光催化去除PM2.5的研究進展

劉瑩昕

摘要：近年來，光催化這個名詞不斷出現(xiàn)在生活周遭，并應(yīng)用于各個層面，如空氣清凈、水質(zhì)凈化等，密切地影響著我們的生活，尤其對于我國日趨嚴重的PM2.5污染問題有著良好的作用效果，文章將就光催化的作用原理，對其去除PM2.5的應(yīng)用研究進行相關(guān)分析和研究。

關(guān)鍵詞：光催化；PM2.5；研究

1光催化原理

指能夠加速光化學(xué)反應(yīng)的催化劑，受到光線的照射，原子中的電子吸收了光子的能量后被激發(fā)，電子便會價帶（Valence Band，VB）躍遷到導(dǎo)帶（Conduction Band，CB），而價帶處電子躍遷后留下帶正電的電洞（Electron Hole，EH），形成光生電子電洞對，光生電子電洞對分別具有相當強的還原性及氧化性，使光觸媒表面的物質(zhì)進行氧化還原反應(yīng)。常用的光觸媒有氧化鋅（Z_nO）、二氧化錫（S_nO₂）、硫化鎘（C_dS）等，其中使用最為廣泛的是T_iO₂（T_iO₂）。

氣相中，光觸媒的受光照產(chǎn)生的電子會與氧分子生成氧離子，電洞則與水分子生成氫氧自由基，此兩者皆為不穩(wěn)定物質(zhì)，會將氣相中的有機物降解成CO₂和水。經(jīng)由光催化反應(yīng)產(chǎn)生的自由基，具有強氧化性，能分解環(huán)境中的有機污染物，因此常常用于處理微生物難分解的污染物或者重金屬。新興污染物逐漸被重視，包含個人美容與保健用品、抗生素、止痛藥及防曬用品等等，這類的物質(zhì)進入環(huán)境中，難以被環(huán)境中的微生物以自然方式分解而持續(xù)存在于環(huán)境中，對人體與環(huán)境都會造成影響，因此，光觸媒的強氧化性及材料特性使得其應(yīng)用層面相當廣泛。

2光觸媒的應(yīng)用

2.1清凈水質(zhì)

在光觸媒在生活中于水質(zhì)處理的應(yīng)用包含濾水器、飲用水凈化裝置、染料脫色處理系統(tǒng)，利用光觸媒照光后產(chǎn)生的光生電子電洞對水中污染物、重金屬進行氧化還原反應(yīng)，使污染物轉(zhuǎn)變?yōu)閷θ祟愇：^小的物質(zhì)。

2.2潔凈空氣

氨、H₂S、甲基硫醇、乙醛等是我們生活環(huán)境中的主要惡臭物質(zhì)，會使人們聞到臭味與不適。光觸媒經(jīng)過紫外光照射后產(chǎn)生自由基可以用來將空氣中的有機污染物分解成CO₂與水。其他如汽車排放的氮化物、SO₂等廢氣亦可直接用光觸媒去除。

2.3抗菌

以光照射T_iO₂能夠產(chǎn)生氧化力強的自由基，能夠?qū)⒓毦毎械慕退胤纸?，抑制細菌的生長，常應(yīng)用于衛(wèi)浴瓷磚、刀具、刀板及建筑材料上，可以產(chǎn)生防霉、抗菌的功效，降低細菌傳染率。

2.4防污清潔

T_iO₂光觸媒具有相當特殊的超親水性質(zhì)，所以水分很容易附著在T_iO₂表面上，若將T_iO₂薄膜鍍在玻璃、墻壁等材質(zhì)表面，在照射紫外光之后，不但可以把周遭環(huán)境中的污染物質(zhì)分解，且因表面不易被油污附著，使得表面污垢更容易去除。多應(yīng)用于居家磚墻、外墻磁磚、窗戶等。

3 PM2.5的危害

我們居住的環(huán)境中，除了自然界的粉塵，或是沙漠化的沙塵暴外，更有許多因汽機車產(chǎn)生的廢氣，以及工廠排出的廢氣，其中以氮化物及硫化物是空氣污染的指標，因為氮氧化物或硫化物在空氣中可生成毒性更大的硝酸或硝酸鹽形成酸雨，嚴重危害人體健康?？諝庵懈∮畏蹓m濃度對人體會有較大影響，對人體有害的粒徑約在0.3～10 pm之間。而小于2.5 μm粒徑的粒子，其傷害最大，它可穿透肺泡直達血液，這也是目前為人所知的PM2.5。根據(jù)美國NASA官網(wǎng)指出，PM2.5空氣污染引發(fā)美國每年有6萬人因其影響造成死亡，目前中國也深受PM2.5污染影響。而最好的淡化或分解其有害氣體的方式是森林的覆蓋，除此外以經(jīng)濟成本來說，進行光催化技術(shù)去除PM2.5的相關(guān)研究是最行之有效的辦法。

