光催化氧化技術在室內空氣污染治理中的應用研究進展

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(中原工學院 能源與環境學院 ， 河南 鄭州 451191)

?綜述與述評?

光催化氧化技術在室內空氣污染治理中的應用研究進展

劉玥，趙來群，鄭慧凡

(中原工學院 能源與環境學院 ， 河南 鄭州 451191)

概述了室內空氣污染的危害及特點，分析了光催化氧化技術凈化室內空氣的原理，介紹了光催化氧化技術的研究現狀，分析了光催化氧化技術凈化室內空氣研究中存在的問題，并對其發展前景進行了展望。

光催化氧化 ； 室內空氣污染 ； TiO2

Abstract: The harms and characteristics of the indoor air pollution are summaried.The principle of the photo cataly tic oxidation for purifying indoor air pollution is analyzed.The research status of photocatalytic oxidation technology is introduced.The problems existing in the purification of indoor air by photocatalytic oxidation are analyzed,and the prospect of its development is discussed.

Keywords:photocatalytic oxidation ； indoor air pollution ； TiO2

0 引言

近年來，隨著中國經濟的發展，人民生活水平的提高，大量新型裝飾材料和豪華時尚的現代家具及生活用品不斷進入室內，造成的室內空氣污染已被列為四個關鍵的環境問題之一[1]。中國室內環境監測中心提供的數據顯示，我國每年由于室內空氣污染引起的死亡數可達11.1萬人，急診數可達430萬人次[2]。嚴重的室內環境污染不僅危害人們的健康，也造成了巨大的醫療支出。因此如何有效地控制室內污染、改善室內空氣質量是目前急待解決的問題。

室內空氣主要污染物包括甲醛、苯、甲苯等可揮發性有機物(VOC)[3-5]。室內空氣污染的主要特點是成分比較復雜，室內空氣中通常存有大量的致病微生物，并且室內空氣污染的治理要求是不能有二次污染[6]。因此，目前急需要尋找、研究開發安全、高效、穩定的去除室內環境污染的工藝方法。

目前，室內空氣的凈化技術按其機理分主要有吸附、過濾、靜電分離、負離子分離、膜分離以及光催化氧化降解等。其中光催化氧化降解技術是近年來興起的一項新技術，該方法目前是世界各國研究的熱點。它可以利用包括太陽光在內的各種紫外光，在室溫條件下將各種VOC予以光解，并能將微生物滅活，能夠從根本上解決室內污染物對人體的危害。并且具有能耗少、操作簡單、無二次污染等優點。

1 光催化氧化凈化空氣的機理

光催化材料通常是由填滿電子的低能價帶和空的高能導帶構成。當在紫外光照射下，光催化材料價帶中的電子會被激發躍遷至導帶形成帶負電荷的高活性電子e-，同時在價帶相應產生帶正電荷的空穴h+，在體系內電場的作用下，電子與空穴發生分離，遷移到粒子表面的不同位置同時在價帶上留下空穴，生成的電子—空穴對能夠轉移到半導體催化劑表面，形成一些具有強氧化性或者強還原性的物種，從而氧化或還原有機污染物，或者直接與吸附在催化劑表面的有機物發生氧化還原反應。以常見的光催化劑TiO2為例，具體反應機理見式(1)～(10)[7-9]。

(1)

H2O←→h++ OH-

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

2 在室內空氣污染治理中的應用

國內外研究光催化氧化凈化室內空氣技術是在20世紀90年代興起的，其原理是利用紫外光和光催化劑，由光催化反應裝置將反應體系吸收的太陽能轉變為化學能，使室內有害氣體及異味氣體等分解為無臭無害的產物，同時可殺滅室內空氣中細菌、病毒等。光催化劑屬半導體材料，包括TiO2、SnO2、ZnO、CdS、WO3等。國內外大量研究結果表明，納米TiO2光催化技術可以很好地降解室內NH3、甲醛和甲苯等主要污染物，降解效率>90 %[10-11]。納米材料光催化是目前最具發展前景的室內空氣凈化技術，但是它不能凈化空氣中的懸浮物及細微顆粒物；同時催化劑微孔易被灰塵和顆粒物堵塞，而使其失活。因此，為了使光催化氧化在空氣污染治理中推廣應用，通常將TiO2固定于一定的載體上進行光催化反應。

