紫外光凈化室內空氣污染物研究

[摘要]本文以特定波長（C波段）的紫外光為動力，利用光催化劑降低分子鍵斷裂的能量，破壞苯、甲醛、TVOC等的分子結構，使空氣中的苯、甲醛、TVOC等和臭氧反應，生成二氧化碳和水，達到凈化室內空氣污染的目的。

[關鍵詞]紫外光；催化氧化；空氣凈化

[中圖分類號]X51[文獻標識碼]A

目前，國內外的室內空氣凈化技術大致上可以分為三類[1]：第一類是物理吸附，如活性炭、過濾網、茶葉梗等；第二類是生物法，如利用吸毒草等植物對室內空氣的凈化作用，這類方法的凈化效果不能說沒有，因為很多植物本身對室內空氣確實有凈化作用，但有限的幾棵植物對室內空氣污染的凈化效果不見有明顯的作用；第三類是光催化氧化法[2]，如光觸媒，這類方法也可以稱為化學法，即利用化學反應讓室內空氣中污染物（苯、甲醛、TVOC等）在催化劑表面反應，最終轉化為二氧化碳和水，以達到凈化室內空氣的目的[3]。這類方法在室溫條件下就能進行，不需要其他化學輔助劑，反應條件溫和，二次污染小，運行成本低，是目前最具發展前景的室內空氣凈化技術。

1紫外光凈化室內空氣技術

1.1紫外線波長劃分

可見光的短波長方向400 nm以下為紫外光（Ultraviolet radiation簡稱UV）區域，波長范圍10 nm～400 nm。根據國際照明委員會（CIE）和國際電工委員會（IEC）規定，紫外光區域又可分為以下波段：

真空紫外線（Vacuum UV）：10 nm～200 nm

短波紫外線（UV-C）：200 nm～280 nm

中波紫外線（UV-B）：280 nm～315 nm

長波紫外線（UV-A）：315 nm～400 nm

1.2紫外線凈化機理

根據光子能E=h/λ（h常數，λ光波長）[4]，波長越短光子能越高。能量較低的UV-A具有光化學作用，所以也稱化學線；UV-A用于有機物的合成、涂料或膠粘劑的UV固化等領域。UV-B對生物的作用效果大，能引起紅斑作用及色素沉淀等，所以也稱生物線。UV-C是遠紫外波段；因為該波段波長短、能量大，其能量足以斷開分子中大部分化學鍵，使分子解析為游離的自由基，甚至原子自由基，同時具有殺菌作用。對固體表面和水中污染物的光處理來說，只有UV-C具有強的作用效果。

1.3紫外光源及其光子能量

高壓水銀放電管發出的特征紫外線是365 nm，光子能量328 KJ/mol；而低壓水銀放電管發出的具有代表性的紫外線是253.7 nm及184.9 nm，光子能量分別為472 KJ/mol和647 KJ/mol。利用化學方法凈化室內空氣中化學污染就是要破壞苯、甲醛、TVOC等分子的結構，形成碳或氫的游離基（C4+、H+），在游離氧（02-）的作用下，最終形成二氧化碳（CO2）和水（H2O）。下表列出了大多數有機物分子內原子結合方式（化學鍵）及其結合能（鍵能）。

依上所述，低壓水銀放電管發出的184.9 nm的紫外光光子能量647 KJ/mol，除了不能使C≡C、C≡N、C=O斷裂外，上表中其他的化學鍵都會斷開；而低壓水銀放電管發出的253.7 nm的紫外光光子能量472 KJ/ mol，除了不能使C≡C、C≡N、C=O、O=O、C= C斷裂外，基本上其他的化學鍵都會斷裂。

1.4紫外線方式臭氧、活性氧的產生

波長在200 nm以下的紫外光照射，能使O2分解成兩個自由的單分子氧，單分子氧與氧氣碰撞生成臭氧。

UV（185 nm）+O2→O*+O*

O*+O2→O3（臭氧）

UV（254 nm）+O3→O*+O2

由此可知，只有低壓水銀放電管發出的184.9nm的紫外光既能斷開分子中大部分化學鍵，使分子解析為游離的自由基，甚至原子自由基，使室內空氣中化學污染物分子降解、與氧自由基重組，最終生成CO2和H2O，同時具有殺菌作用。對室內空氣、固體表面和水中污染物來說，只有UV-C具有強的作用效果。

