光觸媒技術在軌道交通車輛車廂內空氣治理中的應用

（南車洛陽機車有限公司，471002，洛陽∥高級工程師）

光觸媒技術在軌道交通車輛車廂內空氣治理中的應用

袁其剛

（南車洛陽機車有限公司，471002，洛陽∥高級工程師）

分析了軌道交通車輛車廂內空氣污染的產生原因，介紹了光觸媒處理有害化學物質、細菌和病毒的機理，以及治理污染的手段。對應用光觸媒技術治理軌道交通車廂內空氣污染的效果進行了實車在線測試，結果表明，光觸媒能有效降低車廂內甲醛和PM 2.5的含量，光觸媒處理的車廂細菌數明顯減少。

光觸媒技術；軌道交通車輛；空氣污染治理

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軌道交通車輛作為人群流動的載體，不僅承擔著繁重的運輸任務，同時負擔著公共安全的重要責任。軌道交通車輛是一種特殊的交通工具，其強制通風不足、缺少紫外線照射、相對封閉的空間等條件，均不利于空氣污染物的清除，在人員密集的情況下，極易造成對人體健康的隱患。故必須加強對車廂污染的治理。

1 軌道交通車輛污染物的種類和成因

（1）揮發性有機物（VOC）：VOC是車廂空氣的主要污染物之一，主要包括苯、甲醛、丙酮等有害物質。VOC的濃度過高會直接刺激人的嗅覺和其它器官，使人出現頭痛、乏力等癥狀，長期吸入更會導致癌癥。軌道交通車輛為保證車體氣密性、保溫性及隔音減振等要求，選用了諸多裝飾材料、保溫材料，以及各種黏膠、工程塑材等，這些是揮發性有機物的成因。新車車廂內的有毒氣體會揮發很長時間。夏日陽光的暴曬也會激發各種有機物揮發，造成車內空氣的嚴重污染。同時，VOC也是PM 2.5的主要成分。在日本，PM 2.5成分中40%是來自汽車尾氣排放的有機物；在北京，60%的PM 2.5成分來自燃煤、機動車尾氣及工業使用燃料。來自運營線路沿線的這些有機物也是車內空氣污染的來源。

（2）細菌和病毒：車廂內空氣中細菌的來源很多，必須選定一個指標來反映空氣微生物的污染情況。室內空氣細菌學的評價指標技術一般多采用細菌總數。在上海軌道交通1號線所做的細菌檢測中，75%的測試點細菌總數超標，最高超標達3.5倍以上。隨著2003年北京SARS病毒以及后來的禽流感病毒爆發，在流感多發季節，病毒對密集人群的侵襲越來越受到國家和相關部門的關切。

（3）灰塵：各種原因產生，有軌道交通車輛運行過程中從通風系統中吸入的，有人群帶入的，也有車輛自身產生的。由于空調和通風系統的自動過濾功能，灰塵產生的污染相對容易清除。

（4）其他：諸如二氧化碳、二氧化硫等，由于含量很小，正常情況下不是車廂污染的主要原因。

2 現有治理空氣污染的方式比較

目前，治理室內空氣污染主要采用濾網式、靜電集塵式、臭氧和負氧離子等空氣凈化器，以及光觸媒等技術，其性能比較見表1。

表1 各種空氣凈化器及技術的性能對比

3 光觸媒的工作原理

光觸媒是一種以二氧化鈦為主要成分的具有光催化功能的半導體材料。依據能帶理論為基礎的電子理論，半導體的基本能帶結構由一系列的滿帶（最上面的滿帶稱為價帶）和一系列的空帶（最下面的空帶稱為導帶），以及價帶和導帶之間的禁帶組成。當能量等于或者大于禁帶寬度的光照射時，半導體價帶上的電子就會被激發躍遷到導帶，此時在價帶便產生了空穴，于是半導體內部就產生了電子（e-）和空穴（h+）對。半導體能帶具有不連續性，電子和空穴的壽命很長，在電場的作用下，電子與空穴發生分離，遷移到粒子表面的不同位置，與吸附在半導體催化劑粒子表面上的物質發生氧化或者還原反應。

光觸媒分解有害化學物質的原理如圖1所示。光觸媒對有機物的處理機理為：光觸媒膜層受到太陽光或紫外線光譜的照射后，光觸媒基體的二氧化鈦會生成電穴和游離電子，實現離子化；這些電穴和游離電子跟空氣中的水和氧氣發生反應，生成具有超氧陰離子自由基和氫氧自由基，具有強氧化性；超氧陰離子自由基和氫氧自由基將自然環境中的有機化合物（有害物質）進行分解，形成水、二氧化碳及無機物。

