光催化技術(shù)構(gòu)建功能性紡織物在環(huán)境污染中的應(yīng)用

張普智，張彥軍，谷凱凱，呂 英，杜 磊

（1.西安石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西西安 710056；2.浙江理工大學(xué)服裝工程學(xué)院，浙江杭州 310018）

紡織工業(yè)作為我國(guó)比較優(yōu)勢(shì)的產(chǎn)業(yè)，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中具有舉足輕重的地位[1]。隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和人們對(duì)紡織品綜合性能要求的提高，利用納米技術(shù)、生物技術(shù)開發(fā)新型功能性產(chǎn)品成為目前開發(fā)功能性紡織品的熱點(diǎn)，在紡織工業(yè)中，纖維織物除具有自身的基本使用價(jià)值外，也可以與其他新型技術(shù)結(jié)合，廣泛應(yīng)用于抗菌、除螨、防霉、抗病毒、防蚊蟲、防蛀、阻燃、防皺免燙、拒水拒油、防紫外線、防電磁輻射、香味、磁療、紅外線理療、負(fù)離子保健等領(lǐng)域構(gòu)建多種功能化紡織物，在現(xiàn)代大健康社會(huì)環(huán)境中具有非常廣泛的應(yīng)用價(jià)值和市場(chǎng)潛力。

光催化技術(shù)的研究自19世紀(jì)70年代開始，日本藤島教授[12]在一次實(shí)驗(yàn)對(duì)水中放置的氧化鈦單晶進(jìn)行紫外燈照射，結(jié)果發(fā)現(xiàn)水被分解成了氧和氫，由此引發(fā)了光催化技術(shù)的發(fā)展。隨后研究發(fā)現(xiàn)光催化技術(shù)可降解廢水中的污染物。同時(shí)指出了幾百種可利用光催化技術(shù)處理的有機(jī)化合物，目前的研究已經(jīng)證明許多有機(jī)物，例如烴、芳烴、鹵、代烴醚、酮、醛、醇、芳烴、硫醇及雜原子有機(jī)物等，都可以利用TiO2進(jìn)行降解處理。

直到21世紀(jì)的今天，毫無疑問在緩解水污染問題方面，光催化依然是一項(xiàng)很有前途的高級(jí)氧化技術(shù)（AOT）。近期對(duì)其他光催化劑（例如ZnO、ZnS、半導(dǎo)體-石墨烯復(fù)合材料、鈣鈦礦、MoS2、WO3和Fe2O3）的研究也一直在進(jìn)行，其中二氧化鈦（TiO2）憑借成本低、無毒、氧化能力強(qiáng)的特點(diǎn)，至今仍是最受歡迎的光催化劑選擇。除了上述優(yōu)勢(shì)以外，二氧化鈦光催化劑可以固定在各種表面上，并且可以按比例增加使用量以滿足大規(guī)模水處理的需求，二氧化鈦可以固定在各種載體上，且其光催化效率不會(huì)受到明顯影響。這一重要特征十分有助于開發(fā)二氧化鈦光催化工藝，來為凈化水與空氣制造高效的光化學(xué)反應(yīng)器。此外，為了將二氧化鈦的響應(yīng)光譜從紫外線向可見光范圍移動(dòng)，大量針對(duì)二氧化鈦光響應(yīng)的研究已經(jīng)研制出了一些引人矚目的二氧化鈦材料，這些材料不但能響應(yīng)可見光，還可利用陽光中大量的可見光凈化污水。

1 光催化基紡織物

光催化材料在太陽光的作用下可有效地降解污染物，各種光催化納米材料已被研究用于液體或氣體污染物的凈化，被認(rèn)為是最有前途的治理途徑。但如何將這類材料回收再利用卻是關(guān)鍵性問題。考慮到紡織物具有疏松多孔的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及親水、天然、廣泛應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)，以紡織品為負(fù)載模板，構(gòu)筑納米光催化織物涂層，實(shí)現(xiàn)了納米光催化材料的回收再利用。

