溫得偉

？課題的確定

隨著人類活動(dòng)的加劇，地球表面的臭氧（即O3）層出現(xiàn)了嚴(yán)重的空洞。我查找相關(guān)資料后發(fā)現(xiàn)，O3不但存在于大氣的平流層中，而且也存在于我們的生活中。如我們常用的打印機(jī)、復(fù)印機(jī)等辦公設(shè)備，由于靜電電壓非常高，會(huì)產(chǎn)生大量的O3。O3對(duì)人類有其有利的一面，但在近地面處也能對(duì)人體產(chǎn)生危害。我想到在媽媽的辦公室中有幾臺(tái)打印機(jī)和復(fù)印機(jī)，我在里面等媽媽時(shí)，有時(shí)能聞到一種怪怪的味道，而且媽媽經(jīng)常說自己疲乏、頭暈，原來這都是O3所致。事不宜遲，為了媽媽的健康，我決定繼續(xù)探究，考慮有沒有一種辦法解決這些辦公設(shè)備中O3排放問題。

O3分解的主要方法有稀釋法、洗滌法（藥液吸收法）、熱分解法、電磁波輻射分解法、活性炭吸附法、催化分解法等。通過分析，這些方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，那么針對(duì)室內(nèi)O3污染現(xiàn)狀，有沒有一種更好的分解O3的方法呢？我的設(shè)想是在產(chǎn)生O3的電器排風(fēng)口處加裝一個(gè)由風(fēng)扇和吸附劑組成的分解裝置，以達(dá)到吸附分解O3的作用。

實(shí)現(xiàn)這一構(gòu)想，必須要解決吸附劑或者催化劑的問題，通過一種有效的催化劑對(duì)O3進(jìn)行吸附和分解。我決定選擇人們最常用的活性炭作為催化劑進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

？研究內(nèi)容？ 研究思路

O3分子是由3個(gè)氧原子形成的一種特殊的氧的同素異形體，自身不穩(wěn)定。O3的分解速度隨著溫度的升高而加快，溫度超過100℃時(shí)，分解非常劇烈；達(dá)到270℃時(shí)，可立即轉(zhuǎn)化為氧氣（O2）。活性炭是最常用的吸附劑，雖然有強(qiáng)烈吸附、催化分解能力，但研究表明其有效性和壽命難以保證，同時(shí)活性炭還會(huì)產(chǎn)生多種副產(chǎn)物。適宜的催化劑應(yīng)該是一種既有極強(qiáng)的吸附能力、能夠富集O3，又有強(qiáng)烈的催化分解O3的能力，而且自身穩(wěn)定的物質(zhì)。根據(jù)這樣的原則，可以選用沸石等吸附能力較強(qiáng)且對(duì)O3穩(wěn)定的材料作為催化劑。對(duì)沸石做適當(dāng)改性，使它對(duì)O3有較強(qiáng)的吸附、分解能力，應(yīng)該可以成為比較理想的分解O3的催化劑。

如果在催化劑中選擇一種比熱容小、升溫快的材料，應(yīng)該能更好地發(fā)揮催化分解和熱致分解O3的作用。通過查閱物質(zhì)的比熱容表得知，石英砂的比熱容大約0.8kJ/kg℃，升溫相對(duì)較快。且石英砂的主要成分是SiO2，與O3不發(fā)生反應(yīng)，性質(zhì)穩(wěn)定。只是石英砂的比表面積小，不適于作為吸附劑。為此，對(duì)石英砂進(jìn)行了鐵離子堿化改性，試圖提高其對(duì)O3的選擇性吸附分解能力。將其與改性沸石共同使用形成復(fù)合催化劑，既能發(fā)揮石英砂升溫快，提高熱致分解O3的作用，又能發(fā)揮改性沸石吸附分解的作用。

？ 常用催化劑分解臭氧的分析

？實(shí)驗(yàn)材料與儀器

臭氧發(fā)生器，氣源為氧氣源；紅外測溫儀；離子色譜Metrohm？ 820IC；元素分析儀Vario？EL？III；分解柱；粒狀煤質(zhì)活性炭（密度0.45？ 0.55？g·cm-3，比表面積897？m2·g-1，微孔容積0.43？cm3·g-1，粒徑約2.0？2.5？mm，孔隙率42%，灰分5%？ 18%）；試劑級(jí)人造顆粒沸石（密度1.9？2.3？g·cm-3）；石英砂（粒度0.8？1.2？mm，孔隙率0.41）；氫氧化鈉、氯化鐵等試劑均為分析純。

？實(shí)驗(yàn)方法

O3發(fā)生器選用可利用氧氣源作為氣源的發(fā)生器。其中，作為氣源的氧氣流量為1.4？1.6？？L·min-1，O3含量為7.8？9.8？mg·min-1；流量由流量計(jì)控制，實(shí)驗(yàn)中保持相對(duì)穩(wěn)定。在分解實(shí)驗(yàn)開始后，O3產(chǎn)生量的確定方法為每15min將O3用KI溶液吸收后，用碘量法測定，計(jì)算后取其平均值，作為實(shí)驗(yàn)過程中O3的發(fā)生量（連續(xù)分解實(shí)驗(yàn)中，僅測試開始和結(jié)束時(shí)的O3發(fā)生量，并取其平均值作為實(shí)驗(yàn)過程中O3的發(fā)生量）。經(jīng)催化分解后的尾氣通入裝有KI溶液的吸收瓶，利用KI溶液吸收、檢測，加入淀粉后如無顏色變化，則表明O3分解效率達(dá)到100%；否則用碘量法測定吸收液中的O3含量。

