納米光催化技術(shù)在大氣污染治理中的優(yōu)勢及運用方法研究

唐喜斌

（廣東省環(huán)境科學(xué)研究院，廣東 廣州 510031）

引言

納米光催化作為一種先進的技術(shù)手段，主要通過納米粒子實現(xiàn)對污染物的治理，相較于其他技術(shù)具有很強的先進性。隨著城市化進程的加快，工業(yè)發(fā)展導(dǎo)致的大氣污染狀況越來越嚴重，進行大氣污染治理十分必要，而大氣污染具有規(guī)?；奶攸c，污染類型較多，很難實現(xiàn)針對性的治理，相關(guān)人員可以結(jié)合大氣環(huán)境污染的類型及特點，將納米光催化技術(shù)引入污染治理中，實現(xiàn)對污染的治理。

1 納米光催化技術(shù)及大氣污染治理概述

1.1 相關(guān)概念

納米光催化技術(shù)是一種利用納米材料催化光照化學(xué)反應(yīng)的技術(shù)。這種技術(shù)通過將納米材料以適當?shù)姆绞浇M裝在催化劑表面，并利用其表面的能帶結(jié)構(gòu)和活性位點，使其高效吸收可見光和紫外光，并在被激發(fā)后，在催化劑表面發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)。納米光催化技術(shù)具有許多優(yōu)點，包括高效性、低能耗、環(huán)保性及可重復(fù)使用性等。它可以應(yīng)用于水處理、有機廢氣處理、環(huán)境凈化、能源利用等領(lǐng)域，具有非常廣闊的應(yīng)用前景?？傊{米光催化技術(shù)是一種有很大潛力的新型技術(shù)，但仍需要我們進行深入研究和探索，以實現(xiàn)其在實際應(yīng)用中的高效、穩(wěn)定和可持續(xù)性。

大氣污染則是指空氣中存在的某些物質(zhì)超過了一定的濃度，對人類健康和環(huán)境造成不良影響的狀況。大氣污染治理是指對空氣污染的防范與治理。大氣污染物可分為氣態(tài)污染物和顆粒物兩種類型，包括二氧化碳、甲醛、氮氧化物、臭氧、細顆粒物等。大氣污染的主要來源包括工業(yè)排放、機動車尾氣、農(nóng)業(yè)活動、建筑施工等人類活動和自然因素。大氣污染治理是指通過各種措施和技術(shù)手段，減少和消除大氣污染及污染物的排放，提高空氣質(zhì)量，減少其對人類健康和環(huán)境的危害。

1.2 大氣污染治理現(xiàn)狀

現(xiàn)階段的大氣污染治理主要呈現(xiàn)兩方面的特點，首先是污染物逐年增加，研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)階段我國多數(shù)城市的空氣質(zhì)量處于二級超標狀況，只有部分偏遠地區(qū)及發(fā)展程度不高的城市符合國際標準，而能實現(xiàn)一級標準達標的城市只占總數(shù)的2%，污染范圍較廣。經(jīng)過多年的治理，現(xiàn)階段的顆粒物主要是細顆粒物，存在很大的治理難度，導(dǎo)致霾污染問題逐漸突出。以PM2.5為代表的細顆粒物逐漸成為大氣污染的主要成分，再加上城市中二氧化氮濃度不斷增長，也進一步加劇了霾污染。在實際作業(yè)環(huán)節(jié)，氮氧化物不僅對會對人體造成直接影響，還會引發(fā)臭氧污染，近些年來私家車數(shù)量的提升，導(dǎo)致氮氧化物和揮發(fā)性有機物濃度迅速上升，高濃度的臭氧超標現(xiàn)象頻繁出現(xiàn)[1]。其次是污染治理不及時，部分地區(qū)存在不重視污染治理等狀況，很大程度上制約了治理作業(yè)的落實。再加上新型空氣污染不斷出現(xiàn)，治理技術(shù)卻發(fā)展緩慢，也在一定程度上制約了污染治理的效果。

2 納米光催化技術(shù)在大氣污染治理中的優(yōu)勢

相較于其他技術(shù)來說，納米光催化技術(shù)具有很強的優(yōu)勢，能夠有效治理空氣污染，所以在實際作業(yè)環(huán)節(jié)，為了能充分發(fā)揮納米光催化技術(shù)的優(yōu)勢，需要相關(guān)人員針對納米光催化技術(shù)的優(yōu)勢進行研究，并將其科學(xué)合理地運用到污染治理中。

