TiO2結合納米光催化治理甲醛的研究

張巍(沈陽環境科學研究院,遼寧沈陽 110013)

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TiO2結合納米光催化治理甲醛的研究

張巍
(沈陽環境科學研究院,遼寧沈陽 110013)

【摘 要】筆者首先介紹了目前室內空氣污染的現狀,后重點分析了甲醛污染物的來源及對人體的危害。分析了目前主流的各種處理技術: 吸附過濾凈化技術、新型等離子體技術、臭氧技術及光催化技術并系統的分析了其各自優缺點。光催化技術是經濟可行,效率高、副危害系數小的處理技術。TiO2結合納米光催化技術在處理甲醛方面具有不可忽視的良好效果,是具有良好發展前景的處理技術。

【關鍵詞】TiO2甲醛 納米光催化

1 室內空氣狀況

隨著社會經濟的發展以及人們生活水平的提高，環境保護越來越受到人們的關注。雖然大氣污染物主要存在于室外，但是由于人們長期生活在室內空間。因此人們主要受到源于室內的空氣污染。目前城市空氣中的年平均濃度大約是0.005mg/m3-0.012mg/m3之間，通常不超過0.03mg/m3。

目前室內甲醛的來源一是來自于燃料的不完全燃燒，二是來自裝飾材料及家用化學品、建筑材料的釋放。其中室內裝飾材料及家具的污染是目前造成室內空氣污染的主要來源。油漆、膠合板、泡沫填料、內墻涂料、塑料貼面等裝修材料中含揮發性有機化合物高達350多種。由于甲醛與其它樹脂具有較強的粘合性特性，同時還具有加強板材的強度及防蟲、防腐的功能。因此目前裝修用人造板大多使用以甲醛為主要成分的脲醛樹脂作為膠粘劑。板材中殘留以及未參與反應的甲醛會逐漸向外界環境釋放是形成室內空氣中甲醛污染的主要渠道與來源。日常生活用品如：消毒劑、液化石油氣、清洗劑等也是室內甲醛污染的途徑。另外室內有機物污染對人體健康的影響主要為以下3種：氣味等感覺效應；粘膜刺激及基因毒性；致癌性。

2 室內空氣污染凈化技術

為了改善室內空氣質量，創造健舒適健康的室內生活環境。目前已發展了多種空氣凈化技術用來去除室內空氣中的顆粒物、微生物和氣體污染物。下面就其中主要技術簡單介紹一下。

(1)吸附過濾凈化技術：屬于物理處理方法。針對室內pmx物質主要采用靜電除塵、機械過濾以及離子除塵等技術進行處理。這幾種技術的主要缺點是：凈化有害污染氣體性能不佳。機械過濾技術對超微顆粒凈化效果較差；靜電集塵與離子除塵需要配置預過濾裝置。活性炭吸附方法的主要缺點是細菌等生物污染容易在活性炭空隙內中繼續繁殖，成為生物的新的污染的滋生地。

(2)新型等離子體技術：是物理化學綜合處理的全新技術。由于等離子體中含有大量活性基團并具有較高能值，平均電子能量約在2.3-10.0eV之間浮動，因此足以破壞氣態有機污染物中的化學鍵，從而達到降解污染物的目的。即使是一些還原性較強的無機物也極易被低溫等離子體系中的活性物質氧化，而鍵能較小的物質則會被體系中能量高的活性離子打開，最終轉化為環境無害物。但是低溫等離子體技術的主要缺點是會產生臭氧，危害對人體健康。

(3)臭氧技術：利用臭氧特有的強氧化性可以和很多有機物發生氧化還原反應從而達到凈化空氣的目的。其主要缺點還是對非有機有害氣體凈化效果不好；即使是揮發性有機物也達不到深度氧化的目的。同時會產生一些有害副產物，加上其本身也是一種對健康有害的物質，因此臭氧處理技術并不是一個理想的化學處理污染物的技術。

(4)光催化技術：本技術由催化氧化技術發展而來。一般采用黑光燈、熒光燈、高壓汞燈，甚至是太陽光作為光源。催化劑是在特定波長光線照射下具有很高光化學活性的物質，通常為是半導體光催化劑。光催化技術是一種新型低溫深度氧化技術，可以在室溫條件下將大氣中有機污染物完全氧化為二氧化碳和水，還具有安全、除臭、防腐、殺菌等功能，因此是一種具有廣闊發展前景的室內空氣凈化新技術。

3 納米光催化技術

自20世紀70年代以來納米半導體光催化技術的研究得到了極為迅速的發展，在環境領域取得了廣泛的應用。目前研究最多的是硫族化物半導體材料，如TiO2、ZnO、WO3、SnO2等。由于TiO2具有化學穩定性高，耐光腐蝕，并且具有較深的價帶能級等特性，因此可使一些吸熱的化學反應在被光輻射的TiO2表面得到實現和加速，同時TiO2屬于無毒物質。因此目前TiO2的光催化特性研究最為活躍。TiO2目前有三種形態：銳鈦礦型、金紅石型和板鈦礦型。

納米光催化技術在室內空氣凈化中的應用主要表現在以下幾個方面：

(1)無機氣體的去除。氮氧化物和二氧化硫是主要的大氣污染物，同時也是室內化石燃料燃燒產生的主要污染物，而氨則是某些混凝土填加劑(如防凍液)慢性釋放出來的，這些大氣污染物危害人體健康，直接引發各種呼吸系統疾病。TiO2光催化氧化去除氮氧化物效果比較理想的濃度范圍在0.01-20ppm之間，在 150ppm 以上則難以有效。

(2)室內異味的去除。室內異味物質主要是一些含氮、硫化合物，如硫醚、硫醇、胺類。其成分復雜，濃度不高但其散發的臭味卻是很明顯。利用TiO2與臭氧或其它催光劑配合去除臭氣效果較好。將TiO2固定在蜂窩狀板材上，制備出光催化空氣凈化器能夠有效地去除硫化氫、氨等多種異味物質。利用納米級的TiO2顆粒作為光催化劑，再用氫氧化鋅溶液進行表面處理，吸附甲硫醇的能力將獲得明顯的提高，在紫外線照射下發生光催化氧化分解甲硫醇的效率也將獲得大幅度提高。

(3)VOCs的去除。通常空氣中的化學污染物以揮發性有機物VOCs 為主。TiO2在紫外線照射下生成的空穴具有的強氧化能力，在清除VOCs方面取得良好效果。適用于低濃度污染物的去除，也適用于多種污染物的去除。光催化氧化能夠分解揮發性有機物，包括許多難于用其它方法降解的污染物最終無害處理。已經通過光催化氧化分解室內空氣中典型的VOCs有：苯系物，醛類，醇類，還有乙酸、苯酚、吡啶、丙酮、氯苯、氯甲烷等。

(4)微生物的去除。TiO2納米光催化劑具有很強的殺菌能力，幾乎可以殺滅所有的細菌，如：大腸桿菌、綠膿菌、霉菌、白蘚菌等。同時對病毒也具有很強的殺滅能力。TiO2破壞細胞的細胞膜使細胞組分流失造成細菌死亡；還可以凝固病毒的蛋白質來抑制病毒活性達到消滅病毒的目的。目前利用納米光催化劑的這種光譜殺菌的特性已研制了多種抗菌材料，如瓷磚、壁紙、塑料、涂料等，廣泛用于醫院、家裝等行業。