光催化氧化技術(shù)在室內(nèi)空氣污染治理中的應(yīng)用研究進(jìn)展

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(中原工學(xué)院 能源與環(huán)境學(xué)院 ， 河南 鄭州 451191)

?綜述與述評(píng)?

光催化氧化技術(shù)在室內(nèi)空氣污染治理中的應(yīng)用研究進(jìn)展

劉玥，趙來(lái)群，鄭慧凡

(中原工學(xué)院 能源與環(huán)境學(xué)院 ， 河南 鄭州 451191)

概述了室內(nèi)空氣污染的危害及特點(diǎn)，分析了光催化氧化技術(shù)凈化室內(nèi)空氣的原理，介紹了光催化氧化技術(shù)的研究現(xiàn)狀，分析了光催化氧化技術(shù)凈化室內(nèi)空氣研究中存在的問(wèn)題，并對(duì)其發(fā)展前景進(jìn)行了展望。

光催化氧化 ； 室內(nèi)空氣污染 ； TiO2

Abstract: The harms and characteristics of the indoor air pollution are summaried.The principle of the photo cataly tic oxidation for purifying indoor air pollution is analyzed.The research status of photocatalytic oxidation technology is introduced.The problems existing in the purification of indoor air by photocatalytic oxidation are analyzed,and the prospect of its development is discussed.

Keywords:photocatalytic oxidation ； indoor air pollution ； TiO2

0 引言

近年來(lái)，隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人民生活水平的提高，大量新型裝飾材料和豪華時(shí)尚的現(xiàn)代家具及生活用品不斷進(jìn)入室內(nèi)，造成的室內(nèi)空氣污染已被列為四個(gè)關(guān)鍵的環(huán)境問(wèn)題之一[1]。中國(guó)室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心提供的數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)每年由于室內(nèi)空氣污染引起的死亡數(shù)可達(dá)11.1萬(wàn)人，急診數(shù)可達(dá)430萬(wàn)人次[2]。嚴(yán)重的室內(nèi)環(huán)境污染不僅危害人們的健康，也造成了巨大的醫(yī)療支出。因此如何有效地控制室內(nèi)污染、改善室內(nèi)空氣質(zhì)量是目前急待解決的問(wèn)題。

室內(nèi)空氣主要污染物包括甲醛、苯、甲苯等可揮發(fā)性有機(jī)物(VOC)[3-5]。室內(nèi)空氣污染的主要特點(diǎn)是成分比較復(fù)雜，室內(nèi)空氣中通常存有大量的致病微生物，并且室內(nèi)空氣污染的治理要求是不能有二次污染[6]。因此，目前急需要尋找、研究開(kāi)發(fā)安全、高效、穩(wěn)定的去除室內(nèi)環(huán)境污染的工藝方法。

目前，室內(nèi)空氣的凈化技術(shù)按其機(jī)理分主要有吸附、過(guò)濾、靜電分離、負(fù)離子分離、膜分離以及光催化氧化降解等。其中光催化氧化降解技術(shù)是近年來(lái)興起的一項(xiàng)新技術(shù)，該方法目前是世界各國(guó)研究的熱點(diǎn)。它可以利用包括太陽(yáng)光在內(nèi)的各種紫外光，在室溫條件下將各種VOC予以光解，并能將微生物滅活，能夠從根本上解決室內(nèi)污染物對(duì)人體的危害。并且具有能耗少、操作簡(jiǎn)單、無(wú)二次污染等優(yōu)點(diǎn)。

1 光催化氧化凈化空氣的機(jī)理

光催化材料通常是由填滿電子的低能價(jià)帶和空的高能導(dǎo)帶構(gòu)成。當(dāng)在紫外光照射下，光催化材料價(jià)帶中的電子會(huì)被激發(fā)躍遷至導(dǎo)帶形成帶負(fù)電荷的高活性電子e-，同時(shí)在價(jià)帶相應(yīng)產(chǎn)生帶正電荷的空穴h+，在體系內(nèi)電場(chǎng)的作用下，電子與空穴發(fā)生分離，遷移到粒子表面的不同位置同時(shí)在價(jià)帶上留下空穴，生成的電子—空穴對(duì)能夠轉(zhuǎn)移到半導(dǎo)體催化劑表面，形成一些具有強(qiáng)氧化性或者強(qiáng)還原性的物種，從而氧化或還原有機(jī)污染物，或者直接與吸附在催化劑表面的有機(jī)物發(fā)生氧化還原反應(yīng)。以常見(jiàn)的光催化劑TiO2為例，具體反應(yīng)機(jī)理見(jiàn)式(1)～(10)[7-9]。

(1)

H2O←→h++ OH-

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

2 在室內(nèi)空氣污染治理中的應(yīng)用

國(guó)內(nèi)外研究光催化氧化凈化室內(nèi)空氣技術(shù)是在20世紀(jì)90年代興起的，其原理是利用紫外光和光催化劑，由光催化反應(yīng)裝置將反應(yīng)體系吸收的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能，使室內(nèi)有害氣體及異味氣體等分解為無(wú)臭無(wú)害的產(chǎn)物，同時(shí)可殺滅室內(nèi)空氣中細(xì)菌、病毒等。光催化劑屬半導(dǎo)體材料，包括TiO2、SnO2、ZnO、CdS、WO3等。國(guó)內(nèi)外大量研究結(jié)果表明，納米TiO2光催化技術(shù)可以很好地降解室內(nèi)NH3、甲醛和甲苯等主要污染物，降解效率>90 %[10-11]。納米材料光催化是目前最具發(fā)展前景的室內(nèi)空氣凈化技術(shù)，但是它不能凈化空氣中的懸浮物及細(xì)微顆粒物；同時(shí)催化劑微孔易被灰塵和顆粒物堵塞，而使其失活。因此，為了使光催化氧化在空氣污染治理中推廣應(yīng)用，通常將TiO2固定于一定的載體上進(jìn)行光催化反應(yīng)。