2.1 受外界因素影響較小

相較于其他技術(shù)來說，傳統(tǒng)的大氣污染治理技術(shù)如化學(xué)、物理及生物等多種技術(shù)，對外界的依賴性較強，很容易受到外界環(huán)境、溫度、濕度等變動的影響，制約其功能。但是納米光催化技術(shù)的實施不需要借助外界因素，在常溫狀況下就能正常運行，并且能保證自身功能?，F(xiàn)階段的納米光催化技術(shù)一般以半導(dǎo)體為主導(dǎo)，這種技術(shù)主要將特定波長的光照射到對象上，進而產(chǎn)生氧化還原反應(yīng)，實現(xiàn)對污染物的處理。在實際作業(yè)環(huán)節(jié)，該技術(shù)不會受到外界因素的干擾，作業(yè)人員可以較為輕松地開展污染治理工作，實現(xiàn)對大氣污染的治理。此外，現(xiàn)階段的納米光催化技術(shù)主要借助專業(yè)設(shè)備進行，也在一定程度上保證了設(shè)備本身的穩(wěn)定性，規(guī)避了外界因素的影響，保證了作業(yè)的順利落實。

2.2 反應(yīng)迅速，治理效率較高

大氣污染治理的工作量及大氣污染的范圍較大，而且部分空氣污染物短時間內(nèi)就會進入人體，并對人體造成很大破壞，因此相關(guān)人員在作業(yè)過程中需要結(jié)合污染類型進行迅速治理，需要具有較高的治理效率。納米光催化技術(shù)作為先進技術(shù)手段之一，在作業(yè)環(huán)節(jié)可以迅速通過氧化還原反應(yīng)實現(xiàn)對污染的治理，用時較短。而且納米光催化技術(shù)的降解效果較好，對于甲醛等有害物質(zhì)的凈化率可達98%，所以在實際作業(yè)環(huán)節(jié)，現(xiàn)階段的納米光催化技術(shù)主要應(yīng)用于對建筑物內(nèi)部揮發(fā)性有害氣體的治理，具有很強的技術(shù)優(yōu)勢，能夠在保證治理效果的基礎(chǔ)上提高效率，并有效推進污染治理技術(shù)的發(fā)展。

2.3 治理范圍較大

隨著社會對工業(yè)品需求的增長，工業(yè)規(guī)模不斷擴大，在此背景下，大氣污染類型也十分多樣，難以實現(xiàn)針對性治理。納米光催化技術(shù)具有較大的治理范圍，可以對多種原因?qū)е碌奈廴具M行治理，從而實現(xiàn)環(huán)境保護。首先是針對各種微生物，納米光催化技術(shù)能夠滅殺大腸桿菌、綠膿桿菌、葡萄球菌、霉菌、化膿菌及白癬菌等一系列細菌，而且在滅殺之后還能通過氧化還原反應(yīng)實現(xiàn)對病菌的完全氧化分解，不會殘留任何有害物質(zhì)。所以納米光催化技術(shù)能夠在清理微生物的同時規(guī)避二次污染。其次是分解有機物，現(xiàn)階段大氣污染中的有機物類型較多，針對其的治理具有一定難度。納米光催化技術(shù)能夠通過凈化材料對空氣中的有機物進行氧化分解，實現(xiàn)對空氣的清潔。資料顯示，應(yīng)用該技術(shù)治理空氣污染效果較好，且治理持續(xù)時間很長，對甲醛的去除率可達98%以上、對氨氣的去除率可達97.2%、對苯的去除率可達86.6%、對二甲苯的去除率在85%～93%之間，還能對硫醇等微臭氣體的有機成分進行治理，具有很強的技術(shù)優(yōu)勢。

2.4 自身性能較好

2.4.1 親水性

納米光催化氧化凈化材料具有親水性能，經(jīng)紫外線照射后，涂層表面與水的接觸角減小到0～5度，水滴完全浸潤在涂層表面，有助于保持涂層表面清潔。而且親水性還能在一定程度上提升納米光催化技術(shù)的接觸面積，進而提升治理效果。

