光催化技術凈化甲醛的效果研究

俞圣哲

摘 要：人們生活品質的提高，對于家居有了新的要求，那就是無毒無害，但現實中未能解決有害氣體的散發。通過密閉房間內利用光觸媒設備對有害有機物氣體的消除測試闡述了在低濃度狀況下除VOCs的有效性；對于不同基材負載的光觸媒板在相同條件下去除低濃度甲醛氣體的動態模擬測試的比較，進一步的得出基材的選擇對于光催化去除甲醛能力的影響。

關鍵詞：光催化；TiO2；負載；去除率

中圖分類號：X511 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）22-0005-03

隨著生活生平的提高，人們更多的關注健康，很多專業術語也被認知，比如PM2.5，PM10，空氣污染指數等等。一天當中大部分時間在室內度過，因此室內空氣的好壞直接影響著我們，尤其是各式各樣的新家具用品和裝修涂料時時刻刻釋放出有毒有害的污染物讓我們的身體處在危害當中。

在室內空氣污染物中，揮發性有機化合物VOCs來源廣泛且對人體健康影響較大，研究認為，室內TVOC濃度大于0.2mg/m3時，人體會有輕微不適的感覺，TVOC濃度上升到25mg/m3以上時就容易出現頭痛等中毒癥狀[1]。

2002年我國制定并實施了GB/T18883.2002《室內空氣質量標準》，這部標準引入室內空氣質量概念，明確提出“室內空氣應無毒、無害、無異常嗅味”的要求。其中規定的控制項目包括化學性、物理性、生物性和放射性污染。規定控制的化學性污染物質不僅包括人們熟悉的甲醛、苯、氨、氧等污染物質，還有可吸入顆粒物、二氧化碳、二氧化硫等13項化學性污染物質。

目前，室內空氣污染物的控制途徑分為：污染源頭控制以及末端治理。使用環保型材料能有效的從源頭減少污染物，但是由于成本和售價的昂貴普通百姓無法承受，通常會選用末端治理的方法來改善空氣質量。現有末端治理技術包括過濾技術、靜電除塵技術、吸附凈化技術、低溫等離子體技術、光催化技術和組合技術等。通常我們常見的方法有吸附型的比如活性炭包；過濾和吸附相結合的有空氣凈化器；以及可直接噴灑于墻體表面去除甲醛，苯類的有光觸媒分散液。

本文以光催化技術為主要研究對象，所謂光催化（光觸媒）指半導體材料在紫外及可見光照射下，將光能轉化為化學能，并促進有機物的合成與分解的過程。當光能等于或超過半導體材料的帶隙能量時形成光生載流子（電子-空穴對）。在缺乏合適的電子或空穴捕獲劑時，吸收的光能因為載流子復合而以熱的形式耗散。價帶空穴是強氧化劑，而導帶電子是強還原劑。大多數有機光降解是直接或間接利用了空穴的強氧化能力。當TiO2等半導體粒子在空氣與水接觸時，半導體表面產生高密度的羥基即OH-以及O2-和O-，可以將有機污染物分解為二氧化碳和水等無機小分子[2]。

其特點主要表現在以下幾點：

（1）反應條件溫和，常溫常壓下就可實現；

（2）反應速度快，所需時間短；

（3）能將大部分有機物降解成小分子，還能起到殺菌作用；

（4）壽命長，可長時間使用；

（5）獲取途徑容易，價格低廉。

其主要缺點是只適用于低濃度環境使用，配合380nm光譜波長以下的紫外燈才能發揮最大功效。

常見的光催化劑多為金屬氧化物和硫化物，如TiO2， ZnO，CdS，WO3等，其中TiO2的綜合性能最好，應用最廣。光催化劑大都不會單獨使用，通常會根據實際情況負載于某一物體上方便安裝和使用，比較普遍的負載方法有噴涂和浸漬兩種[3]。噴涂的優點在于制作過程相對簡單，涂層均勻，但是容易出現盲點；浸漬對于過程制作技術要求高，涂層厚度難控制，但是覆蓋面全。

市場上民用光催化劑主要是光觸媒分散液，可直接噴涂于物體表面，以墻體和地板為主，在可見光照射下降解有害物質；工業用以鋁基材料負載為主，具有阻力小，安裝方便的特點。

1 材料與方法

1.1 供試物料與試劑

新裝修過的房間；鋁基光觸媒板；蜂窩金屬板；60目塞網；光觸媒分散液；柱狀活性炭；分析純甲醛溶液；氣泵；外徑8mm氣管；內徑30mm試管；密閉箱；華瑞PGM7300TOVC檢測儀（0.0-5000PPM）；風速儀（0-30m/s）。

1.2 試驗方法

實驗①：采用長方體密閉箱內置蜂窩鋁基光觸媒板和紫外燈，兩端面有進出口氣孔，將一定量甲醛試劑倒入試管內，用氣泵鼓氣吹掃溶劑表面使之氣化，通過氣管吹入到實驗箱內，大致如下圖1、2所示，測試甲醛去除率。

測試數據如表1所示。

見圖3結果顯示平均甲醛去除率能達到48.3%。

實驗②：仍以試驗①的鋁基光觸媒材料作研究對象，在新裝修或者存放有新家具放置一段時間后的密閉房間內測試有害物質濃度變化，測試前預先通風一段時間以使房間內有害濃度降低到適合測試的環境。

測試數據如表2所示。

見圖4結果顯示實驗②會隨著反應時間的增加能夠有效的降低有害濃度。

實驗③：蜂窩型鋁基光觸媒板的反應時間在瞬間完成，停留時間短，為了使反應更有效，有必要增加停留時間[3]，提高光觸媒的性能，本次試驗采用蜂窩網金屬板，蜂孔內加入負載填料，兩端用塞網封住。活性炭本身能夠吸附有害物質，微孔結構，表面粗糙，作為負載基材結合光觸媒能夠更有效的發揮功能。選用兩種不同品牌的光觸媒分散液，同種適合尺寸的活性炭浸漬法制作光觸媒填料A和B，以實驗①方法分別測試兩種填料的性能。

測試數據如表3所示。

見圖5結果顯示實驗③增加停留時間和更換載體基材后比實驗①鋁基材的光觸媒效果提升明顯。

2 結語

通過3種實驗對比實現了傳統光觸媒催化劑在低濃度環境下可行性，可以有效地降低有害污染物濃度，通過改變負載基材能夠提高光催化劑性能。假設把柱狀活性炭負載填料直接改成蜂窩活性炭負載效果可能會更好，光觸媒負載量和反應接觸面及光照表面積都大大提高，處理能力會更佳，做成模塊應用于空氣凈化機將會有很好的發揮空間。

相信隨著光觸媒性能的提高未來應用場合將更加廣泛，不單單適用于普通家庭，公共場所將更加適用，比如影院，醫院，火車站等人口比較聚集的地方更應該關注室內環境質量。

參考文獻

[1]吳忠標，趙偉榮.室內空氣污染及凈化技術[M].北京：化工業出版社，2005.

[2]陳坤洋.TiO2基光催化材料凈化室內空氣中苯和甲苯的性能[D].浙江大學，2014.

[3]王小艷.光催化空氣凈化器的設計及甲醛降解的實驗研究[D].重慶大學，2014.