熊平[12]研究了以10 mm厚度海綿狀活性炭過濾網為載體，在波長為365 nm的紫外光照射下，TiO2濃度為4%時，光催化氧化工藝對室內甲醛去除率可達93.88%。Ho[13]研究了陶瓷泡沫空氣過濾器涂覆中孔TiO2薄膜用于室內空氣凈化中高效光催化降解NO。研究結果表明，由于中孔TiO2薄膜涂層具有較大的有效比表面積，其表面存在很多吸附活性位，用于吸附在反應過程中形成的水蒸氣、氣相反應物和產物，因而具有更高的光催化活性，因此在陶瓷泡沫空氣凈化系統中可以高效地光催化NO降解。侯付彬[14]采用活性炭纖維(ACF)負載TiO2光催化氧化技術在模擬裝置內進行光催化氧化氮氧化物、硫氧化物及有機廢氣等有害廢氣的研究。研究結果表明，在常溫常壓和254 nm紫外燈的照射下，室內常見氣態污染物的處理效率都能達到90%左右。周曉麗[15]研究了以介孔SiO2吸附劑為載體制備了具有吸附—光催化SiO2-TiO2材料，以氣相甲苯和乙醛為模擬室內污染物，通過系列實驗研究了所制備材料的吸附和光催化性能，部分解決了光催化劑難分離，不易回收，吸附能力差和催化活性弱的問題。吳燕等[16]研究了通過摻鑭改性納米TiO2光催化薄膜來提高它的光催化活性和可見光利用率，并將其應用于室內空氣中甲醛氣體的治理，取得了良好的效果。

3 問題與展望

在光催化氧化去除空氣污染物的過程中，可利用的催化劑種類繁多，結構復雜，但是去除的目標物均比較單一。并且大多數的催化劑光催化氧化工藝僅處于實驗室研究階段，主要是以單一污染物為去除的目標污染物。實驗條件為模擬實驗，光催化反應器的利用效率不高；由于檢測條件的限制，目標污染物的濃度往往高于其在實際空間中的存在極限，通常在較高的去除率情況下，模擬環境中目標物的殘余濃度仍高于實際空間中的存在限值。目前對于光催化氧化技術中所使用的催化劑大部分停留在納米催化劑的使用效能上，這些催化劑雖然具有較高的催化活性，但是難以回收利用，因此在實際環境處理中很難推廣應用。而對于負載型的催化劑雖然解決了回收的問題，但是該類催化劑的催化活性明顯降低，并且制備成本比較高。因此選擇高效、穩定、易于回收利用、經濟實用的催化劑是光催化氧化技術在室內環境治理中普遍推廣的前提。

目前，光催化氧化技術凈化空氣污染物的研究雖然存在不少問題，但是由于納米、材料等技術的迅猛發展，使得光催化氧化技術在去除室內空氣污染方面仍有很廣闊的發展前景。例如可以考慮將光催化劑添加或者涂附到各種裝飾材料中減少VOC的釋放，也可以考率將光催化氧化技術用于空調系統和空氣凈化器中，從而有效降解室內空氣中的污染物質，減少其對人體健康的危害[17]。

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ApplicationResearchProgressofPhotocatalyticOxidationTechnologyinIndoorAirPollutionControl

LIUYue,ZHAOLaiqun,ZHENGHuifan

(School of Energy & Environment Engineering, Zhongyuan University of Technology , Zhengzhou 451191 , China)

TQ426.1 ， X799.3

A

1003-3467(2017)09-0007-03

2017-05-28

河南省供熱空調開放實驗室(2016HAC205 & 2016HAC202)；河南省科技攻關計劃(172102210074)；中國紡織工業聯合會科技指導性項目(2016087)

劉 玥(1983-)，女，副教授，博士，從事水污染控制理論研究工作，電話：0371-62506050，E-mail：yue5757@sina.com。