用于治理室內(nèi)空氣污染的光催化仿生植物的設計

摘 要：文章介紹了一種基于光催化技術降解室內(nèi)空氣污染物的仿生植物的設計。對仿生植物的設計思路、設計原理、以及仿生植物各組成部分所采用的材料及作用進行了詳細介紹，并對該新型光催化產(chǎn)品的應用領域與前景進行了展望。

關鍵詞：空氣污染；光催化；降解；仿

引言

室內(nèi)空間主要包括家庭住宅、工作單位、學校商場等公共場所以及汽車、火車及飛機等交通工具等環(huán)境。對于現(xiàn)代都市居民而言，日常生活中大部分時間是在室內(nèi)度過的，其中兒童和老人在室內(nèi)時間更長，在北方嚴冬及南方酷暑季節(jié)，人們在室內(nèi)的時間可高達達90%以上。隨著人們收入的增加以及生活水平不斷提高，人們對自己家居、工作、生活娛樂等環(huán)境的條件要求不斷提高，近年來，室內(nèi)裝修不斷升級，但由于裝飾施工材料以及裝飾施工等各方面原因，在精心裝修后的室內(nèi)環(huán)境里，甲醛、苯等污染物超標現(xiàn)象十分普遍，這些室內(nèi)空氣污染物對人們的身體造成了不同程度的損傷，不僅可以引起人體的不舒適、慢性呼吸道疾病，嚴重時還可以引發(fā)白血病等癌癥[1-2]。

如何防止室內(nèi)空氣污染，凈化室內(nèi)空氣，已經(jīng)成為人們關注的焦點。目前來看，去除室內(nèi)空氣污染比較常用的處理方法有以下幾種：微生物處理法、物理吸附法以及化學氧化法。盡管上述這些方法雖然對甲醛、苯等空氣污染有一定的治理效果，但也存在以下主要缺點：一是能耗偏高，二是效率低，三是污染物去除不夠徹底，容易帶來二次污染，這些缺點使得這些方法的應用和推廣收到限制。人們迫切要求研制開發(fā)綠色環(huán)保，低耗高效的新型污染去除材料以及室內(nèi)污染處理技術。

部分綠色植物如綠蘿，吊籃，龜背竹，具有吸收有毒氣體的功能，但天然植物的種植需要合適的溫度、水分、陽光、雨露及肥料，如果在密閉的商場內(nèi)，汽車內(nèi)等室內(nèi)場合，很容易死亡。

納米TiO2是一種新型環(huán)保的功能納米材料，它無毒無害，具有良好的化學穩(wěn)定性以及優(yōu)異的光催化活性。作為光催化劑，納米TiO2在水處理，空氣污染物處理，殺菌消毒等領域有著廣泛應用[3]。為了適應日常生活的需要，也開發(fā)了不同形式的納米TiO2光催化劑，比如可以接受日照凈化空氣得光催化劑窗簾、光催化劑涂料等，但這些產(chǎn)品都是固定在一個位置，也不具備美化環(huán)境的效果。而本設計是將納米TiO2光催化性能應用到空氣凈化領域的一個新思路。文章介紹了一種基于光催化技術降解室內(nèi)空氣污染物的仿生植物的設計，從移動性，美觀性及實用性角度來看，都是一種具有廣闊應用前景及市場的光催化產(chǎn)品。

1 仿生光催化植物的空氣凈化原理

光催化是指在光照條件下，光催化劑可以借助光能把有機污染物降解成為CO2以及H2O等無機小分子的一種方法。降解過程中利用太陽光的能源，光催化劑本身不消耗，可重復使用，并且沒有二次污染，是高效、經(jīng)濟、環(huán)保的綠色處理方法。近幾十年來，光催化技術得到不斷發(fā)展，從最初的TiO2一種，已經(jīng)發(fā)展到氧化物、硫化物、復雜氧化物等多種不同光響應能力的系列和產(chǎn)品。光催化鍋中中，光催化劑能夠?qū)⑺蛘呶降娜芙庋蹀D(zhuǎn)化成羥基自由基（·OH）和超氧離子（·O2-），而這些基團都具有非常強的氧化性，能夠降解大部分有機污染物，甚至能夠降解無機物。

目前的研究發(fā)現(xiàn)，室內(nèi)空氣污染物主要有：甲醛、苯系物、氨氣、氡氣等。通過光催化技術可以實現(xiàn)快速分解多種氣相有機污染，其中包括醛、醇、酮、烴、等等，在室內(nèi)空氣污染中，甲醛和苯系污染物最多，危害也十分嚴重，是最需要凈化的兩類污染物。

