N-TiO2涂料對甲醛降解與霉菌抑制的研究

張 顥，黃永捷，王文明，劉心中，盧偉帥，吳美琰，林耀楠，黎平智，張涵博（.福建工程學院生態環境與城市建設學院，福州 35008；.福州大學環境與資源學院，福州 35008）

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N-TiO2涂料對甲醛降解與霉菌抑制的研究

張 顥1，黃永捷2，王文明2，劉心中1，盧偉帥1，吳美琰1，林耀楠1，黎平智1，張涵博1
（1.福建工程學院生態環境與城市建設學院，福州 350108；2.福州大學環境與資源學院，福州 350108）

摘 要：利用氮摻雜二氧化鈦光催化涂料對室內甲醛進行降解以及抑制霉菌的繁殖。對甲醛降解的研究表明：在自然光、初始濃度為1mg/m3、溫度為35℃的條件下對甲醛的降解率達到82%。對霉菌抑制效果的研究表明：在自然光、涂膜層數為4層、含水率為10%的條件下，霉菌的覆蓋率僅為4%。

關鍵詞：涂料；二氧化鈦；甲醛；霉菌

1 引言

甲醛能與蛋白質結合，人體吸入高濃度甲醛時會出現水腫、眼刺激、頭痛等癥狀。高濃度甲醛還是一種基因毒性物質，長期吸入會引起人體免疫力下降導致出現中毒等癥狀。因此，室內存在的甲醛對人體的危害極大［1］。霉菌繁殖影響居室美觀，情況嚴重時還會造成墻面掉落。人體長期接觸霉菌，可引發呼吸道疾病和過敏等癥狀，例如支氣管炎、扁桃體炎、花粉熱、哮喘病等。免疫力低的人還可能因此引起頭疼、發燒、皮膚或黏膜發炎等［2］。因此，控制墻體霉菌繁殖，延長墻體使用年限，凈化室內空氣，對人的健康以及環境都極為重要。

本文將氮摻雜二氧化鈦光催化劑加入到涂料中制成氮摻雜二氧化鈦光催化涂料，并將其用于對室內甲醛進行降解，同時起到抑制墻面霉菌繁殖的效果。

2 實驗部分

2.1 實驗藥品與儀器

銳鈦型二氧化鈦粉末（市售）、尿素（surea）、無水乙醇（AR）、顏填料（市售）、去離子水、成膜助劑（市售）、流平劑（市售）、消泡劑（anti-foam agent）、增稠劑（市售）、中和劑（市售）、改性丙烯酸乳液（市售）、聚丙烯酸鈉分散劑（市售）、立式行星球磨機（XQM-0.4L 長沙天創粉末技術有限公司）、數顯恒溫磁力攪拌器（85-2 型 上海浦東物理光學儀器廠）、電熱恒溫鼓風干燥箱（DHG-9053A 上海精宏實驗設備有限公司）、氣象色譜儀（GC900B 上海天普分析儀器有限公司）、玻璃平板、電風扇（市售）、pH計（PHS-3C 上海天達儀器有限公司）、培養皿。

2.2 氮摻雜二氧化鈦的制備

稱取4.0g銳鈦型二氧化鈦粉末與0.4g尿素在轉速為700rpm的條件下行星球磨機磨1小時，得到氮與二氧化鈦的混合物。將產物置于空氣中于400℃下加熱1小時。稱取2g加熱處理后產物，將30mL的乙醇溶劑，40g直徑為5mm的球一起放入球磨機中于200rpm下細磨20min。將細磨產物置于80℃條件下邊加熱邊磁力攪拌以揮發掉剩余的乙醇溶液。將產物于80℃的烘箱中干燥12小時，即得氮摻雜二氧化鈦。

