия электрона и дырки имеет тот же порядок, что и энергия их движения, а энергия взаимодействия между двумя экситонами мала по сравнению с энергией каждого из них. Экситон можно считать элементарной квазичастицей в тех явлениях, в которых он выступает как целое образование, не подвергающееся воздействиям, способным его разрушить.

Электрон и дырка - достаточно подвижные образования и, двигаясь в частице полупроводника, часть из них рекомбинирует, а часть выходит на поверхность и захватывается ею. Схематически происходящие процессы показаны на рисунке 1 [1].

Рисунок 1 - Схема фотокатализа

Таким образом, инициирование фотокаталитического окисления можно представить следующим образом:

TiO2 + hν →e- + h+

При наличии паров воды в воздухе возможны следующие реакции, приводящие к образованию гидроксильных и пероксидных радикалов:

Ti4+…ОН- + e- + h+→ Ti3 +ОН,

Ti³⁺ + О 2 → Ti⁴ +О 2 ^- → Ti⁴… О 2 ^-,

Ti4+…О2 + Н2О→ Ti4 …ОН- + НО2 ·

Дырки также способны образовывать свободные радикалы по реакциям с водой или адсорбированными на поверхности катализатора органическими соединениями [2]:

Н2O + h+→ ОН∙ +Н+, RН + h+→ R· +Н+.

При отсутствии воды активные частицы образуются при взаимодействии органических соединений и дырок и помощи следующих реакций и приводят к образованию О 2 ^- , О 3 ^- О^- и атомарного кислорода [3]:

O 2 + e^- → О 2 ^-,

О 2 ^- + h⁺→2О,

О+ e- → О-,

О^- + O 2 → О 3 ^-.

Продукты фотокаталитического окисления для многих органических соединений идентичны продуктам их радикально цепного окисления. Поэтому можно предположить, что реакции продолжения цепи и превращения свободных радикалов при фотокаталитическом окислении аналогичны хорошо изученным реакциям радикально цепного окисления.

ГАЗОВОХРОМАТОГРАФИЧЕСКОЕ ИЗМЕРЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИЙ ЭТИЛАЦЕТАТА, АЦЕТОНА, ТОЛУОЛА, КСИЛОЛА, БУТИЛАЦЕТАТА, ГЕКСАНА В ВОЗДУХЕ РАБОЧЕЙ ЗОНЫ

Использованные материалы:

– опытные образцы стекол с нанопокрытием из диоксида титана;

– камера из стекла с внутренним покрытием из диоксида титана объемом 0,025 м3;

– ультрафиолетовая лампа (УФ лампа) мощностью 10 Вт;

– стандартная смесь химических веществ для хроматографии ХЧ (гексан, ацетон, этилацетат, бензол, толуол, бутилацетат, м-ксилол);

– аммиак 30 %.

Исследования проводились согласно:

– санитарным нормам, правилам и гигиеническим нормативам N 240 от 31.12.2008 «Перечень регламентированных в воздухе рабочей зоны вредных веществ»;

– инструкции 4.1.11–11.33.2003 «Газовохроматографическое   измерение концентраций этилацетата, ацетона, толуола, ксилола в воздухе рабочей зоны»;

– методическим указаниям по газовохроматографическим измерениям ацетона, бензола, толуола, м-ксилола, бутилацетата, гексана № 4168 – 86, 4201 – 86, 4167 – 86.

Цель исследования: определить способность нанопокрытий из диоксида титана обезвреживать и дезодорировать воздух от вредных химических веществ.

Таблица 1 – Оборудование и средства измерений, применяемые при проведении испытаний

Наименование оборудования	Зав. №	Дата очередной проверки (аттестации)
Газовый хроматограф Тип СИ цвет 800 с ПИД	195	24.10.2013.
Прибор «Драгер» Тип СИ Хаm-5000	AZRK-0955	19.11.2013.

а

б

Рисунок 2 – Газовый хроматограф Тип СИ цвет 800 с ПИД а – общий вид; б – устройство ввода

а

б

Рисунок 3 – Прибор «Драгер» Тип СИ Хаm-5000 (а) и образцы стандартных смесей химических веществ для хроматографии ХЧ (гексан, ацетон, этилацетат, бензол, толуол, бутилацетат, м-ксилол) (б)

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

• 1.    Для создания исходных концентраций загрязнителей в герметичной камере разбрызгивали 0,3 см³ аммиака, 0,1 или 0,25 см³ смеси химических веществ для хроматографии (гексан, ацетон, этилацетат, бензол, толуол, бутилацетат и м-ксилол).