通過納米光催化材料的交替層層組裝，可以大幅提高光催化效率。光催化基紡織物包括純光催化紡織物和光催化復(fù)合紡織物。純光催化紡織物是將單純的光催化材料（如TiO2）或者改性物質(zhì)通過化學(xué)涂覆沉積在紡織物表面，光催化復(fù)合紡織物是指將光催化材料與其他吸附型功能材料進(jìn)行復(fù)合，以獲得吸附催化雙重功能的紡織物。由于功能性光催化織物的優(yōu)異性能，并且可以大規(guī)模應(yīng)用，如對(duì)可循環(huán)利用的水體凈化，城市臭水體的治理等。把光催化功能織物做成窗簾、地毯等各類紡織品，也可用于室內(nèi)降解甲醛等氣體污染，因此，在各個(gè)領(lǐng)域均展現(xiàn)出非常可觀的應(yīng)用前景。

2 光催化紡織物的制備

光催化復(fù)合紡織物可以采用浸軋烘干工藝將其處理到紡織物表面。通過浸軋工藝將粉體納米光催化材料固著在紡織物上，此方法主要是通過物理吸附在紡織物纖維上。還有一種方法是通過化學(xué)鍵將納米光催化粉體材料結(jié)合在紡織物上，化學(xué)法主要包括：溶膠凝膠浸漬法、水熱合成法、靜電紡絲法等。但在實(shí)際應(yīng)用過程中，由于光催化作用下，將會(huì)對(duì)紡織物基體產(chǎn)生自身分解作用，造成紡織物基體的破壞，也影響了紡織品本身的品質(zhì)。有學(xué)者也提出了采用保護(hù)層將基體紡織物保護(hù)后再進(jìn)行光催化性能的負(fù)載，在光催化劑層和基材之間引入保護(hù)層，避免基材和光催化劑的直接接觸，從而保護(hù)基材免于受到光催化劑分解力的破壞，同時(shí)保護(hù)層也能很好地固定光催化層和基材，從而解決了光催化劑層容易脫落的問題，并讓光催化劑層盡量裸露在表面發(fā)揮催化效果。

3 光催化紡織物的功能及應(yīng)用

3.1 分解有機(jī)污染物

光催化材料在反應(yīng)過程中接受光照，吸收光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，生成的電子空穴對(duì)與氧氣或者水分子反應(yīng)產(chǎn)生活性極強(qiáng)的自由基，再通過活性自由基與有機(jī)污染分子之間的氧化還原反應(yīng)將污染物全部降解為無機(jī)物。Ran等通過水熱合成法制備得到可見光響應(yīng)型BiVO4光催化粉體，并與聚多巴胺（PDA）進(jìn)行復(fù)合增強(qiáng)化學(xué)穩(wěn)定性和增強(qiáng)吸附作用。隨后負(fù)載于棉纖維上，用于分解亞甲基藍(lán)有機(jī)分子，表現(xiàn)出優(yōu)異的催化活性。

3.2 除臭纖維

在除臭纖維中所用的GC—100光催化劑，是以納米TiO2和奇冰石為主要成分，摻雜某些金屬或金屬氧化物制成的納米級(jí)粉體或顆粒。用GC—100光催化劑吸附惡臭氣體后受到紫外光照射時(shí)氣體將分解，因而又可恢復(fù)其新鮮表面，消除了吸附限制。既不會(huì)降低吸附活性，又解決了單純TiO2光催化對(duì)臭氣吸附性差的缺點(diǎn)，大大提高了臭氣的光降解效果。已有公司利用GC一100光催化劑開發(fā)了除臭纖維，實(shí)驗(yàn)證實(shí)其對(duì)乙醛、甲硫醇、醚、硫化氫、氨、三甲胺等臭氣具有良好的去除功能。

東麗公司應(yīng)用光催化劑開發(fā)的消臭纖維業(yè)已上市。其機(jī)制是，二氧化鈦在受光后，生成羥基（氫氧基）原子團(tuán)，與發(fā)生體臭、汗臭及煙臭等的物質(zhì)如胺、乙戊酸、壬烯酸等發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而相結(jié)合，分解為水和二氧化碳等無臭成分。使用噴涂、印染和浸泡等方法把光催化劑與樹脂的混合物溶液加工到聚酯、棉線等纖維上，再制造成織物，可用來制作老人和醫(yī)院用床單、枕套等各種物品，也能夠制作食品包裝薄膜。