光觸媒對細菌的處理機理為：光激發二氧化鈦后，首先破壞細胞壁和細胞膜，隨后與細胞內的組成部分發生生化反應，導致功能元失活而使細胞死亡；光激發二氧化鈦與細胞發生間接反應，即光生電子或光生空穴與水或者水中的溶解氧反應，形成氫氧自由基等活性氧類。活性羥基、超氧離子、過羥基和雙氧水都可以與生物大分子如脂類、蛋白質、酶類以及核酸大分子反應，直接損害或者通過一系列氧化鏈式反應對生活細胞結構引起廣泛的損傷性破壞。國外實驗證明，光觸媒不僅對破壞細菌結構有效，而且對破壞病毒如流感病毒、薩斯病毒、禽流感病毒（含H1N1，H5N7）等結構也非常有效。

圖1 光觸媒分解有害化學物質的原理

光觸媒主要成分二氧化鈦的催化作用取決于很多條件，如礦相、粒徑大小、溶液酸堿度、吸收光波長等。在其他條件不變的情況下，二氧化鈦的粒子越小，即其表面積越大，光吸收效率越高，越有利于催化活性和反應物的吸附，增大反應概率。因此，納米量級的二氧化鈦是最佳的光觸媒形態。新舊光觸媒技術的對比見表2。

4 實車在線測試

2012年6月，在某鐵路局的的配合下，對光觸媒技術改善車廂內環境的效果進行了實車測試。

表2 新舊光觸媒對比

4.1 光觸媒施工

車廂內光觸媒施工的設備擺放見圖2和圖3。

圖2 車廂內光觸媒設備擺放橫向圖

圖3 車廂內光觸媒設備擺放縱向圖

光觸媒施工的步驟為：

（1）關閉車廂車門，形成完全密閉的空間；

（2）打開噴霧機開關，噴霧5 min后確認導管始終接觸容器底部；

（3）施工人員撤離車廂；

（4）噴霧45 min后分別檢查2臺噴霧容器的光鈦量，補足原液，直至所有原液消耗完畢；

（5）繼續讓噴霧器工作，以使光鈦微粒繼續在車廂內有效地循環，充分地完成覆膜涂層；

（6）繼續保持車廂密閉狀態，時間為2 h，其間不得打開車廂車門和各種通風口。

4.2 光觸媒施工效果測試

2013年3月，對相鄰兩節車廂（一節做過光觸媒處理，另一節沒有經過光觸媒處理）進行測試。在9個月的運營中，這兩節車廂的運營環境高度一致。

（1）測試前，車廂門窗全封閉12 h。

（2）分別進行兩節車廂內空氣的甲醛（代表VOC）含量測試、可吸入顆粒物PM 2.5（代表有機物）測試，以及抗菌測試。

（3）測試標準為GB/T 17095-1997《中國室內空氣質量標準》。該標準規定，甲醛不得超過0.1 mg/m3；PM 2.5不得超過0.15 mg/m3。

（4）測試儀器見表3。

表3 測試儀器

4.2.1 甲醛測試

測試點見圖4，測點高度為0.52 m。測試結果見表4。

圖4 車廂內甲醛測試點

表4 甲醛測試結果

測試結論為：光觸媒產品將車廂內甲醛含量從超標25%降低到國家標準數值的1/4，車廂內甲醛含量降低了80%。

4.2.2 PM 2.5測試

測試點為過道處，高度為1.1 m（見圖5）。測試結果如表5所示。

圖5 PM 2.5測試點

表5 PM 2.5測試結果

測試結論為：光觸媒產品將車廂內PM 2.5含量降低了近85%，車廂內PM 2.5含量從超標2.4倍降低到國家標準數值的1/3。

4.2.3 抗菌測試

測試點為窗戶上方側墻，高度為1.4 m（見圖6）。在60 mm×80 mm的面積內涂抹細菌（酸奶），60 s后測試。測試結果見表6。

圖6 抗菌測試點

表6 抗菌測試結果

測試結論為：60 s內，光觸媒處理的車廂細菌數明顯減少，光觸媒處理車廂的殺菌數是未進行光觸媒處理車廂的3倍。

5 結 語

光觸媒是目前國際領先的室內空氣污染處理手段，將其應用于軌道交通車輛車廂的空氣環境污染治理是一個有益的嘗試。希望通過這個嘗試，讓乘客更安全更舒適地乘坐軌道交通。

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Application of Photocatalytic Technology for Air Cleaning in Rail Transit Vehicles

Yuan Qigang

Volatile organic compounds（VOC）and virus are the major pollutants inside rail transit vehicles，which significantly reduce air quality and influencepassengers' health.The technical and economic feasibility of the photocatalytic technology has been demonstrated for air quality control in rail transit vehicles.In this article，the new photocatalytic technology is introduced.In a practical case，the formaldehyde，PH 2.5 content and the number of bacteria are obviously reducedby adopting this method.

photocatalytic technology；rail transit vehicle；pollutant disposal

U 270.38+3；TU 834.8

2013-05-08）