納米光催化技術(shù)在大氣污染治理中的應(yīng)用探究

楊 飛

（山西省長(zhǎng)治生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心 山西長(zhǎng)治 046000）

引言

在大氣污染治理過(guò)程中，納米光催化技術(shù)的應(yīng)用有著較為顯著的效果，能夠大幅提升污染的治理效果。納米光催化技術(shù)的應(yīng)用具備光敏效果明顯、應(yīng)用效率高，以及對(duì)人體與環(huán)境沒(méi)有危害性的優(yōu)勢(shì)，成為了現(xiàn)今空氣凈化領(lǐng)域最為先進(jìn)與應(yīng)用較為廣泛的技術(shù)之一。因此，加強(qiáng)對(duì)納米光催化技術(shù)在大氣污染治理中的應(yīng)用研究，分析其在大氣污染治理中的應(yīng)用原理，在解決霧霾污染，治理和優(yōu)化人類生活環(huán)境方面有著重要的現(xiàn)實(shí)意義[1]。在大氣污染治理過(guò)程中，溫室效應(yīng)與臭氧層空洞是最為嚴(yán)重的問(wèn)題，對(duì)大氣污染進(jìn)行有效治理成為了社會(huì)各界高度關(guān)注的問(wèn)題。在科技水平不斷進(jìn)步的推動(dòng)作用下，納米光催化技術(shù)進(jìn)入了大氣環(huán)境污染治理領(lǐng)域，尤其是在室內(nèi)空氣凈化、汽車尾氣凈化等方面有著較為顯著的應(yīng)用效果。此外，在其他領(lǐng)域的空氣污染治理，納米光催化技術(shù)也有著極大的應(yīng)用潛力。

1 納米光催化技術(shù)相關(guān)概述

在對(duì)大氣污染治理過(guò)程中，各行各業(yè)不斷摸索出許多方法，如從源頭控制污染源、降低可燃物燃燒量、汽車尾氣控制與處理、工業(yè)廢氣處理等，也采用了諸如化學(xué)、物理，或者是采用催化劑等的方法對(duì)有害氣體進(jìn)行無(wú)毒無(wú)害化處理。隨著工業(yè)生產(chǎn)、社會(huì)生活等排放的污染物越來(lái)越復(fù)雜，造成的大氣污染種類也越來(lái)越多，采用傳統(tǒng)的治理方式難以取得理想效果。在科技不斷進(jìn)步的推動(dòng)下，納米技術(shù)在空氣污染治理領(lǐng)域的應(yīng)用也越來(lái)越深入，基于納米光催化技術(shù)為核心的空氣污染治理體系，不但節(jié)能環(huán)保其效果顯著，而且符合國(guó)家新能源政策與可持續(xù)發(fā)展理念，在我國(guó)大氣污染治理方面有著較為重要的應(yīng)用[2]。

2 納米光催化技術(shù)應(yīng)用對(duì)于環(huán)境保護(hù)的重要意義

2.1 大氣治理

工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的CO、SO2、NOx等氣體會(huì)對(duì)大氣造成嚴(yán)重污染，帶來(lái)酸雨、光化學(xué)煙霧、溫室效應(yīng)等，甚至對(duì)人體健康造成直接威脅。光催化納米材料與納米光催化技術(shù)的應(yīng)用能夠有效對(duì)低濃度有害氣體進(jìn)行降解，較大程度地凈化空氣。例如借助TiO2材料，配合相應(yīng)的納米光催化技術(shù)的應(yīng)用能夠?qū)崿F(xiàn)較好的吸附有害氣體、殺菌、凈化空氣的效果。

2.2 水污染治理

在無(wú)機(jī)廢水處理方面，納米光催化材料的應(yīng)用能夠氧化低氧化態(tài)的有毒無(wú)機(jī)物，還原高氧化態(tài)的有毒無(wú)機(jī)物，從而降解無(wú)機(jī)污染。而且這類廢水中的可回收的重金屬含量較多，利用TiO2能夠有效吸附汞、銀等離子，實(shí)現(xiàn)重金屬的回收再利用。在有機(jī)廢水處理方面納米光催化技術(shù)的應(yīng)用主要包括在對(duì)農(nóng)藥廢水、化工廢水、含油廢水、印染廢水、造紙廢水等的去害作用方面。在自來(lái)水凈化方面，主要借助TiO2納米光材料的催化作用，降解有機(jī)物、無(wú)機(jī)物，進(jìn)行殺菌凈化。

2.3 噪音控制

經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，使得車輛、船舶、飛機(jī)以及一些經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生較大噪音，長(zhǎng)期噪音影響下人們的身心健康將會(huì)受到嚴(yán)重危害。利用納米光催化技術(shù)制造的以TiO2為主要材料的潤(rùn)滑劑的應(yīng)用，能夠在發(fā)動(dòng)機(jī)的表面形成永久性的固態(tài)膜，提高潤(rùn)滑效果，降低摩擦噪音。

