光催化治理技術(shù)在城市綠色生態(tài)住宅項目的應(yīng)用

李景輝，許立財，李浩杰

(1.蘭州零度空間建設(shè)工程有限責(zé)任公司,甘肅 蘭州 730099;2.二十一冶建設(shè)集團有限公司，甘肅 蘭州 730099； 3.河南科技大學(xué)能源與動力工程系，河南 洛陽 471003)

1 概述

城市綠色生態(tài)小區(qū)建設(shè)是城市生態(tài)文明建設(shè)的重要內(nèi)容，是現(xiàn)代城市從粗放式建設(shè)發(fā)展到集約內(nèi)涵式發(fā)展的必由之路。隨著人們經(jīng)濟水平的提高，對生活環(huán)境改善的訴求逐漸提高，舒適的生態(tài)環(huán)境(潔凈的空氣、干凈的飲水)越來越成為城市居民在選擇居住地的首要考慮。全方位對城市水體和室內(nèi)外大氣主要污染物進(jìn)行治理是規(guī)劃建設(shè)綠色生態(tài)小區(qū)的重要內(nèi)容。目前，對室內(nèi)外的空氣污染物治理主要靠活性炭等物理性吸附的辦法，但這種方法效果有限，使用成本較高，后期處理麻煩，對室外空氣治理難以奏效。城市水體污染治理方法主要為活性污泥法，這種方法對一般的生活污水具有一定的凈化作用，但對于一些低濃度、高分子有機污染物效果不佳。近些年來，針對城市水體中低濃度、高分子有機污染物的凈化處理，研究者做了大量的研究工作，并提出了一些行之有效的新方法新技術(shù)，如光催化氧化技術(shù)、凝絮處理技術(shù)、膜處理技術(shù)等。其中，光催化技術(shù)能耗低、污染物降解后不易產(chǎn)生二次污染，凈化處理設(shè)備簡單，能夠?qū)諝庵形廴疚锖退w中低濃度、高分子有機污染物進(jìn)行有效去除，光電子能夠解離氧化空氣中污染物，也可將水體中大分子有機污染物氧化為小分子物質(zhì)，改善其生化降解性。因此，越來越受到研究者和工程技術(shù)人員的青睞。本文主要闡述光催化技術(shù)在城市水體和大氣典型污染物環(huán)境治理領(lǐng)域的研究進(jìn)展及其在城市綠色生態(tài)小區(qū)項目建設(shè)中的應(yīng)用。

2 光催化技術(shù)的基本原理及應(yīng)用

TiO2+hv→e-+h+

(1)

(2)

H2O→OH-+H+

(3)

h++OH-→*OH

(4)

1972年，F(xiàn)ujishima和Honda模仿植物光合作用，設(shè)計了太陽能光電池，使用TiO2單晶電極實現(xiàn)了光電催化水分解制氫[1]。從此，光催化技術(shù)進(jìn)入人們的視野并引起了極大的研究探索興趣。隨后，光催化技術(shù)在氫能制備、有機污染物降解、殺菌消毒、大氣污染物治理、化學(xué)合成等方面均得到了深入的研究和應(yīng)用。Liu等[2]制備內(nèi)嵌碳量子點的C3N4可見光催化劑催化分解水制氫，光催化量子效率達(dá)到2%，且催化劑具有較好的催化穩(wěn)定性和可重復(fù)使用性。Nagajyothi等[3]采用Ag納米顆粒負(fù)載功能性碳納米管上制備Ag/f-MWCNTs，并在可見光照射下進(jìn)行降解有毒有機染料和細(xì)菌滅火實驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在太陽光照射下60 min后有毒有機染料基本得到降解，150 min 后細(xì)菌滅活率達(dá)到接近100%水平，效果十分顯著，細(xì)菌滅活實驗圖如圖2所示。Xiong等[4]通過制備了BiOCl光催化劑，成功在可見光照射下催化降解有機染料羅丹明B，且獲得了較高的光催化活性。Adrien等[5]將光催化功能材料TiO2摻混到室內(nèi)油漆涂料中，發(fā)現(xiàn)添加適量的TiO2能夠有效去除室內(nèi)空氣中NOx，凈化室內(nèi)空氣。這些研究大大開拓了光催化技術(shù)的應(yīng)用空間。光催化技術(shù)能有效地發(fā)揮氧化降解環(huán)境污染物的作用，這些技術(shù)特征與綠色生態(tài)小區(qū)有機物廢水和室內(nèi)外NOx,SOx,VOCs,CH2O等污染物的治理需求相匹配，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

