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纳米光触媒是指在光照下,自身不发生化学变化,却可以促进化学反应的物质,其功能就象光合作用中的叶绿素。锐钛型纳米TiO2是zui主要的光触媒材料,当其吸收太阳光或其他光源中的能量后,粒子表面的电子被激活,逸离原来的轨道,同时表面生成带正电的空穴。逸出的电子具有强还原性,空穴则具有强氧化性,两者与空气中的水气反应后会生成活性氧和氢氧自由基。活性氧、氢氧自由基能将大部分有机物、污染物、臭气、细菌等氧化分解成无害的二氧化碳和水。
世界上能作为光触媒的材料众多,包括*(TiO2)、氧化锌(ZnO)、氧化锡(SnO2)、二氧化锆(ZrO2)、硫化镉(CdS)等多种氧化物硫化物半导体,其中*(Titanium Dioxide)因其氧化能力强,化学性质稳定无毒,成为世界上zui当红的纳米光触媒材料。在早期,也曾经较多使用硫化镉(CdS)和氧化锌(ZnO)作为光触媒材料,但是由于这两者的化学性质不稳定,会在光催化的同时发生光溶解,溶出有害的金属离子具有一定的生物毒性,故发达国家已经很少将它们用作为民用光催化材料,部分工业光催化领域还在使用。*是一种半导体,分别具有锐钛矿(Anatase),金红石(Rutile)及板钛矿(Brookite)三种晶体结构,其中只有锐钛矿结构和金红石结构具有光催化特性。
*是氧化物半导体的一种,是世界上产量非常大的一种基础化工原料,普通的*一般称为体相半导体以与纳米*相区分。具有Anatase或者Rutile结构的*在具有一定能量的光子激发下,能使分子轨道中的电子离开价带(Valence band)跃迁至导带(conduction band)。从而在材料价带形成光生空穴[Hole+],在导带形成光生电子[e-],在体相*中由于*颗粒很大,光生电子在到达导带开始向颗粒表面活动的过程中很容易与光生空穴复合,从而从宏观上我们无法观察到光子激发的效果。但是纳米的*颗粒由于尺寸很小,所以电子比较容易扩散到晶体表面,导致原本不带电的晶体表面的2个不同部分出现了极性相反的2个微区-光生电子和光生空穴。由于光生电子和光生空穴都有很强的能量,远远高出一般有机污染物的分子链的强度,所以可以轻易将有机污染物分解成zui原始的状态。同时光生空穴还能与空气中的水分子形成反应,产生氢氧自由基亦可分解有机污染物并且杀灭细菌病毒。这种在一个区域内2个微区截然相反的性质并且共同达到效果的过程是纳米技术典型的应用,一般称之为二元论。该反应微区称之为二元协同界面。
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从上面介绍我们可以看到,*的光催化反应过程,很大程度依靠*步的光子激发,所以有足够激发*的光子,才能提供足够的能量,我们也可以知道,光催化反应并不是凭空产生的它也是需要消耗能量的,符合能量守恒原则,它消耗的是光子,也就是光能。如果是太阳光照射光触媒就利用太阳能,灯光就是利用光能。*将纳米光触媒开发列为21世纪太阳能利用计划的重要组成部分。
什么样的光子能激发*呢,从理论结构上来说,锐钛*的导带与价带之间的间隙[我们称之为能隙]是3.2eV 而金红石*为3.0eV,所以金红石需要光能大于3.0eV的光子而锐钛需要大于3.2eV的光子。光子的能量E与波长λ(Lambda)与之具有反比关系E = h C / λ,所以可以知道波长小于380nm的光可以激发锐钛型*。虽然锐钛矿需要略多的能量来激发,但是同样的锐钛矿的*光触媒具有更强的氧化能力,所以被更为广泛的使用。有研究表明接近7nm粒径时,锐钛矿要比金红石更为稳定,这也是很多纳米光触媒采用锐钛型的原因。
纳米*光触媒分散机的高的转速和剪切率对于获得超细微悬浮液是zui重要的。根据一些行业特殊要求,依肯公司在ERS2000系列的基础上又开发出ERX2000超高速剪切乳化机机。其剪切速率可以超过200.00 rpm,转子的速度可以达到66m/s。在该速度范围内,由剪切力所造成的湍流结合专门研制的电机可以使粒径范围小到纳米级。剪切力更强,乳液的粒经分布更窄。由于能量密度*,无需其他辅助分散设备,可以达到普通的高压均质机的400BAR压力下的颗粒大小.
纳米*光触媒分散机是高效、快速、均匀地将一个相或多个相(液体、固体)进入到另一互不相溶的连续相(通常液体)的过程的设备的设备。当其中一种或者多种材料的细度达到微米数量级时,甚至纳米级时,体系可被认为均质。当外部能量输入时,两种物料重组成为均一相。高剪切均质机由于转子高速旋转所产生的高切线速度和高频机械效应带来的强劲动能,使物料在定、转子狭窄的间隙中受到强烈的机械及液力剪切、离心挤压、液层摩擦、撞击撕裂和湍流等综合作用,形成悬浮液(固/液),乳液(液体/液体)和泡沫(气体/液体)。高剪切均质机从而使不相溶的固相、液相、气相在相应熟工艺和适量添加剂的共同作用下,瞬间均匀精细的分散乳化,经过高频管线式高剪切分散均质乳化机的循环往复,zui终得到稳定的高品质产品。
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