本文介绍了一种测定催化剂在降解室内空气浓度 (ppb) 模型中挥发性有机碳 (如 2-丙醇) 中的有效性的协议。
我们展示了一个通用的协议, 用于确定催化剂在降解室内空气浓度 (ppb) 挥发性有机碳 (voc) 的有效性, 说明这与二氧化钛催化剂, 和 VOC 2 丙醇。该协议利用了场不对称离子迁移谱 (FAIMS), 该分析工具能够在 ppb 水平上连续识别和监测 2-丙醇和丙酮等挥发性有机化合物的浓度。FAIMS 的持续性质允许详细的动力学分析和长期反应, 提供了一个重要的优势比气相色谱, 一个批次过程传统上用于空气净化表征。FAIMS 在光催化空气净化中的应用最近才首次被使用, 并根据此处所示的协议, 在允许替代挥发性有机化合物和催化剂使用可比协议进行测试方面的灵活性提供了独特的系统阐明光催化空气净化反应在低浓度。
最近, 室内空气质量已经走到了前列。也许令人惊讶的是, 室内空气中含有更多的挥发性有机碳 (voc), 而且浓度高于室外空气。1人们在室内花费了80% 的时间, 在诸如住宅、工作场所和交通包括汽车、火车和飞机等场所, 空气质量可能是一个真正的问题。许多室内空气中常见的挥发性有机化合物是诱变或致癌物质,2、3等, 因此去除这些物质是一个关键的优先事项, 特别是当 “病态建筑综合症” 现象会导致健康不良, 并通过下班时间失去生产。.1空气净化装置可以包括光催化剂, 半导体, 通常二氧化钛 (2), 用 UV 光激活, 通过光氧化过程降解 VOC。光催化是一个日益增长的研究领域, 其应用在水分裂氢生产和污染物降解4,5,6,7;空气净化是一个特别活跃的区域由于这个应用的商业可行性8。然而, 检测在室内空气中存在的浓度的挥发性有机化合物 (通常是 ppb) 是很有挑战性的。随着艾伦·欣谢尔动力学9的光催化反应动力学, 光催化剂在高浓度降解的挥发性有机化合物上的有效性并不代表其在低浓度下的有效性。在这里, 我们描述了一个通用的系统和协议, 以确定催化剂在低浓度的挥发性有机化合物的有效性, 使用场不对称的离子移动光谱学 (FAIMS), 说明这与2基于光催化剂和模型 VOC 2-丙醇。
电离气体流动, FAIMS 分离和辨认化学离子基于他们的机动性在一个变化的电场之下在大气压10,11,12。具有高质子亲和性的分子, 如挥发性有机化合物, 很适合被 FAIMS 分离和检测, 每亿 (ppb) 的分辨率和 ppb 浓度为13。能同时连续监测多挥发性有机化合物, 是光催化空气净化试验中的理想分析, 除了监测用作污染物的 VOC 外。FAIMS 还可以通过光催化反应检测出具有高质子亲和性的中间体或其他 VOC 产品, 这是证明光催化剂有效的关键要求, 因为如果降解不完全, 一些产生的挥发性有机化合物可能是有毒的或比降解的 VOC 更有毒。
FAIMS 最近才首次在光催化空气净化应用14, 虽然不建议 FAIMS 优于气相色谱, 它显然提供了一个多功能的替代品, 这有可能是一个强有力的研究空气净化的工具。在这里, 我们说明这一技术与一个协议, 涉及光氧化 2-丙醇与二氧化钛基光催化剂。在室内空气水平浓度渗透管中生成 2-丙醇, 使用15。由含有液体 VOC 的聚四氟乙烯管组成, 在两端密封和卷曲, 在恒定流量下, 密封聚四氟乙烯渗透管内的 VOC 以恒定速率扩散, 在与室内空气相媲美的浓度下。然后将此流传递到包含毛毡的反应室, 然后进入 FAIMS 分析仪, 在那里可以确定 VOC 的标识和量化。FAIMS 允许测定 2-丙醇的浓度, 并通过一个已知挥发性有机化合物的光谱库, 在像丙酮这样的光反应中产生的其他挥发性有机化合物的身份与图书馆的光谱进行了比较。这种技术的一个主要优点是它的灵活性: 通过简单地改变渗透管或催化剂, 可以测试替代挥发性有机化合物和催化剂。