溫度變化測定按照分解測試流程，將第1支分解處理柱沿氣流方向從開始接觸催化劑時(shí)起，每隔1.5？cm標(biāo)注1點(diǎn)作為測溫位點(diǎn)，共取5個(gè)位點(diǎn)如圖2，依次定位為位點(diǎn)1—位點(diǎn)5，按照一定時(shí)間間隔用紅外測溫儀測溫，連續(xù)運(yùn)行、測定60min或更長時(shí)間。測溫時(shí)，要求紅外測溫儀距離位點(diǎn)2cm，在位點(diǎn)垂直上方測定。

CO2產(chǎn)生量用TOC分析儀測定，并對(duì)照其中TC和IC的差別，確定吸收液中是否存在其他形式的可被吸收的含碳物質(zhì)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，再將填充了催化劑的分解處理柱在110℃溫度下烘干1？h，稱重，計(jì)算得到活性炭損失量。

離子色譜分析時(shí)，以0.01mol·L-1的NaOH為吸收液，吸收不同分解時(shí)間段的尾氣。用離子色譜測定其中陰離子含量。

含鐵量采用重鉻酸鉀法測定。分別稱取3g涂鐵樣品，用鹽酸溶液加熱溶解鐵，加氯化亞錫將3價(jià)鐵還原為2價(jià)鐵，再加入氯化汞溶液除去過量的氯化亞錫，以二苯胺磺酸鈉為指示劑，用重鉻酸鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定。

？ 催化劑的重新選擇與設(shè)計(jì)

？催化劑的選擇。

適宜的催化劑應(yīng)該是一種既有強(qiáng)吸附能力，能夠富集O3，又能強(qiáng)烈催化分解O3，自身又比較穩(wěn)定穩(wěn)定即不發(fā)生損耗的物質(zhì)。

沸石是比較常用的吸附材料，其中既有氧化鋁也有氧化硅等成分，且穩(wěn)定、顆粒度適中，只是對(duì)O3的分解率較低。我選取沸石對(duì)O3進(jìn)行吸附降解實(shí)驗(yàn)，用KI吸收液檢測尾氣中剩余O3量，系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行5？h，O3分解效率為44%？ 54%。

？沸石的改性。

從文獻(xiàn)中得知，吸附劑可以改性，對(duì)沸石做適當(dāng)改性，可能提高其分解效果。如果這樣，它就可以成為較合適的O3分解的催化劑。

將濃度為1.2？mol·L-1的鐵鹽溶液勻速攪拌，攪拌過程中加入濃度為0.1？mol·L-1的NaOH溶液，令溶液pH值達(dá)到2.0左右，此時(shí)形成鐵氧化物的納米晶體，并穩(wěn)定分布于膠體體系中。

將沸石以固液質(zhì)量比1∶3投入pH值為5左右的稀HNO3溶液中，勻速振蕩30？min后，緩慢加入含鐵溶膠，沸石和含鐵溶膠的體積比為1∶1，保持振蕩1？h，離心分離后取出沸石。

用純水清洗至少3次后的沸石經(jīng)過離心分離，并經(jīng)110℃烘箱干燥后，于400℃馬弗爐中焙燒2？h，制得改性沸石。測得其含鐵量為1.31%。

？課題的進(jìn)一步研究設(shè)想

本課題重點(diǎn)利用改性后的沸石和石英砂形成復(fù)合催化劑，既發(fā)揮了石英砂升溫快，提高熱致分解O3的作用，又能發(fā)揮改性沸石吸附分解作用。實(shí)驗(yàn)證明，這種復(fù)合催化劑安全性好，自身不消耗，使用壽命長，不產(chǎn)生有害物質(zhì)。

本項(xiàng)目進(jìn)一步研究的重點(diǎn)為：

？繼續(xù)選擇不同的金屬改性劑，如其他銅、鋁等金屬鹽，期望得到更加穩(wěn)定、分解O3效率更高的催化劑。

？進(jìn)一步深入對(duì)改性沸石和改性石英砂等分解劑的研究，探索更安全、高效、穩(wěn)定的臭氧分解方法，努力摸索本項(xiàng)目成果的實(shí)際應(yīng)用途徑。

？把本研究成果做成一個(gè)網(wǎng)站或微博，大力宣傳工業(yè)和室內(nèi)產(chǎn)生的O3對(duì)環(huán)境的污染和對(duì)人體的危害，以引起人們的高度關(guān)注，并在校園中宣傳相關(guān)知識(shí)。

？課題成果的應(yīng)用前景

本項(xiàng)目研究成果，能夠?yàn)榇蛴C(jī)、復(fù)印機(jī)等產(chǎn)生O3的設(shè)備，配置具有穩(wěn)定且高效的催化劑的吸附分解裝置。

我的設(shè)想如下（以常用的復(fù)印機(jī)為例）：

在復(fù)印機(jī)感光鼓工作區(qū)域的外部排風(fēng)口加裝1個(gè)O3過濾裝置，在過濾裝置中部安裝1個(gè)嵌入式分解槽，內(nèi)置由改性石英砂、沸石等為原料的復(fù)合催化劑。在出風(fēng)口用1個(gè)風(fēng)扇向外排風(fēng)抽氣，以使內(nèi)部空氣更快通過。當(dāng)含有O3的氣體進(jìn)入吸附裝置時(shí)，就會(huì)被過濾裝置中的復(fù)合催化劑吸附富集并分解催化，從而降低機(jī)器排出的氣體中的O3含量，減少O3對(duì)室內(nèi)環(huán)境的污染，降低其對(duì)人體的危害（見圖3）。