1.5光催化劑

所謂光催化劑（也稱光觸媒）[5]，是在光的照射下能改變其他物質的化學反應速率、促進反應進行、且其本身質量和化學性質在反應前后都沒有發生改變的物質。

半導體光催化劑大多是n型半導體材料（當前以為TiO2使用最廣泛）都具有區別于金屬或絕緣物質的特別的能帶結構[7]，即在價帶（ValenceBand，VB）和導帶（Conduc？ tion Band，CB）之間存在一個禁帶（Forbid？ den Band，Band Gap）。由于半導體的光吸收閾值與帶隙具有式K=1 240/Eg（eV）的關系，因此常用的寬帶隙半導體的吸收波長閾值大都在紫外區域。當光子能量高于半導體吸收閾值的光照射半導體時，半導體的價帶電子發生帶間躍遷，即從價帶躍遷到導帶，從而產生光生電子（e-）和空穴（h+）。此時吸附在納米顆粒表面的溶解氧俘獲電子形成超氧負離子，而空穴將吸附在催化劑表面的氫氧根離子和水氧化成氫氧自由基。而超氧負離子和氫氧自由基具有很強的氧化性，能將絕大多數的有機物氧化至最終產物CO2和H2O，甚至對一些無機物也能徹底分解。

2實驗部分

2.2.2實驗條件

為使測試評價結果最大限度的模擬未來室內空氣污染凈化的實際，選用未經任何特殊裝飾的自然通風的房間為試驗用樣板間。分別對室內空氣中的甲醛、苯及TVOC進行紫外光催化氧化凈化實驗。樣板房內溫度、濕度、污染物本底濃度、實驗儀器與設備。

2.2.3實驗過程及方法

在該房間內釋放一定量的污染物（甲醛、苯及TVOC），封閉門窗后，定時檢測房間內空氣中污染物的濃度，繪制污染物濃度隨時間變化的曲線，以測定該房間在自然狀態下污染物被吸附或滲漏情況；試驗完畢后，打開門窗，用風扇將房間吹掃干凈，備用。

利用統計方法比較使用凈化設備前后兩條曲線的變化情況，評價利用凈化設備治理室內空氣中污染的效果。

2.2.4數據分析

在上述測試條件下，10小時內，該凈化設備對室內空氣中甲醛的最大凈化效率為81.6%，平均凈化效率為71.4%；對室內空氣中苯的最大凈化效率為99.18%，平均凈化效率為82.83%；對室內空氣中TVOC的最大凈化效率為98.12%，平均凈化效率為91.44%。

2.3利用紫外光凈化原理設計制造的室內空氣凈化器使用條件

實踐表明，利用紫外光催化氧化原理設計制造的室內空氣凈化器對于治理室內空污染具有明顯的效果。但是，由于設備功率較大，單位時間內產生臭氧量較大，噪聲較大，僅適用于新裝修的房間，主要目標是凈化由于裝飾裝修產生的靜態污染；對于日常活動產生的動態污染只能經過專業培訓的人員操作、采取集中治理，不能隨時開啟、即時凈化。

3結論

3.1在室內使用光觸媒（當前以為TiO2使用最廣泛），由于缺乏紫外光的照射，不可能起到凈化室內空氣中污染物的作用。

3.2普通意義上的紫外光，即高壓水銀放電管發出的紫外光（特征波長365 nm，光子能量328 KJ/mol）不可能起到凈化室內空氣中污染物的作用。

3.3單純使用臭氧，基本不能起到凈化室內空氣中污染物的作用。因為雖然臭氧具有強氧化性，但在空氣中污染物分子被破壞前，O3和空氣中污染物分子都可以相安無事。

3.4只有將低壓水銀放電管發出的184.9 nm的紫外光、臭氧、光催化劑三者科學地結合起來，利用184.9 nm的紫外光使室內空氣中污染物分子在催化劑存在下迅速分解并與氧自由基重組為水和二氧化碳，才能真正實現凈化室內空氣的目標。

參考文獻

[1]龔圣，黃肖容，隋賢棟.室內空氣凈化技術[J].環境污染治理技術與設備，2004，5（4）：55-57

[2]梁斌.光催化凈化室內空氣中甲醛的研究[D].南京理工大學，2004.

[3]王元元，張立志.室內空氣凈化技術研究與進展[J].暖通空調，2006，36（12）：24-28.

[4]蘇克曼，潘鐵英，張玉蘭.波譜解析法[M].華東理工大學出版社，2002，61-67.

[5]韓世同，習海玲，史瑞雪，等.半導體光催化研究進展與展望[J].化學物理學報，2003，16（5）：339-349.

[6]AoCH，LeeSC.Combination effect of activated carbonwith TiO2 for the photodeg？ radation of binary pollutants at typical in？ door air level[J].Journal of Photochemistry and Photobiology A：Chemistry，2004，161（2/ 3）：131-140.

作者簡介：李云龍（1967-），男，高級工程師，研究方向：室內環境研究。