4光催化去除PM2.5的技術(shù)研究

根據(jù)有關(guān)試驗數(shù)據(jù)表明，涂裝1 000 m的光觸媒，相當于5 000 m的綠色植物，室內(nèi)種植景觀盆栽可以改善部分的空氣質(zhì)量，若在室內(nèi)也使用光觸媒素材，使用適當?shù)牟晒庠O(shè)計，除了可對抗PM2.5對人體的危害之外，還可分解因裝潢產(chǎn)生的甲醛及甲苯有害氣體。

透過光催化材料，高效分解PM2.5懸浮顆粒過高的空氣污染，以及揮發(fā)性有害氣體，也可消除車輛排放物中25%～45%的氮氧化物?？諝馐巧钪忻總€人都需要的，如今的空氣質(zhì)量越來越糟糕，各種污染元素彌漫，納米光觸媒技術(shù)既無二次污染，又不會產(chǎn)生有害物質(zhì)，是目前世界上最先進安全有效的空氣凈化技術(shù)，也能還給大家綠色的生活空間。

4.1生活環(huán)境改善

用于船底涂料的有機錫化合物、DDT和BHC農(nóng)藥、使用于建材的溶系劑和接著劑，包含在排氣中的致癌物質(zhì)，這些各式各樣的化學(xué)物質(zhì)成為分泌影響著人們生活環(huán)境的質(zhì)量，作用于人，體而引起過敏癥或先天皮膚炎，化學(xué)物質(zhì)過敏癥，利用光催化可有效改善這種現(xiàn)象。

通過處理工業(yè)排放物，即揮發(fā)性有機化合物（Volatile Organic Compounds，VOC）、硫氧化合物（SO_x）和氮氧化物（NO₂）的模塊化設(shè)計系統(tǒng)的設(shè)計，利用大氣化學(xué)以及先進的大氣氧化技術(shù)可從工業(yè)排放物中清除空氣污染物。其工作原理是在封閉反應(yīng)器系統(tǒng)中利用地球大氣的自然自凈特性。

氣候變化給全世界帶來了嚴峻的挑戰(zhàn)。隨著溫室氣體排放量增加、海平面上升，全球平均溫度也隨之上升，嚴峻的氣候模式加劇。這些變化，再加上其他全球動態(tài)（包括城市化加劇、富裕人口增加、經(jīng)濟大幅增長）的影響，會對家園、土地和基礎(chǔ)設(shè)施造成破壞。光催化技術(shù)支持處理影響空氣污染行業(yè)周圍社區(qū)的環(huán)境問題，也是目前研究去除PM2.5的主要方向。

4.2節(jié)約能源

在工業(yè)發(fā)展中，處理廢氣或污染的土地需要大量能源，更間接造成溫室效應(yīng)，因此，除了在提升太陽能、風(fēng)力的使用效能上，我們使用光線透光光觸媒來分解有害物質(zhì)，也不需要添購其他機器裝備，可以說是非常經(jīng)濟且環(huán)保的做法。

4.3光催化外墻凈霾自潔涂料

光催化外墻凈霾自潔涂料是一種₂水溶性溶膠涂料。將該涂料在常溫下涂覆于所需防護的基材表面，可形成一層堅固耐用的納米T_iO₂光催化保護薄膜，在太陽光照射下，產(chǎn)生良好的光催化分解有機物、抗菌和超親水特性。具體技術(shù)原理如圖1所示。

光催化外墻凈霾自潔（罩面）涂料可應(yīng)用于在建筑外墻、幕墻、橋梁、巨幅廣告牌品等戶外大型工程應(yīng)用領(lǐng)域，使建筑物長期保持整潔、干凈和嶄新的外觀、降低清潔維護費用。

該涂料主要涂覆于建筑物外表面，無毒副作用、耐磨性高、附著力強、耐酸雨侵蝕。在太陽光下具有光催化降解有機污物、凈化空氣、抗菌、抗老化等環(huán)保功能，其光誘導(dǎo)親水性達到自清潔目的。由于光催化涂層的光致親水性，上述兩種反應(yīng)后吸附在光催化涂層表面的產(chǎn)物可被雨水沖刷干凈，可重新裸露催化劑的活性中心，從而保持光催化劑的長效性。