熊平[12]研究了以10 mm厚度海綿狀活性炭過(guò)濾網(wǎng)為載體，在波長(zhǎng)為365 nm的紫外光照射下，TiO2濃度為4%時(shí)，光催化氧化工藝對(duì)室內(nèi)甲醛去除率可達(dá)93.88%。Ho[13]研究了陶瓷泡沫空氣過(guò)濾器涂覆中孔TiO2薄膜用于室內(nèi)空氣凈化中高效光催化降解NO。研究結(jié)果表明，由于中孔TiO2薄膜涂層具有較大的有效比表面積，其表面存在很多吸附活性位，用于吸附在反應(yīng)過(guò)程中形成的水蒸氣、氣相反應(yīng)物和產(chǎn)物，因而具有更高的光催化活性，因此在陶瓷泡沫空氣凈化系統(tǒng)中可以高效地光催化NO降解。侯付彬[14]采用活性炭纖維(ACF)負(fù)載TiO2光催化氧化技術(shù)在模擬裝置內(nèi)進(jìn)行光催化氧化氮氧化物、硫氧化物及有機(jī)廢氣等有害廢氣的研究。研究結(jié)果表明，在常溫常壓和254 nm紫外燈的照射下，室內(nèi)常見(jiàn)氣態(tài)污染物的處理效率都能達(dá)到90%左右。周曉麗[15]研究了以介孔SiO2吸附劑為載體制備了具有吸附—光催化SiO2-TiO2材料，以氣相甲苯和乙醛為模擬室內(nèi)污染物，通過(guò)系列實(shí)驗(yàn)研究了所制備材料的吸附和光催化性能，部分解決了光催化劑難分離，不易回收，吸附能力差和催化活性弱的問(wèn)題。吳燕等[16]研究了通過(guò)摻鑭改性納米TiO2光催化薄膜來(lái)提高它的光催化活性和可見(jiàn)光利用率，并將其應(yīng)用于室內(nèi)空氣中甲醛氣體的治理，取得了良好的效果。

3 問(wèn)題與展望

在光催化氧化去除空氣污染物的過(guò)程中，可利用的催化劑種類繁多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但是去除的目標(biāo)物均比較單一。并且大多數(shù)的催化劑光催化氧化工藝僅處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，主要是以單一污染物為去除的目標(biāo)污染物。實(shí)驗(yàn)條件為模擬實(shí)驗(yàn)，光催化反應(yīng)器的利用效率不高；由于檢測(cè)條件的限制，目標(biāo)污染物的濃度往往高于其在實(shí)際空間中的存在極限，通常在較高的去除率情況下，模擬環(huán)境中目標(biāo)物的殘余濃度仍高于實(shí)際空間中的存在限值。目前對(duì)于光催化氧化技術(shù)中所使用的催化劑大部分停留在納米催化劑的使用效能上，這些催化劑雖然具有較高的催化活性，但是難以回收利用，因此在實(shí)際環(huán)境處理中很難推廣應(yīng)用。而對(duì)于負(fù)載型的催化劑雖然解決了回收的問(wèn)題，但是該類催化劑的催化活性明顯降低，并且制備成本比較高。因此選擇高效、穩(wěn)定、易于回收利用、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的催化劑是光催化氧化技術(shù)在室內(nèi)環(huán)境治理中普遍推廣的前提。

目前，光催化氧化技術(shù)凈化空氣污染物的研究雖然存在不少問(wèn)題，但是由于納米、材料等技術(shù)的迅猛發(fā)展，使得光催化氧化技術(shù)在去除室內(nèi)空氣污染方面仍有很廣闊的發(fā)展前景。例如可以考慮將光催化劑添加或者涂附到各種裝飾材料中減少VOC的釋放，也可以考率將光催化氧化技術(shù)用于空調(diào)系統(tǒng)和空氣凈化器中，從而有效降解室內(nèi)空氣中的污染物質(zhì)，減少其對(duì)人體健康的危害[17]。

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ApplicationResearchProgressofPhotocatalyticOxidationTechnologyinIndoorAirPollutionControl

LIUYue,ZHAOLaiqun,ZHENGHuifan

(School of Energy & Environment Engineering, Zhongyuan University of Technology , Zhengzhou 451191 , China)

TQ426.1 ， X799.3

A

1003-3467(2017)09-0007-03

2017-05-28

河南省供熱空調(diào)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室(2016HAC205 & 2016HAC202)；河南省科技攻關(guān)計(jì)劃(172102210074)；中國(guó)紡織工業(yè)聯(lián)合會(huì)科技指導(dǎo)性項(xiàng)目(2016087)

劉 玥(1983-)，女，副教授，博士，從事水污染控制理論研究工作，電話：0371-62506050，E-mail：yue5757@sina.com。