该协议描述了一种有效的方法来确定氧化钛基催化剂的有效性, 通过确定其行为在降解的模型 VOC, 2-丙醇, 在紫外线照射下。使用 FAIMS, 2-丙醇的数量可以持续监测整个反应, 除了任何其他 VOC 产品, 可能会产生的反应, 在浓度可比室内空气。这种连续性质与气相色谱法有很大区别, 传统上用于监测光催化室内空气净化, 该方法采用间歇过程。通常需要一个昂贵的、敏感的 GC/MS 系统来确定低浓度的挥发性有机化合物的浓度, 而对光氧化产品的详细分析通常需要进一步处理光氧化产品, 如将产品吸附到活性炭上, 然后将其吸到质谱仪中。虽然质谱能够检测所有的产品, 但 FAIMS 的局限性在于, 只有具有高质子亲和性的产品才能被检测到。FAIMS 在测定低浓度有机化合物方面非常出色, 但能在较高浓度下饱和, 这就限制了系统对室内空气浓度的应用。FAIMS 的优点使系统在这里描述了一个有效的, 简单的工具, 可以提供洞察的光催化反应, 气相色谱是有限的实现。
在这里描述的 FAIMS 系统中, 医疗级空气被用作流动气体。由于 FAIMS 系统是如此敏感, 高质量的空气等级是至关重要的, 使光氧化的分析。这可以确保检测到的任何产品都来自于光氧化过程。同样, 确保没有泄漏到系统中是至关重要的, 因为实验室空气一般含有挥发性有机化合物, FAIMS 能够检测到浓度。为系统设置所列出的消耗品提供了一个可靠的系统, 并且在一段时间内连续监测表明, 当没有催化剂或渗透管时, 不存在可检测到的挥发性有机化合物。
虽然这个系统很简单, 但它也非常灵活–可以用这种方式测试替代的挥发性有机化合物, 简单地制造一个包含替代 VOC 的渗透浴缸, 如乙醇、丙酮或甲苯, 并遵循该协议。光催化反应经常受到湿度的影响。这里开发的系统在低湿气下运作;然而测试可以进行在更高的湿度购买引入加湿器进入系统。根据使用的 VOC, 它可以导致 FAIMS 的灵敏度降低, 但可以进行有效的测试。16
FAIMS 的持续性质突出了气相色谱的优势, 传统上用来确定光催化剂在净化空气中的有效性。16,17气相色谱法采用分批法收集和分析空气样品;FAIMS, 具有连续性的性质, 允许更详细地看光催化反应的动力学, 这可能是挑战解释与间歇气相色谱技术。简单的 FAIMS 是另一个优势。为了进行复杂分析的多挥发性有机化合物 FAIMS 是可以的, 气相色谱仪将需要链接到质谱仪, 这可能是昂贵的, 需要额外的处理。此外, 要用气相色谱仪进行长期反应, 需要昂贵的自动化系统, 或人工密集取样;FAIMS 的情况并非如此。
FAIMS 的持续性质提供了比气相色谱更大的优势, 可以用来获得更多的理解在这些 ppb 浓度的光催化过程。此外, 这里说明的简单设置是灵活的, 允许替代催化剂和挥发性有机化合物在可比条件下进行测试, 进一步提高了对光催化过程的理解。
The authors have nothing to disclose.
作者感谢紧急救济协调员提供的财政支持, 根据赠款259619号照片和授予620298号照片的空气 (概念证明)。
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In-line pressure regulator | Sigma-Aldrich | 23882 SUPELCO | High purity version (outlet pressure 0-100 psi, 1/8 in stainless steel fittings |
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