摘要:基于多元线性回归,对TiO2光催化同时脱硫、脱硝效率进行了预测研究。在最佳实验条件下,预测了不同SO2和NOx浓度的光催化脱除效率。依据正交试验结果,确定了最佳运行工况,将温度、湿度、SO2和NOx浓度对同时脱硫、脱硝效果的影响程度划分为3个等级,在此基础上有针对性地提出了可行措施。

　　光催化剂纳米TiO2可催化分解细菌和污染物,具有高催化活性[1]、良好的化学稳定性和热稳定性[2]、无二次污染、无刺激性、安全无毒等特点,是最具有开发前景的绿色环保催化剂之一,故把TiO2光催化剂应用于烟气同时脱硫、脱硝极具开发前景。但该技术的脱除效率受温度、湿度、光照条件、氧气含量、催化剂、SO2和NOx初始浓度等众多因素的影响。本文根据TiO2光催化同时脱硫、脱硝实验,基于多元线性回归,对TiO2光催化同时脱硫、脱硝效率进行了预测。

　　1多元线性回归

　　回归分析是研究一个或几个变量对另一个变量影响程度的方法。依据资料,找出它们之间的关系式,用自变量的已知值去推测因变量的值或范围。回归分析是处理不完全确定的变量之间的相关关系的有力工具,是研究随机因变量与可控自变量之间相关关系时所作的数学建模及统计分析。它实际上是研究因素的因果关系。多于一个自变量并且所建立的模型是线性的回归分析称为多元线性回归分析。回归预测中,先对预测对象(因变量)进行定性分析,确定影响其变化的一个或多个因素(自变量),然后通过预测对象和影响因素的多组观察值建立适当的回归预测模型,再进行预测。由于多元线性回归计算形式比较复杂,通常用计算机进行处理。本文采用统计软件SPSS(StatisticalPackagefortheSocialScience)来进行分析和处理,它的基本功能包括数据管理、统计分析、输出管理等。

　　2试验

　　根据TiO2光催化氧化的机理和特点,试验拟采用锐钛矿型TiO2(这种晶型TiO2的光催化活性最高[3])的负载形式,负载于石英砂上的纳米TiO2以填料的方式填充于反应器内,试验采用钢瓶中的SO2、NOx、N2和O2,混合配成模拟烟气。

　　气体总流量控制在0.128m3/h,模拟烟气连续通入反应器。各组分的浓度取自转子流量计读数。模拟烟气从气瓶流出,通过调节各自的流量,模拟不同的烟气状况,从底端进入催化反应器,在模拟混合烟气上升过程中,光照TiO2产生的空穴和电子与烟气中的水蒸汽、氧气形成一系列的·O-2,·OH等活性物质,这些活性物质几乎无选择地催化氧化SO2和NOx[4]。然后,模拟烟气从反应器顶端流到气体吸收装置中,烟气流经干燥瓶干燥后,再由烟气分析仪测出烟气组分,从而计算NOx和SO2的催化氧化效率。烟气成分采用德国进口的MRU95/3CD烟气多组分分析仪测理,可在线检测,并由液晶显示屏显示分析结果。

　　3模型中自变量与因变量的确定

　　3.1脱硫、脱硝效率影响因素分析

　　通过上述试验,确定了TiO2光催化同时脱硫、脱硝效率的主要影响因素包括光、催化剂、氧浓度、含湿量、温度、SO2和NOx浓度等。各因素对脱硫、脱硝效率的影响趋势分析如下:

　　(1)光。C.H.Ao等人认为,没有紫外光照射,SO2光催化生成SO42-的反应不可能发生[5]。研究表明[6]:在可见光下,改性掺铁催化剂用于光催化脱硫、脱硝,没有显示出良好的光催化活性,可见紫外光照是SO2发生光催化反应的必要条件。

　　(2)催化剂。催化剂的存在与否对光催化效率影响极大。不论有无TiO2光催化剂,SO2的光催化反应均可发生,但光催化效率存在明显差异,且在有催化剂条件下的光催化反应速度明显较快[7]。

　　(3)氧浓度。模拟烟气中的氧含量对SO2和NOx的脱除效率是一个关键因素[8],有氧情况下,NOx的脱除效率比无氧条件高20%左右,SO2光催化降解率比无氧条件高出40%以上。但当模拟烟气中O2在4%～10%之间变化时,氧浓度变化对SO2和NOx脱除率的影响不大。

　　(4)含湿量。由于SO2和NOx在水中的溶解性不同,以及水蒸汽在光催化反应中的作用使得湿度对脱硫、脱硝效率的影响表现得比较复杂。随着湿度的增加,溶解吸收和催化氧化的作用使得SO2的脱除率可达到100%,但超过一定范围时,NOx光催化效率下降。因此,控制含湿量非常重要。

　　(5)温度。在60～170℃范围内,SO2和NOx光催化效率分别维持在80%和40%以上,随着温度的进一步升高,光催化效率降低至72%和34%。总之,温度升高对同时脱硫、脱硝综合表现为光催化效率降低。

　　(6)SO2和NOx浓度。SO2和NOx在TiO2催化剂表面的相互作用是非常复杂的,包括吸附和光催化反应发生的各种条件都会对它们的脱除效率产生影响,但SO2和NOx的脱除在一定浓度范围内呈现相互促进的作用。

　　3.2多元线性回归输入变量的选取

　　综上所述,紫外光和催化剂是光催化反应发生的必要条件,氧气是光催化反应发生的关键因素。因此,本试验的前提条件是在紫外光下、催化剂存在、氧气体积分数为8%。在此试验条件下,选定温度、湿度、SO2浓度(mg/m3)和NOx浓度(mg/m3)作为输入变量,将SO2和NOx的光催化脱除效率作为输出变量,将应变量和自变量的试验测定结果分为训练和检验样本两组数据。拟依据训练样本数据(47组),经过多元线性回归求得预测模型,再用检验样本数据(7组)对所得的预测模型进行检验。