2.3 氮摻雜二氧化鈦光催化涂料的制備

將20份去離子水、0.7份聚丙烯酸鈉分散劑、適量消泡劑、2份成膜助劑等加入至碘量瓶中，攪拌均勻后加入4份自制氮摻雜二氧化鈦，加快攪拌速度。得到水性膠體后，緩緩加入30份顏填料，保持攪拌速度30min，使膠體與填料充分分散混合。降低攪拌速度，加入40份改性丙烯酸乳液，完全攪拌均勻后，用適量中和劑調節pH值至8.5。最后加入1份增稠劑、1份流平劑，攪拌均勻后陳化24h，制得氮摻雜二氧化鈦光催化涂料［3］。

2.4 甲醛降解實驗

自制一個體積為1m3的環境測試艙，模擬室內環境。環境測試艙的尺寸為1×1×1（m） = 1m3，壁、地板、頂板均為厚度5mm的浮法平板玻璃，在環境測試艙頂部安裝1臺小型風扇，用于使環境測試艙內的氣體分布均勻。艙體連接處用硅橡膠密封。將裝有適量甲醛溶液的錐形瓶置于支架上，底部用酒精燈加熱，甲醛氣體通過引氣管進入環境測試艙。

準備5塊500×500（mm）的玻璃板，將制備好的涂料均勻涂抹在5塊玻璃板的表面，干燥24h。將5塊玻璃板組成一個箱式結構，制成二氧化鈦反應器，開口朝下放入測試箱內，關閉測試艙，再將甲醛氣體通過注射器注入到反應器中，開始進行實驗。實驗過程中每間隔1h將反應器中的甲醛氣體通入氣相色譜儀進行檢測，進行5次。

2.5 霉菌抑制效果實驗

將制備好的涂料均勻刷在直徑90mm的無菌培養皿上，表面干燥之后刷涂第二遍，以此類推。保證刷涂涂料的表面平整，無污染，涂料完全干燥之后進行滅菌處理，根據實驗條件的不同調節涂層層數和含水率等。

霉菌抑制效果計算采用網格計數法。判斷霉菌抑制效果情況時，未滿半格的視為該格未被霉菌覆蓋，超過半格的視為該格被霉菌覆蓋。最終的霉菌生長情況為總霉菌覆蓋格數之和。

3 結果與討論

3.1 氮摻雜二氧化鈦光催化涂料對甲醛的降解研究

3.1.1 光源類型對甲醛降解效果的影響

保持氮摻雜二氧化鈦光催化劑加入量為4g，甲醛初始濃度為1mg/m3，環境溫度為20℃不變，研究不同類型光源對甲醛降解效果的影響，其中每1h取樣測試一次，連續取5次樣。結果如圖1所示。

圖1 光源類型對甲醛降解效果的影響

圖1顯示，自然光下涂料對甲醛的降解效果最好，無光源環境下甲醛的降解效果較低。氮摻雜使二氧化鈦對光的響應范圍有所拓展，在自然光條件下增強了對光譜的吸收率。無光環境下，氮摻雜二氧化鈦光催化劑的效果未得到充分發揮。

3.1.2 甲醛初始濃度對甲醛降解效果的影響

保持氮摻雜二氧化鈦光催化劑加入量為4g，光源為自然光，環境溫度為20℃不變，研究不同的甲醛初始濃度對甲醛降解效果的影響。結果如圖2所示。

圖2 甲醛初始濃度對甲醛降解效果的影響

圖2顯示，甲醛初始濃度的大小決定了開始反應的反應動力的大小。甲醛濃度的差異使得在反應初期甲醛降解率差異較為明顯，初始濃度越高，降解率越高。反應3h后，降解率的規律基本一致，均趨于飽和，且甲醛初始濃度越大，趨于飽和時的降解率越低，1mg/m3與2mg/m3降解率在5h時差異不大。