4.4光催化炭系統(tǒng)

比如德國的INFUSER公司提供的專利光催化炭解決方案帶來了新型的最先進污染控制系統(tǒng)，可降低多達80%的炭成本，同時還能提高性能。該系統(tǒng)將高級氧化技術(shù)與傳統(tǒng)的炭過濾器結(jié)合，大多數(shù)污染負荷在正常運行條件下，在其到達炭過濾器前可降低高達95%。INFUSER的高級氧化技術(shù)無有害殘留，可減少更換炭的需求，使其他維護任務(wù)減到最少。INFUSER的光催化炭解決方案可與已安裝的炭過濾器結(jié)合，或者與新型炭過濾器模塊一起供應(yīng)。該系統(tǒng)可提供簡單的監(jiān)控系統(tǒng)，可根據(jù)污染負荷調(diào)整電力和能源消耗。該功能適合峰值排放量變化不定的制造商。

大氣由不同含量的多種不同氣體混合而成，這些氣體均具備維持生命的不同作用。百分含量常年不會改變的永久性氣體為氮氣、氧氣和氬氣?？諝庵械獨庹?8%、氧氣占21%、氬氣占0.9%。像CO₂、氮氧化物、甲烷和臭氧一樣的氣體屬于重要的氧化劑，約占到空氣的千分之一。這些大氣層氣體和陽光之間的反應(yīng)促進了很多日夜發(fā)生在大氣中的化學(xué)過程。從根本上來說，正是這些化學(xué)反應(yīng)清潔了我們呼吸的空氣和飲用的水。問題性污染物只有在人類活動產(chǎn)生的異常高濃度氣體（大多數(shù)來自汽油、柴油等化石燃料的不完全燃燒）進入大氣以及大氣的自凈能力無法持續(xù)時才會出現(xiàn)。在重要的大氣氣體之外，臭氧是最易管理的氧化劑，可人工生成和產(chǎn)生，該物質(zhì)非常有效，由常態(tài)氧氣即可生成。臭氧可有效地利用化學(xué)方法除去大氣中的污染物，該物質(zhì)也可在高濃度下應(yīng)用，以便在污染氣體逸出至空氣，構(gòu)成環(huán)境公害之前，在源頭位置解決異常高濃度的污染物。

INFUSER解決氣體生成問題的技術(shù)，即氧氣和臭氧發(fā)生器，可清除碳氫化合物并且加速發(fā)生在空氣中的自然自凈過程。NFUSER臭氧和氣體發(fā)生器的目標通常是利用比常規(guī)方法更小的空間來生成氧氣和臭氧，這樣方便設(shè)備移動和安裝，占用最小的空間，但是又能確保最佳輸出量。

4.5智能監(jiān)控系統(tǒng)按需進行空氣凈化

SMART-AIR是一種安裝在CLIMATIC上的智能型自動化附加裝置，可監(jiān)控空氣污染物以及CLIMATIC進行清潔的需要，如圖2所示。CLIMATIC可創(chuàng)造一種半封閉環(huán)境，將清潔空氣保持在建筑內(nèi)，同時將污染環(huán)境空氣阻擋在外。換句話說，SMART-AIR按需進行清潔。

SMART-AIR裝配了傳感器來記錄環(huán)境空氣污染負荷。城市和都市中心的污染負荷峰值出現(xiàn)在一天中的不同時刻，通常會隨季節(jié)變化。該系統(tǒng)具有多項優(yōu)勢：CLIMATIC的清潔模式可設(shè)置用于反應(yīng)特定位置的污染特征；若CLIMATIC感應(yīng)到污染等級低，則可關(guān)閉清潔功能，直到污染等級再次上升。這可節(jié)約能源并且延長CLIMATIC內(nèi)耗材的使用壽命；建筑內(nèi)的CO₂水平由其中人員數(shù)量和所開展的活動決定。周圍空氣僅在室內(nèi)CO₂超過閾值時供應(yīng)至通風(fēng)系統(tǒng)，因此CLIMATIC可進一步節(jié)約能源。

5結(jié)語

光催化技術(shù)在各項空氣治理技術(shù)中，由于安全性最高、不需要化學(xué)輔助劑及對環(huán)境不會造成二次污染而逐漸受到青睞和重視。目前雖然取得了一定的研究成果，但光催化對于PM2.5污染的改善技術(shù)應(yīng)用還未進入完全成熟的階段，還需要研究人員進一步的研究和探索。