甲醛為一種有強烈刺激性氣味、無色有毒氣體，是制造樹脂、油漆、塑料等產(chǎn)品的原料，也是裝飾用人造板中粘合劑的重要原材料。甲醛的釋放過程可能長達數(shù)年甚至數(shù)十年。甲醛的吸入不僅可以引起人體呼吸道疾病等一系列疾病，對人體的神經(jīng)系統(tǒng)以及免疫系統(tǒng)也有明顯毒害，嚴重時可致畸、致癌。苯系污染物主要為苯、甲苯以及二甲苯，是一種無色或淺黃色透明液體，容易揮發(fā)，具有強烈芳香氣味，易燃燒有毒性，它主要來源于裝飾用涂料、油漆、粘合劑等等。空氣中苯系污染物的吸入可導致頭痛頭昏、貧血以及感染等癥狀，長期大量吸入可影響生殖系統(tǒng)，嚴重時可引起白血病等重大疾病。

甲醛以及苯的光催化降解機理主要是：在光照條件下，光生電子和空穴可以將催化劑表面的吸附的氧氣和微量水還原或氧化為·O2-和·OH，然后在空穴、·O2-和·OH這些具備強氧化性的基團作用下，進一步實現(xiàn)甲醛以及苯的深度氧化，最終變?yōu)镃O2和H2O，達到空氣凈化的作用[4]。

2 仿生光催化植物的主要結(jié)構(gòu)

針對上述現(xiàn)狀，文章設計了一種仿生TiO2光催化植物，植物主要包括有害氣體的吸附體系，紫外及可見光吸收體系以及光催化降解體系。圖1是文章所設計的仿生光催化植物示意圖，光催化降解體系主要有以下幾部分組成。

（1）有毒氣體吸附系統(tǒng)：有毒氣體降解的第一步是有毒氣體的吸附，本設計主要是利用活性炭與泡沫鎳的優(yōu)良吸附功能。仿生植物主干枝條采用泡沫鎳材料制備，中空部分采用活性炭顆粒填充，葉片部分以泡沫鎳為支撐材料，將活性碳氈與泡沫鎳粘結(jié)。（2）有毒氣體光催化系統(tǒng)：植物葉片表層進行光催化劑TiO2的包覆。TiO2的包覆可以通過水解沉淀法以及溶膠-凝膠法來實現(xiàn)。通過活性炭與泡沫鎳吸附到仿生植物表面的有毒氣體再經(jīng)過與TiO2光催化劑反應，在光照條件下，進行光催化作用，將有毒氣體分解，實現(xiàn)空氣凈化。

仿生光催化植物與已有光催化技術相比較，主要優(yōu)勢體現(xiàn)在以下兩點：（1）實現(xiàn)了有毒氣體吸附與降解的一體化。目前已有一些活性炭材料用于有毒氣體吸附，但通常只是用其吸附功能，很容易達到飽和而失去活性，另外吸附飽和的活性炭在遇到光照或者溫度升高的情況下，也會產(chǎn)生脫附的現(xiàn)象，不能從根本上解決污染問題。而仿生光催化植物的設計，不僅解決了有毒氣體的吸附，而且實現(xiàn)了有毒氣體的進一步光催化降解為無毒氣體。（2）實現(xiàn)了美化環(huán)境與凈化空氣的一體化。目前的一些光催化劑都是以粉末、塊體之類出現(xiàn)。仿生光催化植物可以做成多種形式，如圣誕樹，闊葉植物，針狀植物等。通過大小、形狀以及顏色等變化，植物可以設計成多種形式，適合于各種室內(nèi)空間，如商場，會議室、汽車、家庭、飯店等，不僅可以凈化空氣，還可以起到裝飾作用。與天然植物相比，無需進行種植，可長時間重復使用，并且，光催化植物移動位置也十分方便。

3 結(jié)束語

文章設計了一種日光響應的室內(nèi)空氣凈化光催化仿生植物及其制備方法，其中日光響應的室內(nèi)空氣凈化光催化仿生植物是由泡沫鎳金屬復合活性炭仿生植物以及包覆在葉片表面的納米TiO2光催化劑構(gòu)成。該仿生光催化植物不僅可以美化室內(nèi)環(huán)境，還可以利用日光，降解空氣中有毒污染物，如甲醛，苯等。該仿生植物具有較高的反應活性，在日光照射下，可以有效去除空氣中有機污染物，凈化室內(nèi)空氣的目的，在室內(nèi)空氣凈化方面具有廣闊應用前景。

參考文獻

[1]景盛翱，戴海夏，錢華.光催化技術及其在室內(nèi)空氣凈化方面研究現(xiàn)狀[J].上海環(huán)境科學，2010，29（1）：21-25.

[2]潘爍.光催化技術降解污染物效果的測試方法探討[J].環(huán)境，2009，S1：51-52.

[3]高鐮，鄭珊，張青紅.納米二氧化鈦光催化材料及應用[M].北京：化學工業(yè)出版社，2002：60-86.

[4]韓銳，關強，張邢磊.汽車乘務艙半物理環(huán)境模擬的甲醛光凈化效果分析[J].中國安全科學學報，2007，17（11）：130-133.