MOFs耦合环隙式流化床吸附-光催化多功能去除VOCs研究

Volatile organic compounds (VOCs) can contaminate atmosphere, jeopardize human’s health, their emission should be controled urgently. The combination technology of adsorption and photocatalysis is an effective way to eliminate VOCs. But its applications are limited by the matching/fixation difficulty between adsorbent and photocatalyst, high cost and low purification efficiency. In this proposal, we will utlize the advantages of bifunctional metal-organic frameworks (MOFs) with both good adsorptive and photocatalytic performance, fluidized bed reactor with large/homogeneous light area, high mass transfer efficiency and good light transfer performance to develop a new technology about adsorption and photocatalytic removal of VOCs by MOFs coupling annular fluidized bed. The fluidization characterization, modification, controllable plentiful preparation of MOFs, performance of adsorption and photocatalytic removal of VOCs, factors influencing the removal efficiency of VOCs, and the stability and recyclability of MOFs will be studied systematacially. Furthermore, we will establish kinetic model of this system, study synergistic effect between adsorption and photocatalytic removal of VOCs by MOFs, investigate the reaction pathway of this system. It is envisioned that the results obtained in the proposed project will lay a solid foundation for developments of VOCs purification by new material and technology, and realize high-efficiency and continuous photocatalytic degradation of VOCs.

挥发性有机物（VOCs）污染大气环境，危害人身健康，迫切需要控制VOCs排放。吸附-光催化联用技术是消除VOCs的有效途径，但存在吸附剂与光催化剂匹配和固定难、成本高和净化效率有待提高等问题。本申请拟借助金属-有机框架（MOFs）材料兼具优异吸附和光催化性能的优势，以及环隙式流化床反应器光照面积大且均一、传质效率高、光传递效果好等优点，发展MOFs吸附-光催化耦合环隙式流化床反应器去除VOCs的新工艺。拟系统研究MOFs流态化特征、MOFs改性及宏量可控制备、MOFs吸附-光催化去除VOCs性能，影响MOFs去除VOCs效率的因素、MOFs稳定性及重复利用性，建立吸附-光催化降解VOCs反应动力学模型，研究MOFs吸附和光催化降解VOCs之间的协同作用，探讨MOFs吸附-光催化降解VOCs的反应路径。研究结果有望为净化VOCs新材料和新技术的发展奠定坚实基础，实现VOCs高效和连续的去除。

为了解决氧化去除挥发性有机污染物（VOCs）和降解其他环境污染物，光催化去除效率低、能耗高等问题，本项目开发了工艺简单的可控制备具有丰富孔道的金属有机骨架（MOFs）以及衍生物异质结复合材料方法，发展了节能减排的光催化去除VOCs新技术。通过掺杂、负载、焙烧热处理以及材料复合等多种改性手段对光催化剂进行功能化修饰，精细调控不同种类MOFs以及衍生材料的组成结构、形貌、孔道、缺陷、比表面积、活性物种含量，增加光催化材料表面吸附能力和光催化活性位点数目。评价了材料吸附-光催化去除VOCs等环境污染物的性能，研究了影响去除VOCs的因素，阐明了吸附-光催化去除VOCs的反应路径和反应机理，建立了材料结构以及表界面状态与光催化性能之间关系。创新点主要有：①开发了在微纳米尺度上，室温常压下批量化制备高纯度MOFs材料的新技术，制备工艺和材料合成步骤简单且节能环保，宏量可控制备的MOFs可见光催化降解污染物性能优异；②开发了球磨法/球磨-高温煅烧法制备MOFs以及衍生复合材料方法，得到了具有期望结构缺陷和活性物种、性能稳定可重复使用的可见光催化剂，吸附-光催化/光热协同催化氧化VOCs、降解有机物（抗生素、内分泌干扰物）和还原Cr(Ⅵ)的性能好，实现温和条件下VOCs（乙酸乙酯、苯、甲醛、餐饮油烟）完全矿化，解决了光催化去除效率低和热催化能耗高等问题；③揭示了VOCs气体与光催化材料表面的作用过程。光催化材料界表面的异质结降低了复合材料的带隙能量，能够加快光生载流子分离，抑制光生电子与空穴快速复合，增强光生载流子利用效率，进而使得光生电子能与氧反应生成更多的活性氧物种。异质结界面存在的较强相互作用有利于提高吸附VOCs能力。吸附-光催化/光热催化多功能协同作用提高了去除VOCs效率。本项目精准开发的降解环境化学污染物的新材料和去除VOCs的新工艺新技术，在针对性、科学性、有效性治理环境污染方面具有广阔的应用前景。