3 納米光催化技術(shù)在大氣污染治理中應(yīng)用技術(shù)理論及發(fā)展前景

在能帶理論基礎(chǔ)中表明了半導(dǎo)體能帶非連續(xù)性。在常態(tài)環(huán)境中，低能價(jià)帶帶電而高能導(dǎo)帶不帶電，兩者之間是禁帶聯(lián)系。若是半導(dǎo)體獲得的光量子能量比禁帶帶隙能量光照射產(chǎn)生的電子量大時(shí)，低能價(jià)帶電子被打擊到高能導(dǎo)帶上，使導(dǎo)帶生成高活性負(fù)電電子，此時(shí)價(jià)帶上產(chǎn)生相應(yīng)數(shù)量的帶正電電子空穴，進(jìn)而使半導(dǎo)體表面產(chǎn)生高度活性電子空穴對(duì)，電子空穴對(duì)受到電場(chǎng)作用會(huì)產(chǎn)生分離效果以及轉(zhuǎn)移至半導(dǎo)體表面，變成活性氧自由基，進(jìn)而和半導(dǎo)體催化劑表面多種污染物產(chǎn)生氧化還反應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)污染物的有效降解[3]。一般來(lái)說(shuō)，只有禁帶寬度特征較為明顯的，及帶隙能的半導(dǎo)體，才能作為光催化劑，目前TiO2是較為常用的光催化劑。這種半導(dǎo)體具備較好的催化活性，與能量較大、帶隙能光照情況相結(jié)合催化劑避免的納米粒子價(jià)帶上的電子將會(huì)受到激發(fā)而出現(xiàn)遷躍為帶電子附上極為的還原性特征，進(jìn)而吸附空氣中的污染物。加上TiO2的化學(xué)性能與光電性能都較為穩(wěn)定，具備耐腐蝕、耐光照的應(yīng)用特性，不會(huì)對(duì)人體健康產(chǎn)生危害。加上應(yīng)用的價(jià)格成本不高，具備較高的應(yīng)用性價(jià)比。以TiO2催化劑作為大氣污染治理納米光催化技術(shù)的應(yīng)用，僅僅需要陽(yáng)光進(jìn)行激發(fā)即可，不必進(jìn)行一些較為復(fù)雜的操作流程，應(yīng)用較為方便快捷，其在應(yīng)用過(guò)程中也不會(huì)產(chǎn)生二次污染，應(yīng)用效益較為顯著。在光催化技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中，納米光催化材料至關(guān)重要重要，選擇、制造合適的催化劑成為了當(dāng)前納米光催化技術(shù)在大氣污染治理的應(yīng)用關(guān)鍵所在。雖然，目前各國(guó)科學(xué)人員不斷致力于對(duì)新型、高效、經(jīng)濟(jì)催化材料的研究、發(fā)現(xiàn)，但總體上進(jìn)展緩慢。因此，在較長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，納米光催化技術(shù)在大氣污染治理中的應(yīng)用依然集中在尋找合適載體作為催化劑的負(fù)載，經(jīng)過(guò)對(duì)其不斷完善、改進(jìn)，提高活性與反應(yīng)效率，提高反應(yīng)效益。對(duì)性質(zhì)優(yōu)良、可大批量制造、無(wú)污染的納米光催化劑的的尋找與應(yīng)用成為世界高度關(guān)注的焦點(diǎn)。

4 大氣污染治理過(guò)程之納米光催化技術(shù)的具體應(yīng)用

4.1 大氣凈化

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)與生活水平不斷提高，大氣污染也越發(fā)的受到社會(huì)各界的高度關(guān)注，大氣污染產(chǎn)生的一系列問(wèn)題，如酸雨、臭氧層空洞、溫室效應(yīng)等，急需得到有效解決。對(duì)于大氣中的硫化物、氮氧化物、碳化物等有害氣體的治理，納米材料與納米技術(shù)應(yīng)用發(fā)揮著為極為明顯的效果，能夠?qū)⑦@些物質(zhì)轉(zhuǎn)化成為無(wú)害的空氣成分，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣的凈化效果。近些年，國(guó)內(nèi)利用半導(dǎo)體光催化技術(shù)來(lái)進(jìn)行空氣凈化研究并獲得了較大的發(fā)展，相關(guān)研究人員研發(fā)出活性炭-納米TiO2復(fù)合光催化空氣凈化網(wǎng)，在制定環(huán)境中能夠有效凈化空氣中的污染物。如，能夠凈化達(dá)60.1%的一氧化硫，能夠凈化96.5%左右的氨氣等。通過(guò)比較實(shí)驗(yàn)可知該空氣京華網(wǎng)能夠大幅提升光催化效率，并且能夠運(yùn)用光催化效應(yīng)來(lái)達(dá)到活性炭原位再生的效果。此外，相關(guān)研究人員研發(fā)的碳黑改性納米TiO2光催化膜，能夠使得TiO2光催化劑活性大幅增強(qiáng)，且穩(wěn)定性能極佳[4]。