2.4.2 無毒性

現(xiàn)階段的納米光催化技術(shù)的凈化材料一般是TiO2，作業(yè)環(huán)節(jié)不會受到酸堿或風(fēng)力等因素的影響，具有較強的化學(xué)穩(wěn)定性。而且該材料不含對人體有害的成分，運用該技術(shù)進行室內(nèi)空氣的治理不會對人體造成影響，具有綠色無污染的特點，十分契合現(xiàn)階段可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略主張。

2.4.3 持久性

納米光催化氧化凈化材料本身不參加反應(yīng)，沒有化學(xué)損耗，而且一經(jīng)施工后即具有非水溶性特性，效果持久[2]。該技術(shù)能夠?qū)^(qū)域內(nèi)的污染物進行整體治理，并且治理效果較好，可以維持較長時間，具有很強的技術(shù)優(yōu)勢。

2.4.4 清潔性

納米光催化氧化凈化材料經(jīng)紫外線照射后，將有機物全部分解為低分子，即在殺菌的同時還能將微生物尸體分解得一干二凈。這樣就在治理大氣污染的同時保證了清潔性。

2.5 資源較多且造價較低

納米光催化技術(shù)主要借助特定光波實現(xiàn)對污染的治理，所以其治理依靠的是太陽能，太陽能作為可再生資源的一種，取之不盡、用之不竭，可以隨時獲取，而且成本低廉。而且進行作業(yè)的半導(dǎo)體光催化制氫由于成本相對低廉、較易實施且效率高等特點，也受到國內(nèi)外科學(xué)家的高度關(guān)注，被稱為“21世紀夢的技術(shù)”。該技術(shù)能夠在保證大氣治理效果的基礎(chǔ)上降低治理成本，這推動了該技術(shù)的進一步發(fā)展。

3 納米光催化技術(shù)在大氣污染治理中的應(yīng)用方法

3.1 在源頭治理環(huán)節(jié)的應(yīng)用

大氣污染的源頭一般是工業(yè)排放，所以要想充分發(fā)揮納米光催化技術(shù)的優(yōu)勢，將其合理地應(yīng)用到大氣污染治理中，就需要相關(guān)人員結(jié)合實際將其運用到源頭治理環(huán)節(jié)。在工業(yè)發(fā)展環(huán)節(jié)，主要廢氣來源于各種有機化合物的揮發(fā)以及固廢產(chǎn)生的異味，例如石油工業(yè)中的烯烴、醇醛酮、化工行業(yè)中的鹵代物甲苯等。納米光催化技術(shù)能夠?qū)⑦@些廢棄物分解，并且轉(zhuǎn)化為不具毒性的二氧化碳以及水等，實現(xiàn)無害化治理。這樣就能夠在源頭上對工業(yè)發(fā)展環(huán)節(jié)排放的廢氣進行治理，實現(xiàn)對工廠周邊環(huán)境的清潔，保證空氣質(zhì)量。該技術(shù)的主要原理是將納米光催化技術(shù)中的催化劑添加到含有鹵的塑料中，這樣在焚燒環(huán)節(jié)就能經(jīng)由催化劑將有害氣體吸收，避免其排放到空氣中。另一方面，室內(nèi)空氣治理也可以利用納米光催化技術(shù)，現(xiàn)階段的室內(nèi)污染物主要是硫氮化合物，如硫醇以及硫醚胺類等，這些物質(zhì)一般組成成分較為復(fù)雜，即便是很低的濃度也會造成嚴重影響，部分氣體還具有毒性，會對人體造成嚴重危害[3]。在實際作業(yè)環(huán)節(jié)，工作人員可以將二氧化鈦光催化劑負載在活性炭纖維上，制備出光催化空氣凈化器，有效去除硫化氫、胺等臭氣物質(zhì)，進而實現(xiàn)對室內(nèi)空氣的治理。