3.1.3 溫度對甲醛降解效果的影響

保持氮摻雜二氧化鈦光催化劑加入量為4g，甲醛初始濃度為1mg/m3，光源選用自然光，研究不同環境溫度對甲醛降解效果的影響。結果如圖3所示。

圖3 溫度對甲醛降解效果的影響

圖3顯示，環境溫度對甲醛降解效果的影響較為明顯，說明氮摻雜二氧化鈦光催化劑降解甲醛的反應需要一定的能量，環境溫度高，反應物相對運動加快，從而提高反應速率。

綜上所述，氮摻雜二氧化鈦光催化劑加入量為4g，甲醛初始濃度為1mg/m3，光源選用自然光，環境溫度為35℃的條件下對甲醛的降解效果較好。

3.2 氮摻雜二氧化鈦光催化涂料對霉菌抑制效果的研究

3.2.1 光源類型對霉菌抑制效果的影響

實驗條件為：實驗板涂層為4層，培養溫度30℃，培養時間為2d，含水率為10%，研究不同光源類型對霉菌抑制效果的影響。結果如圖4所示。

圖4 光源類型對霉菌抑制效果的影響

圖4顯示，在有光源的條件下，不同光源類型之間霉菌覆蓋率的差別不明顯，可能是由于三種光源的光譜范圍相對較廣，氮摻雜二氧化鈦光催化劑較活躍。無光源情況下，霉菌覆蓋率較高。自然光下霉菌覆蓋率最低。

3.2.2 涂膜次數對霉菌抑制效果的影響

實驗條件為：自然光條件下，培養溫度30℃，培養時間為2d，含水率為10%，研究涂膜次數對霉菌抑制效果的影響。結果如圖5所示。

圖5可知，涂層越多，霉菌覆蓋率越低。但涂膜層數4層與3層相比，霉菌覆蓋率大體相同。為經濟考慮，涂料使用過程中，涂膜達到3層時對霉菌就具有較好的抑制效果。

圖5 涂膜次數對霉菌抑制效果的影響

3.2.3 含水率對霉菌抑制效果的影響

實驗條件為：自然光條件下，培養溫度30℃，培養時間為2d，含水率為10%，研究含水率對霉菌抑制效果的影響。結果如圖6所示。

圖6 含水率對霉菌抑制效果的影響

由圖6可知，隨著涂料實驗板中水分含量的增加，霉菌覆蓋率有所上升，這可能是因為高含水率正好為細菌的生長提供了必要的環境要素，不利于涂料中光催化反應的進行。當含水率為10%時，霉菌的覆蓋率僅為4%，表明干燥環境對霉菌具有較好的抑制效果。

4 結論

將氮摻雜二氧化鈦光催化劑添加到涂料中，將其抹于墻面，能有效降解室內的甲醛，且對霉菌具有良好的抑制效果。

對甲醛的降解效果的研究表明：在自然光、甲醛初始濃度為1mg/m3、溫度為35℃的條件下，氮摻雜二氧化鈦光催化涂料對甲醛的降解率達到82%。

對霉菌抑制效果的研究表明：在自然光、涂膜層數為4層、含水率為10%的條件下，霉菌的覆蓋率僅為4%。表明氮摻雜二氧化鈦光催化涂料對霉菌具有良好的抑制效果。

參考文獻：

［1］ 李艷莉，尹詩，黃寶妍.室內甲醛污染來源及其對人體的危害［J］.佛山科學技術學院學報：自然科學版，2003，21（1）：49-52.

［2］ 蘇澤斌.墻面霉變的原因及對策［J］.山西建筑，2010，7，19（36）：144-145.

［3］ 耿啟金.納米TiO2改性多功能建筑涂料的制備與性能研究［J］.新型建筑材料，2005，12（10）：30-33.

中圖分類號：X51

文獻標志碼：A

文章編號：1006-5377（2016）02-0025-03

Study of N-TIO2Coating on Degradation of Formaldehyde and Repression of Mildew

ZHANG Hao， HUANG Yong-jie， WANG Wen-ming， LIU Xin-zhong， LU Wei-shuai， WU Mei-yan，LIN Yao-nan， LI Ping-zhi， ZHANG Han-bo