• 2.    Проводили эксперимент в герметичной камере без предварительного облучения стекол УФ лампой (опыт № 1); при облучении стекол и камеры УФ лампой в течение всего эксперимента (опыт № 2).

3. Запах веществ определяли органолептически.

Опытная установка показана на рисунках 4 и 5.

Рисунок 4 – Ввод химических веществ в камеру при помощи шприца

Рисунок 5 – Ввод химических веществ в камеру при помощи распылителя

Результаты исследования опытов представлены в таблицах 2, 3 и на рисунке 6.

Таблица 2 – Содержание аммиака, мг/м3 в воздухе камеры

Опыт	Экспозиция
	До эксперимента	5 мин	10 мин	12 мин	15 мин	20 мин	25 мин	30 мин
№ 1	60	52	47	45	40	33	29	20
№ 2	60	35	25	20

Таблица 3 – Концентрация (мг/м3) и запах (баллы) вредных химических веществ в воздухе в камере

Опыт	Экспозиция	Химические вещества
		Гексан	Ацетон	Этилацетат	Бензол	Толуол	Бутилацетат	М-кси-лол	Запах
№ 1	До эксперимента	126,1	116,5	155,5	111,3	311,7	332,9	310,9	5
	1 ч	56,3	51,3	62,1	59,9	128,1	128,3	118,1	5
	1,5 ч	43,6	38,5	44,9	39,3	69,9	76,7	85,9	4
№ 2	До эксперимента	255,04	262,6	329,1	209,5	614,6	605,2	610,9	5
	1 ч	73,4	73,2	89,7	58,9	174,3	149,4	150,7	3
	1,5 ч	37,1	38,9	41,7	33,1	99,3	86,3	87,9	1
№ 3	До эксперимента	34,6	31,1	47,9	27,2	86,3	74,8	73,2	5
	1 ч	8,6	10,8	18,9	16,3	18,3	8,8	9,5	3
	1,5 ч	6,3	12,1	8,3	6,3	17,03	14,04	6,8	1

Рисунок 6 – Диаграмма изменения концентрации вредных химических веществ в воздухе в камере относительно контрольных замеров без облучения

ВЫВОДЫ

• 1.    Без предварительного облучения опытных стекол УФ лампой концентрация аммиака снижается в 3 раза за 30 мин, гексана – в 2,2 раза за 1 ч, в 2,9 раза за 1,5 ч, ацетона – в 2,2 раза за 1 ч, в 3,05 раза за 1,5 ч, этилацетата – в 2,5 раза за 1 ч, в 3,5 раза за 1,5 ч, бензола – в 1,9 раза за 1 ч, в 2,8 раза за 1,5 ч, толуола – в 2,4 раза за 1 ч, в 4,5 раз за 1,5 ч, бутилацетата – в 2,5 раза за 1 ч, 4,3 раза за 1,5 ч, м-ксилола – в 2,6 раза за 1 ч, в 3,6 раза за 1,5 ч, запах всех исследуемых химических веществ остается в течение всего эксперимента.

• 2.    При непрерывном облучении УФ лампой опытных поверхностей с нанопокрытием из диоксида титана концентрация аммиака снижается в среднем в 3 раза за 12 мин, гексана – в 4 раза за 1 ч, в 6 раз за 1,5 ч, ацетона – в 3 раза за 1 ч, в 5,5 раза за 1,5 ч, этилацетата – в 5 раз за 1 ч, в 7 раз за 1,5 ч, бензола – в 3 раза за 1 ч, в 5 раз за 1,5 ч, толуола – в 4 раза за 1 ч, в 5,5 раза за 1,5 ч, бутилацетата – в 6,5 раза за 1 ч, 6 раз за 1,5 ч, м-ксилола – в 4 раза за 1 ч, в 9,5 раз за 1,5 ч, запах всех исследуемых химических веществ остается в течение 1,5 ч.

• 3.    Таким образом, при непрерывном облучении УФ лампой опытных поверхностей с нанопокрытием из диоксида титана концентрация аммиака, гексана, ацетона, этилацетата, бензола, толуола, бутилацетата и м-ксилола снижается в среднем в 2 раза быстрее, чем без предварительного облучения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Опытные поверхности с нанопокрытием из диоксида титана при непрерывном облучении их ультрафиолетовой лампой обладают способностью дезодорировать и обезвреживать воздух от вредных химических веществ.