3.2 在抗菌除臭環(huán)節(jié)的應(yīng)用

異味以及臭氣也是空氣污染的類型之一，空氣中的惡臭氣體一般是由細菌導(dǎo)致的，一些納米光催化劑對許多細菌都有抑制和殺滅作用，能夠?qū)崿F(xiàn)針對性治理。其主要原理是光催化劑受光照激發(fā)后產(chǎn)生的O2-和OH等活性物能破壞細胞膜質(zhì)，從而有效殺滅細菌并抑制細菌分解產(chǎn)生的H2S、NH3等臭味物質(zhì)?，F(xiàn)階段常用的納米TiO2具有很強的氧化還原能力，能夠?qū)崿F(xiàn)空氣凈化作用及除臭功能，可以將其制成抗菌的內(nèi)墻涂料，實現(xiàn)對空氣的清潔及對臭氣的治理。在實際作業(yè)環(huán)節(jié)，相關(guān)人員還可以將TiO2納米粒子分散在以二氧化硅為主要成分的無機物中，制成薄膜，其具有很好的透光性且能實現(xiàn)自清潔，污染物不易在其表面附著[4]。此外，在紫外線的照射之下，部分光催化材料由于具有很強的氧化性，能夠在紫外線作用下對污染物進行分解。工作人員可將該材料用于建筑中，吸收室內(nèi)可能產(chǎn)生的污染成分，以實現(xiàn)對室內(nèi)空氣的清潔，從整體上進行治理。

3.3 在汽車尾氣凈化中的應(yīng)用

機動車作為主要交通工具，數(shù)量正在不斷攀升，相關(guān)人員需要加強對汽車尾氣污染的重視，并運用納米光催化技術(shù)進行治理?，F(xiàn)階段的汽車尾氣主要包含氮氧化物、固體懸浮微粒、一氧化碳以及硫氧化合物等，都是大氣污染的主要構(gòu)成成分。應(yīng)用光催化技術(shù)能夠有效降解機動車尾氣中的一系列污染物，具有很強的發(fā)展?jié)摿?，前景廣闊。據(jù)專業(yè)人員的研究，TiO2催化可實現(xiàn)對機動車尾氣中氮氧化物的有效凈化，還可以將TiO2催化材料添加進半柔性堿性水泥路面中，以有效減少機動車尾氣中的各種污染物?；谥泻头磻?yīng)，路面的堿性水泥可有效去除附著于催化材料表層的無機酸催化產(chǎn)物，進而為催化材料的活性提供可靠保障[5]。相較于傳統(tǒng)技術(shù)來說，納米光催化技術(shù)具有很強的技術(shù)優(yōu)勢，能夠在保證治理效果的基礎(chǔ)上規(guī)避二次污染，屬于綠色治理技術(shù)的一種。

3.4 在溫室氣體治理中的應(yīng)用

溫室效應(yīng)的出現(xiàn)主要是由于溫室氣體的排放，現(xiàn)階段常見的溫室氣體主要是二氧化碳，所以改善大氣中CO2的排放是降低溫室效應(yīng)的重要一環(huán)。專業(yè)人員的研究表明，將大氣中的CO2還原利用可收獲理想的綜合效益，而半導(dǎo)體光催化技術(shù)是一種具備良好發(fā)展前景的CO2還原技術(shù)。然而由于一些技術(shù)上的限制，現(xiàn)階段光催化還原CO2技術(shù)，在工程應(yīng)用層面因為效率偏低而難以得到廣泛推廣。相關(guān)研究人員借助濕化學(xué)浸漬技術(shù)提取出一種負載于石墨烯的納米TiO2材料，這一材料可顯著提高將CO2轉(zhuǎn)化為CH4的效率[6]。這樣一來，就解決了光催化技術(shù)在作業(yè)環(huán)節(jié)存在的隱患，很大程度上推動了溫室氣體治理工作的落實。

4 結(jié)語

綜上所述，在大氣污染治理過程中有效利用納米光催化技術(shù)，可以保證污染治理效果。光催化技術(shù)在空氣凈化方面擁有很多優(yōu)勢，這種優(yōu)勢應(yīng)得到積極推廣和應(yīng)用。目前研究學(xué)者對光催化技術(shù)在空氣凈化方面的研究越來越多，一定要抓住這一特性，將其積極投入生產(chǎn)和應(yīng)用。本文建議將納米光催化技術(shù)與其他大氣凈化技術(shù)同時應(yīng)用，以提升治理效果，同時通過其在汽車尾氣治理、室內(nèi)空氣治理、溫室氣體治理以及源頭治理等環(huán)節(jié)的應(yīng)用，充分發(fā)揮納米光催化技術(shù)的大氣治理優(yōu)勢，保障人們的身心健康，營造良好的生態(tài)環(huán)境。