3 光催化技術(shù)在綠色生態(tài)住宅小區(qū)中的應(yīng)用

3.1 在綠色生態(tài)小區(qū)污水治理的應(yīng)用

綠色生態(tài)住宅小區(qū)污水中，按其來源可以分為居民生活排污水和草木綠化中化肥農(nóng)藥污染的廢水兩大類。居民小區(qū)水體中常見的有機污染物包括天然有機化合物及致病菌，如水中動、植物分解而成的腐殖酸及病毒、細(xì)菌等，還包括人工合成的有機物，如硝酸鹽類、揮發(fā)苯酚類、氰化物、藻毒素等。利用光催化技術(shù)不僅能夠處理多種難降解有機污染物，而且具有很好的除菌及抑制病毒活性的作用，許多光催化劑本身無毒，不會造成二次污染，在處理難降解有機廢水和致病菌方面有著其他污水治理技術(shù)無法比擬的優(yōu)勢。王利俊等[6]利用TiO2光催化材料光催化有毒氰化物，將 Au(CN)4-中CN-氧化為NH3和CO2，不僅消除氰化物對環(huán)境的污染，還還原了廢液中的貴金屬Au，實現(xiàn)了環(huán)境治理和經(jīng)濟性的統(tǒng)一。張宏忠等[7]采用相轉(zhuǎn)換法制備TiO2/PVDF膜，將該復(fù)合膜用于處理牛血清蛋白(BSA)溶液模擬的天然大分子有機廢水，光催化技術(shù)縮短了常規(guī)廢液處理周期，光催化技術(shù)與膜分離技術(shù)耦合后增加了膜的使用壽命，顯著提高了經(jīng)濟性。光催化與膜分離技術(shù)工藝的耦合表現(xiàn)出高效的催化降解、膜分離、滅菌消毒與自潔凈的多功能一體化的水處理特性，更加適合城市綠色生態(tài)小區(qū)污水治理的應(yīng)用。

工程建設(shè)中，綠色生態(tài)小區(qū)中通常要鋪設(shè)透水磚，透水磚主要為雨水的下滲提供路徑，減少地表徑流量的同時，達(dá)到凈化雨水的功能。但透水磚使用過程中容易出現(xiàn)孔隙被有機物等堵塞，產(chǎn)生異味等現(xiàn)象，如果將光催化降解有機物技術(shù)應(yīng)用于透水磚上，光照條件下，光催化劑可以降解透水磚孔隙中的污染物，使透水磚具有防污、凈化雨水的功能，有效解決透水磚堵塞問題。大連理工大學(xué)荊揚揚[8]將TiO2前驅(qū)體負(fù)載到透水磚的孔隙中，制作出一種具有光催化性能的透水磚，經(jīng)實驗驗證得出光催化技術(shù)可以對透水磚中堵塞的有機物進(jìn)行分解減量，使透水磚具有自清潔的功能。圖3為自清潔光催化功能型透水磚原理示意圖。

3.2 室內(nèi)外空氣污染治理的應(yīng)用

相比生態(tài)小區(qū)污水治理，由于空氣具有特殊流動性等特征，小區(qū)室內(nèi)外空氣治理具有較大的難度。目前，光催化技術(shù)與綠色建筑材料技術(shù)的耦合，為解決空氣污染物治理提供了一條行之有效的方法。

3.2.1 光催化功能型涂料

將光催化材料與建筑涂料相結(jié)合，光催化涂料能直接利用光能降解各種氣體污染物，包括NOx,SOx,CH2O等。利用光催化劑制成的涂料制品已經(jīng)開始被應(yīng)用于環(huán)保涂膜的各個領(lǐng)域。現(xiàn)代高層建筑的外墻面主要是通過高空吊繩人工進(jìn)行清洗，如將光催化材料加載于建筑混凝土中，利用光催化效應(yīng)去除周圍環(huán)境中的有機污染物實現(xiàn)建筑外墻的自潔功能，則改善了建筑維護成本，具有較好的應(yīng)用經(jīng)濟性。李景潤等[9]將硅藻頁巖按一定比例摻混入納米TiO2光催化材料，制備出兼具有室內(nèi)濕度調(diào)節(jié)、甲醛吸附降解作用的內(nèi)墻涂料，結(jié)果證明納米TiO2的摻入使硅藻頁巖內(nèi)墻涂料獲得了凈化甲醛的功能，室內(nèi)甲醛在240 min后凈化率達(dá)82.1%。將具有光催化響應(yīng)的材料加入道路鋪設(shè)水泥或者瀝青中，形成功能性氧化路面，在光照條件下，光催化作用將氧化路面附近尾氣中的NOx，將其分解生成無毒無害的硝酸鹽，達(dá)到長效治理汽車尾氣的作用。圖4為光催化功能型路面降解汽車尾氣污染物示意圖。李麗[10]在南京長江大橋上開展了光催化混凝土路面去除道路上NOx的研究，監(jiān)測數(shù)據(jù)證實了光催化功能型混凝土路面對汽車尾氣中NOx降解清除效果明顯。高衣寧[11]制備了Ag/AgBr/MOC水泥基硅酸鹽復(fù)合材料，在室溫下，2 d內(nèi)就可以把初始濃度(質(zhì)量濃度)50 g/m3的甲醛降解完全。