3.3 特種口罩

市售一般活性炭口罩僅能過濾有機(jī)氣體，無法真正隔絕病毒。加入光催化和甲殼素制得的活性炭口罩，能隔離病毒，預(yù)防病毒侵入人體。我國(guó)臺(tái)灣省向市場(chǎng)推出了光催化甲殼素活性炭口罩，據(jù)稱該口罩是全球第一種光催化甲殼素活性炭口罩

3.4 光催化羊毛織物

用經(jīng)過TiO2處理的羊毛制成的織物，能夠吸收蒜味、煙臭等，并將其分解。這種光催化機(jī)能性羊毛將進(jìn)一步用于辦公室制服、學(xué)生服、針織套衫、女褲等。

3.5 降解室內(nèi)氨氣的光催化棉織物

室內(nèi)水泥墻有氣態(tài)氨產(chǎn)生，導(dǎo)致室內(nèi)的空氣污染。為了控制室內(nèi)氨氣的污染，使用浸軋或涂層的方法生產(chǎn)負(fù)載TiO2光催化棉織物，在365nm波長(zhǎng)的紫外線輻射下可以在催化反應(yīng)中有效地消除氣態(tài)氨氣。同時(shí)，在一定的使用條件下，氣態(tài)氨氣不僅能夠被浸軋TiO2的棉織物較大地分解，而且涂層的TiO2棉織物也具有相對(duì)較強(qiáng)的催化分解氨氣的能力。東京大學(xué)尖端科學(xué)技術(shù)研究中心把晶質(zhì)狀的二氧化鈦光催化劑事先混入氯乙烯等樹脂材料中，燃燒時(shí)它就會(huì)吸附氯等有害物質(zhì)，落在地面，遇到陽光，氯化物就會(huì)自動(dòng)分解。這種做法“給予材料自身以減輕環(huán)境負(fù)荷的能力”。

3.6 自清潔光催化棉織物

將TiO2-SiO2混合溶液涂層在棉織物上，通過熱處理使其與織物產(chǎn)生交聯(lián)，當(dāng)光線照射在光催化涂布層上，光催化將發(fā)揮氧化分解與超親水的特性，使織物產(chǎn)生自凈性。把混合液涂在棉織物上，然后烘干，在100℃下熱處理1h，使其和織物完全反應(yīng)，形成交聯(lián)。

3.7 抗靜電紡織品

化學(xué)纖維制品摩擦易產(chǎn)生靜電效應(yīng)，如果在其中加入納米光催化，就會(huì)產(chǎn)生良好的靜電屏蔽性能，大大降低靜電效應(yīng)。東華大學(xué)研究者研發(fā)出納米光催化山羊絨針織物，是用經(jīng)過氧化一絲膠法處理后的天然山羊絨針織物浸漬在預(yù)先配制好的納米光催化溶膠中得到的，其抗靜電性有了很好的改善。

3.8 其他功能紡織品

人體釋放的紅外線大致在4～16nm的中紅外線波段上，有研究將納米光催化添加入維綸纖維的紡絲原液中，再經(jīng)過特殊制備工藝制成薄膜。利用法向全輻射發(fā)射率校準(zhǔn)系統(tǒng)測(cè)量該薄膜的遠(yuǎn)紅外線發(fā)射率，來量化研究納米光催化改善紡織品抗遠(yuǎn)紅外線的發(fā)射性能，研究發(fā)現(xiàn)納米光催化對(duì)人體紅外線有一定的吸收作用。

4 結(jié)束論

光催化技術(shù)自19世紀(jì)70年代發(fā)現(xiàn)到現(xiàn)在已經(jīng)研究三十多年，現(xiàn)實(shí)應(yīng)用目前尚處于起步階段。盡管目前尚處成長(zhǎng)期，但光催化技術(shù)每年的產(chǎn)值增長(zhǎng)達(dá)20%以上。實(shí)際推廣過程中遇到的主要問題是人們對(duì)光催化技術(shù)不了解，對(duì)技術(shù)使用效果有一定的疑惑。因此，如何實(shí)現(xiàn)光催化技術(shù)商品化、產(chǎn)業(yè)化仍然是是關(guān)鍵。