可見光光催化材料應用于照明燈具的環(huán)境凈化性能研究

陳美玲 丁文超 韋曉珊 楊子鍵 朱奕光

（佛山電器照明股份有限公司，廣東 佛山 528000）

0 引言

隨著工業(yè)革命和經濟的持續(xù)發(fā)展，空間環(huán)境的污染對人類健康的威脅已成為一個世界難題?？諝庵械牟《尽⒓毦?、真菌和揮發(fā)性有機化合物等都對人體健康構成極大的威脅。因此，空氣凈化問題已經引起了人們的極大關注。

目前市場上主流的空氣凈化技術主要包括物理吸附法、負離子凈化技術、等離子凈化技術和臭氧凈化技術等。然而，物理吸附法存在吸附效率不高、吸附飽和以及污染物二次釋放等問題?？諝庳撾x子發(fā)生器存在壽命短、釋放臭氧以及超氧等衍生物。等離子凈化技術在凈化過程中會產生臭氧等有害物質，價格相對較貴且操作復雜。臭氧凈化技術產生的臭氧對人體健康有害，無法實現人機共存。

光催化技術具有光催化作用持久、化學性質穩(wěn)定和價格低廉等優(yōu)點。傳統的紫外光光催化技術需要特定的紫外波段，對人體健康不利，使其凈化應用受限。為了解決紫外光對人體的危害風險，該文通過光將可見光光催化材料與照明燈具相結合開發(fā)了一種可見光光催化燈具，此類燈具安全環(huán)保、凈化徹底、可人機共存且具有超長壽命，是具應用前景的凈化技術手段之一。

1 材料的光催化性能及其速率常數測試分析報告

為了驗證光催化材料本身的光催化性能，該文通過有機染料羅丹明B（RhB）作為模擬污染物以評價其光催化性能。材料光催化性能及其速率常數的測試方法如下：量取90 mL光觸媒液體與10 mL羅丹明B（1×10-4 mol/L）溶液于反應玻璃瓶中，并將混合物置于黑暗處（完全避光環(huán)境）磁力攪拌至60 min以達到吸附-脫附平衡。然后以300 W氙燈作為光源進行光催化降解，每間隔20 min進行取樣，直至完全降解羅丹明B溶液為無色為止，每次取樣為3.5 mL，最后經過離心除去光觸媒固體，取上清液測定其吸光度值。對RhB去除率（%）的計算如公式（1）所示。

式中：和A分別為染料溶液在0 min和每間隔一段光照時間于λ～554 nm處的最大吸收峰。

測定材料的光催效率及其速率常數結果如圖1所示。在光照160 min處幾乎能將RhB完全降解，表現出良好的光催化性能。圖1（a）為光觸媒材料對RhB的光催化降解曲線，光觸媒材料在160 min處對RhB的降解率約為99%。擬一階動力學方程如公式（2）所示。

式中：為材料光催化反應速率常數，單位min。

此方程與試驗數據擬合良好，如圖1（b）所示。結果表明，對RhB溶液濃度為1×10mol/L時，材料的反應速率常數為0.024 2 min。

圖1 測定材料的光催效率及其速率常數

光催化材料對RhB溶液的吸收光譜（440nm～640nm）如圖2所示。在光照過程中，溶液的最大吸收峰從554 nm藍移至508 nm，可能原因如下。1） 溶液中存在一些中間產物（N-脫乙基化的中間體：鄰苯二甲酸、4-羥基苯甲酸等）。2） 光觸媒材料沒有完全離心的原因。

圖2 RhB染料溶液的吸收光譜隨光照時間的變化

影響光催化性能的因素主要有以下3點：1） 使用的光觸媒材料為核殼結構TiO@SiO材料，其中Ti質量分數僅為0.08%，大部分為黏合劑，這可能會影響有效成分發(fā)揮光催化作用，進而影響光催化效率。2） 光觸媒材料離心不完全，測試時溶液中有材料的存在，可能會影響光催化性能。3） 光觸媒材料的光催化性能及其速率常數的測試委托第三方檢測機構、學校測試，試驗人員的操作方法、測試儀器的不同會導致試驗結果的不同。