4.2 石油脫硫催化

石油具備含能高、燃燒效率高的優(yōu)點(diǎn)而在工業(yè)、化工等生產(chǎn)領(lǐng)域成為了不可或缺的能源燃料，但其在燃燒過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的、具備高污染性的硫化物，對(duì)大氣生態(tài)環(huán)境、人類健康造成嚴(yán)重威脅。因此，石油脫硫成為了石油產(chǎn)品生產(chǎn)與應(yīng)用過(guò)程中必不可少的步驟。相關(guān)研究人員通過(guò)TiO2光催化劑來(lái)對(duì)不同濃度H2S 進(jìn)行講解的效率進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，對(duì)于33～855（×10-6）濃度范圍的H2S，TiO2的降低率高達(dá)99%[5]。而納米鈦酸鈷是當(dāng)前應(yīng)用效果較為明顯的石油脫硫催化劑，能夠在石油脫硫催化中將油品硫含量降低在0.01%以下，脫硫效益較為明顯[6]。

4.3 汽車尾氣凈化催化

近年來(lái)，汽車人均擁有水平越來(lái)越高，汽車尾氣排放越發(fā)成為了大氣污染不可忽視的污染源之一，因此，實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車尾氣凈化也自然成為了大氣污染治理重要內(nèi)容。其中汽車尾氣的污染物主要包括了硫氧化合物、一氧化碳、固體懸浮微粒、氮氧化物等。納米光催化技術(shù)的應(yīng)用，如采用納米的鐵、鎳等燒結(jié)體作為汽車尾氣處理器，能夠大大提高處理效果，進(jìn)而有效降低有害氣體排放。將合適的納米材料應(yīng)用到汽車發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸中，在汽油燃燒階段對(duì)汽車尾氣進(jìn)行更為有效的處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車尾氣的有效凈化[7]。此外還有研究人員發(fā)現(xiàn)，王半柔性堿性水泥路面內(nèi)加入TiO2催化材料能夠?qū)⑵囄矚鈨?nèi)的各類污染物減少，路面堿性水泥通過(guò)發(fā)生中和反應(yīng)來(lái)有效去除粘附于催化材料表層無(wú)機(jī)酸的催化產(chǎn)物，確保催化材料具有良好的活性。并且還可有效提高路面的抗滑性與耐磨性，通常適合用在長(zhǎng)隧道、坡道、收費(fèi)站、停車場(chǎng)等汽車尾氣排放量較大的地點(diǎn)。

4.4 室內(nèi)空氣凈化

在室內(nèi)裝修過(guò)程中，一些裝修材料的應(yīng)用會(huì)產(chǎn)生許多對(duì)人體危害較大的氣體，如甲醛、苯等。采用納米二氧化鈦涂層則能夠起到很好的凈化應(yīng)用效果，借助紫外線先的照射作用對(duì)這些有害氣體進(jìn)行分解[8]。同時(shí)，納米二氧化鈦涂層在殺菌方面也有著較好的應(yīng)用效果，在光照作用下能夠有效破壞細(xì)菌結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)菌的有效殺傷[8]。除此之外，相關(guān)研究表明，將有機(jī)與無(wú)機(jī)納米纖維復(fù)合形成高質(zhì)量的納米纖維，以此為材料制作得到過(guò)濾性能較好的過(guò)濾網(wǎng)，將其應(yīng)用于空氣凈化裝置與自然風(fēng)系統(tǒng)中，能夠有效過(guò)濾進(jìn)入室內(nèi)的空氣污染物，達(dá)到凈化室內(nèi)空氣的效果。

結(jié)語(yǔ)

在經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的同時(shí)，帶來(lái)的大氣污染問(wèn)題也越來(lái)越嚴(yán)重，隨著空氣污染物成分的越來(lái)越復(fù)雜，采用的傳統(tǒng)治理方法已經(jīng)無(wú)法取得明顯的治理效果。納米光技術(shù)的出現(xiàn)與應(yīng)用在較大程度上彌補(bǔ)了傳統(tǒng)治理方法的不足，并且在多個(gè)領(lǐng)域有著較好的應(yīng)用效果，體現(xiàn)出了較好的應(yīng)用前景。因此，應(yīng)對(duì)納米光催化技術(shù)在大氣污染中的應(yīng)用進(jìn)行研究、創(chuàng)新，不斷實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣污染治理效果提升，為大氣污染做出更大貢獻(xiàn)。