3.2.2 光催化功能型建筑外墻

光催化功能型外墻玻璃和建筑板材是在普通建筑玻璃和板材生產(chǎn)過程中涂覆或者摻雜具有光催化響應(yīng)特征的半導(dǎo)體材料，使之具有去除有害氣體、致病菌、降解有機污染物、保持表面清潔等功能，在小區(qū)公共建筑外墻具有較好的應(yīng)用前景。Ho[12]采用中孔TiO2薄膜涂覆陶瓷泡沫空氣過濾器，并用于室內(nèi)空氣凈化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)制成的陶瓷泡沫空氣凈化系統(tǒng)可以高效的對空氣中NOx進(jìn)行光催化降解，并認(rèn)為中孔TiO2薄膜涂層的較大的有效比表面積，較多的吸附和催化活性位點是其高光催化活性的主要原因。吳燕[13]通過改性納米TiO2光催化薄膜，并用于室內(nèi)空氣中氣體甲醛的治理，取得了良好的效果，并發(fā)現(xiàn)TiO2的金屬摻雜改性可以明顯提高光催化降解甲醛活性和可見光利用率。李娟等[14]通過金屬離子非均勻摻雜TiO2薄膜，并應(yīng)用在玻璃及陶瓷基體上，獲得了較好的自潔效果的建筑玻璃。圖5為住宅建筑中可裝配光催化功能型外墻和玻璃幕墻部位示意圖，圖6為李娟課題組研究的鍍光催化材料的玻璃的效果圖，由圖5可得鍍光催化材料的玻璃面具有自清潔功能，玻璃面沒有水珠掛壁現(xiàn)象。

3.2.3 室內(nèi)光催化空氣治理

隨著居住房屋室內(nèi)裝修精致化，室內(nèi)環(huán)境里甲醛、苯等污染物超標(biāo)現(xiàn)象較為嚴(yán)重，這不僅引起人體呼吸道的不適，嚴(yán)重時還可以引發(fā)白血病等疾病。光催化治理技術(shù)在室內(nèi)空氣治理上也有著獨特的優(yōu)勢，如凈化空氣的光催化功能型窗簾、室內(nèi)光催化劑涂料等。近年來，把室內(nèi)空氣治理和室內(nèi)裝飾藝術(shù)相結(jié)合越來越成為追捧的熱潮，如有研究者設(shè)計了仿生光催化植物的空氣凈化技術(shù)。利用活性炭與金屬泡沫材料的優(yōu)良吸附特性吸附空氣中污染氣體醛、醇、酮、烴等，植物葉片表層涂覆光催化劑，通過活性炭與金屬泡沫材料把有毒氣體吸附到仿生植物表面，光催化材料通過光催化作用將有毒氣體降解，實現(xiàn)空氣凈化[15]，如圖7所示。此外，仿生光催化植物通過設(shè)計成不同的藝術(shù)化樣式(如圣誕樹、闊葉植物或多肉植物等)，可實現(xiàn)家居藝術(shù)化和健康功能化的統(tǒng)一。

4 光催化技術(shù)在住宅小區(qū)應(yīng)用中的問題與展望

4.1 應(yīng)用存在的問題

常規(guī)光催化劑(TiO2,SiC等)的光譜響應(yīng)范圍主要在紫外光范圍內(nèi)，可見光利用率低。生態(tài)住宅小區(qū)中綠化樹木和樓宇的存在，使自然直射太陽光面積減少，散射光增多，這些散射光光譜主要為可見光和紅外光譜，普通光催化劑對自然散射光利用率較低，對有機廢物和空氣污染物治理能力降低。此外，在建筑材料中添加光催化功能材料會一定程度影響建筑材料(如涂料、水泥、板材、玻璃幕墻等)的結(jié)構(gòu)力學(xué)和物化性能，光催化功能材料和建筑涂料的摻混或涂覆會影響其光化學(xué)性能，進(jìn)而影響其光催化降解污染物的能力。最后，生態(tài)住宅小區(qū)屬于自然開放性環(huán)境，光催化性能難以準(zhǔn)確測量，進(jìn)而難以定量的對其降解污染物的效能進(jìn)行評價。

4.2 技術(shù)展望

1)通過納米技術(shù)、構(gòu)建半導(dǎo)體P-N結(jié)等技術(shù)手段改進(jìn)傳統(tǒng)光催化劑的催化性能，使之能在可見光及紅外光光譜范圍內(nèi)進(jìn)行響應(yīng)，提高光催化劑對自然太陽直射光和散射光的適應(yīng)性。

2)研究光催化功能性材料與建筑基材之間的相互影響，優(yōu)化光催化功能型材料與建筑基材的配方，保證光催化功能材料的功能性和建筑材料的結(jié)構(gòu)力學(xué)和物化性能的最優(yōu)化。

3)光催化降解污染物技術(shù)與其他技術(shù)的耦合，比如通過光催化技術(shù)和靜電吸附過濾技術(shù)耦合強化室內(nèi)外氣體污染物的治理能力，利用光催化降解氣體污染物技術(shù)與通風(fēng)空調(diào)技術(shù)融合，更加有效改善室內(nèi)的空氣質(zhì)量等。