2 抗病毒和除菌性能

2.1 燈具的表面抗病毒和除菌性能

該文選用一種LED燈具，在其擴散板或燈罩表面涂覆一定厚度的可見光光催化材料。先使用去離子水、酒精對燈罩或擴散板進行清潔，

燈罩或擴散板自然晾干后，使用手工噴槍對燈罩表面進行光催化材料噴涂，噴涂后加熱固化。涂層干燥后的樣燈即為可見光光催化燈具原型產品。取擴散板或燈罩試片進行表面抗菌抗病毒性能測試，該測試參考《GB/T 30706 可見光照射下光催化抗菌材料及制品抗菌測試方法及評價》進行，通過可見光照射燈具擴散板和燈罩樣品表面24 h，記錄照射后與照射前菌落數的變化，并計算細菌和病毒去除率。

試驗結果顯示（如圖3所示），該燈具對H1N1型流感病毒具有高效的去除作用，其去除率高達98.13%，證明該可見光光催化燈具表面具有較強的抗病毒效果。對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、白色葡萄球菌、李斯特菌和沙門氏菌的消殺率則高于99%，說明燈具樣品具有優(yōu)異的抗菌作用。

圖3 燈具表面的病毒和細菌去除率

2.2 燈具的空間抗病毒和除菌性能

可見光光催化燈具空間抗菌抗病毒測試參考標準《GB 21551.3 家用和類似用途電器的抗菌、除菌、凈化功能空氣凈化器的特殊要求》，將原型燈具點亮，隨后將光色調節(jié)為冷白光，并放入30 m試驗艙，持續(xù)點亮作用2 h進行測試，分別取試驗前和試驗后的空間菌落進行計數，并計算空間細菌和病毒去除率。

測試結果表明（如圖4所示），在30 m空間內，可見光光催化燈具具有突出的空間抗菌和抗病毒性能。其中，H1N1型流感病毒的空間去除率高達98.85%，而大腸桿菌、金黃色葡萄球菌以及白色葡萄球菌的去除率可分別達到85.99%、82.18%和83.54%。相同時間內，該燈具的空間細菌與病毒消殺性能達到與空氣凈化器同等水平。

圖4 燈具的空間病毒和細菌去除率

3 除揮發(fā)性有機化合物性能

室內的揮發(fā)性有機化合物（VOC）含量過高會引起人體免疫水平下降、危害人的消化系統，還會引發(fā)胃口不振、惡心嘔吐甚至致癌的風險。新裝修的房屋釋放大量甲醛于空氣中，對室內空氣造成一定程度的污染。室內凈化甲醛等VOC的凈化新技術已經迫在眉睫。該試驗參考《QB/T 2761-2006 室內空氣凈化產品凈化效果測定方法》進行，該燈具對甲醛去除率可按下式計算：=（C-）/C×100%，其中為去除率（%）；C為空白試驗艙甲醛濃度（每mg/m）；C為樣品試驗艙甲醛濃度（每mg/m）。經過測試證明（如圖5所示），可見光光催化燈具具有明顯的甲醛去除效果，其去除率達到了86.1%。除此之外，該燈具還具有去除異味、臭味分子的優(yōu)異性能，氨氣和硫化氫的去除率高達85.1%和84.2%。此類光催化燈具是空氣凈化器的高潛力替代產品，具有凈化效率高、成本低廉并節(jié)能等很多應用優(yōu)勢。

圖5 燈具的甲醛、氨氣和硫化氫去除率

4 釋放負氧離子性能

先通過負氧離子測試儀測試30 m空間的負氧離子濃度，此時室內空氣中的負氧離子濃度為118個/cm。然后準備一盞可見光光催化燈具，將其置于30 m空間中，點亮燈具，使用負氧離子測試儀測定室內負氧離子濃度隨開燈時間的變化。試驗結果顯示（如圖6所示），開燈后室內的負氧離子濃度隨著照明時間的增加呈現上升趨勢，在50 min后其負氧離子濃度達到穩(wěn)定的狀態(tài)，最高為3 275個/cm。根據環(huán)境空氣質量標準，測得室內負氧離子濃度達到了鄉(xiāng)村田野空氣標準（1000個/cm～5000個/cm），具有增強人體免疫力、抗菌力的作用。

圖6 負氧離子濃度隨開燈時間變化曲線

5 結語

綜上所述，可見光光催化燈具對H1N1流感病毒空間去除率達98.85%，抗菌率（如大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、白色葡萄球菌、李斯特氏菌以及鼠傷寒沙門氏菌等）高于99%，甲醛去除率達86.1%，氨氣和硫化氫去除率分別高達85.1%和84.2%?？沙掷m(xù)釋放負氧離子，有助于提高人體免疫力。此類空氣凈化燈具可廣泛應用于辦公、學校、商場、醫(yī)院和居民住宅等場所，以減輕室內空氣污染物對人體的危害，改善辦公、學習以及家居生活環(huán)境。