5-8  纳米TiO₂薄膜光催化氧化SO₂研究

钟志京  龙素群

SO₂是造成酸雨危害主要一种主要大气污染物，已引起公众特别是环境保护工作者的广泛关注。目前，一般采用催化燃烧、化学氧化和吸附等方法对SO₂加以去除，但都还存在一定局限性，如设备投资及运行费用较高，去除不完全及有二次污染等，因此开发新型实用的环保技术是非常必要的。半导体纳米膜光催化氧化法在这方面有着突出的优点，成为近年来人们研究的热点。

采用旋转涂膜烧结法在单面抛光硅片上制备得到了固定相纳米TiO₂薄膜，并在石英光催化反应器上对SO₂的紫外光光催化氧化行为进行了研究。实验条件为：光源为300 W高压汞灯，稳定光照时l_p=365 nm和254 nm，透过石英管至TiO₂薄膜表面紫外光的照射强度分别为2.02，0.68´100 mW×cm^-2，SO₂标准气体的体积分数为3´10^-3，充入高纯氧气作气氛，AFM测得纳米TiO₂薄膜的平均膜厚约为4 nm，粒径主要集中在f20 nm。光照前先将光催化反应器石英管抽真空，然后再向石英管内充入SO₂反应气和O₂，管内平衡至一个大气压。紫外光照射开始后，每隔20 min取样一次，用气相色谱法测定SO₂浓度变化；光照实验结束后，用离子色谱法分析了生成于膜片表面的产物洗脱液中的SO₄^2-离子浓度，并用pH计测定了洗脱液的pH值。实验结果表明，当有纳米TiO₂薄膜存在且所充入O₂的初始浓度为37%时，SO₂浓度随光照时间快速降低，照射120 min可使SO₂浓度降低90%以上，显示纳米TiO₂薄膜在紫外光光照下能将SO₂快速光催化氧化去除。另一方面的对比实验显示，当仅有纳米TiO₂薄膜而无O₂存在或仅有O₂而无纳米TiO₂薄膜存在时进行光照，发现SO₂浓度随光照时间缓慢降低，表明O₂的存在对纳米TiO₂薄膜紫外光光催化氧化SO₂起着十分重要的作用。

进一步研究发现，光催化氧化反应实验完成后，纳米TiO₂薄膜硅片表面生成有一层黏液。硅片纳米TiO₂薄膜表面液体的蒸馏水洗脱液，经过滤后定容100 mL分析，IC测定得到仅一个极强的谱峰，经标样比对确认为SO₄^2-谱峰，将溶液稀释20倍后再测，最后测得SO₄^2-的浓度为92.16 mg/L，而对比分析蒸馏水空白中SO₄^2-的浓度仅为0.149 mg/L。取定容100 mL的溶液适量进行测pH测定，测得pH值为2.975，对比蒸馏水空白的pH值为6.942。这一结果充分证明，吸附在硅片纳米TiO₂薄膜表面的黏状液体即是较高浓度的硫酸。而且，硅片纳米TiO₂薄膜未见任何损伤，多次的光催化氧化实验也表明，固定相纳米TiO₂薄膜可以反复使用，仍可以保持很高的催化效率。

实验研究结果证明，以抛光硅片作衬底的纳米TiO₂薄膜对紫外光催化氧化去除SO₂效果很好，产物的分析结果确证了SO₂经光催化氧化一次产物跟水反应生成H₂SO₄的反应历程，SO₄^2-浓度和pH值均证明了产物的生成量显著，纳米TiO₂薄膜紫外光光催化氧化技术能很好地去除SO₂，这为进一步拓展该项技术在烟气脱硫脱硝中的应用奠定了良好的基础。