納米光催化技術在大氣污染治理中的應用探究

楊 飛

（山西省長治生態環境監測中心 山西長治 046000）

引言

在大氣污染治理過程中，納米光催化技術的應用有著較為顯著的效果，能夠大幅提升污染的治理效果。納米光催化技術的應用具備光敏效果明顯、應用效率高，以及對人體與環境沒有危害性的優勢，成為了現今空氣凈化領域最為先進與應用較為廣泛的技術之一。因此，加強對納米光催化技術在大氣污染治理中的應用研究，分析其在大氣污染治理中的應用原理，在解決霧霾污染，治理和優化人類生活環境方面有著重要的現實意義[1]。在大氣污染治理過程中，溫室效應與臭氧層空洞是最為嚴重的問題，對大氣污染進行有效治理成為了社會各界高度關注的問題。在科技水平不斷進步的推動作用下，納米光催化技術進入了大氣環境污染治理領域，尤其是在室內空氣凈化、汽車尾氣凈化等方面有著較為顯著的應用效果。此外，在其他領域的空氣污染治理，納米光催化技術也有著極大的應用潛力。

1 納米光催化技術相關概述

在對大氣污染治理過程中，各行各業不斷摸索出許多方法，如從源頭控制污染源、降低可燃物燃燒量、汽車尾氣控制與處理、工業廢氣處理等，也采用了諸如化學、物理，或者是采用催化劑等的方法對有害氣體進行無毒無害化處理。隨著工業生產、社會生活等排放的污染物越來越復雜，造成的大氣污染種類也越來越多，采用傳統的治理方式難以取得理想效果。在科技不斷進步的推動下，納米技術在空氣污染治理領域的應用也越來越深入，基于納米光催化技術為核心的空氣污染治理體系，不但節能環保其效果顯著，而且符合國家新能源政策與可持續發展理念，在我國大氣污染治理方面有著較為重要的應用[2]。

2 納米光催化技術應用對于環境保護的重要意義

2.1 大氣治理

工業生產過程中產生的CO、SO2、NOx等氣體會對大氣造成嚴重污染，帶來酸雨、光化學煙霧、溫室效應等，甚至對人體健康造成直接威脅。光催化納米材料與納米光催化技術的應用能夠有效對低濃度有害氣體進行降解，較大程度地凈化空氣。例如借助TiO2材料，配合相應的納米光催化技術的應用能夠實現較好的吸附有害氣體、殺菌、凈化空氣的效果。

2.2 水污染治理

在無機廢水處理方面，納米光催化材料的應用能夠氧化低氧化態的有毒無機物，還原高氧化態的有毒無機物，從而降解無機污染。而且這類廢水中的可回收的重金屬含量較多，利用TiO2能夠有效吸附汞、銀等離子，實現重金屬的回收再利用。在有機廢水處理方面納米光催化技術的應用主要包括在對農藥廢水、化工廢水、含油廢水、印染廢水、造紙廢水等的去害作用方面。在自來水凈化方面，主要借助TiO2納米光材料的催化作用，降解有機物、無機物，進行殺菌凈化。

2.3 噪音控制

經濟的快速發展，使得車輛、船舶、飛機以及一些經濟生產過程中產生較大噪音，長期噪音影響下人們的身心健康將會受到嚴重危害。利用納米光催化技術制造的以TiO2為主要材料的潤滑劑的應用，能夠在發動機的表面形成永久性的固態膜，提高潤滑效果，降低摩擦噪音。

3 納米光催化技術在大氣污染治理中應用技術理論及發展前景

在能帶理論基礎中表明了半導體能帶非連續性。在常態環境中，低能價帶帶電而高能導帶不帶電，兩者之間是禁帶聯系。若是半導體獲得的光量子能量比禁帶帶隙能量光照射產生的電子量大時，低能價帶電子被打擊到高能導帶上，使導帶生成高活性負電電子，此時價帶上產生相應數量的帶正電電子空穴，進而使半導體表面產生高度活性電子空穴對，電子空穴對受到電場作用會產生分離效果以及轉移至半導體表面，變成活性氧自由基，進而和半導體催化劑表面多種污染物產生氧化還反應實現對污染物的有效降解[3]。一般來說，只有禁帶寬度特征較為明顯的，及帶隙能的半導體，才能作為光催化劑，目前TiO2是較為常用的光催化劑。這種半導體具備較好的催化活性，與能量較大、帶隙能光照情況相結合催化劑避免的納米粒子價帶上的電子將會受到激發而出現遷躍為帶電子附上極為的還原性特征，進而吸附空氣中的污染物。加上TiO2的化學性能與光電性能都較為穩定，具備耐腐蝕、耐光照的應用特性，不會對人體健康產生危害。加上應用的價格成本不高，具備較高的應用性價比。以TiO2催化劑作為大氣污染治理納米光催化技術的應用，僅僅需要陽光進行激發即可，不必進行一些較為復雜的操作流程，應用較為方便快捷，其在應用過程中也不會產生二次污染，應用效益較為顯著。在光催化技術應用過程中，納米光催化材料至關重要重要，選擇、制造合適的催化劑成為了當前納米光催化技術在大氣污染治理的應用關鍵所在。雖然，目前各國科學人員不斷致力于對新型、高效、經濟催化材料的研究、發現，但總體上進展緩慢。因此，在較長的一段時間內，納米光催化技術在大氣污染治理中的應用依然集中在尋找合適載體作為催化劑的負載，經過對其不斷完善、改進，提高活性與反應效率，提高反應效益。對性質優良、可大批量制造、無污染的納米光催化劑的的尋找與應用成為世界高度關注的焦點。

4 大氣污染治理過程之納米光催化技術的具體應用

4.1 大氣凈化

隨著社會經濟與生活水平不斷提高，大氣污染也越發的受到社會各界的高度關注，大氣污染產生的一系列問題，如酸雨、臭氧層空洞、溫室效應等，急需得到有效解決。對于大氣中的硫化物、氮氧化物、碳化物等有害氣體的治理，納米材料與納米技術應用發揮著為極為明顯的效果，能夠將這些物質轉化成為無害的空氣成分，進而實現對大氣的凈化效果。近些年，國內利用半導體光催化技術來進行空氣凈化研究并獲得了較大的發展，相關研究人員研發出活性炭-納米TiO2復合光催化空氣凈化網，在制定環境中能夠有效凈化空氣中的污染物。如，能夠凈化達60.1%的一氧化硫，能夠凈化96.5%左右的氨氣等。通過比較實驗可知該空氣京華網能夠大幅提升光催化效率，并且能夠運用光催化效應來達到活性炭原位再生的效果。此外，相關研究人員研發的碳黑改性納米TiO2光催化膜，能夠使得TiO2光催化劑活性大幅增強，且穩定性能極佳[4]。

4.2 石油脫硫催化

石油具備含能高、燃燒效率高的優點而在工業、化工等生產領域成為了不可或缺的能源燃料，但其在燃燒過程中會產生大量的、具備高污染性的硫化物，對大氣生態環境、人類健康造成嚴重威脅。因此，石油脫硫成為了石油產品生產與應用過程中必不可少的步驟。相關研究人員通過TiO2光催化劑來對不同濃度H2S 進行講解的效率進行分析發現，對于33～855（×10-6）濃度范圍的H2S，TiO2的降低率高達99%[5]。而納米鈦酸鈷是當前應用效果較為明顯的石油脫硫催化劑，能夠在石油脫硫催化中將油品硫含量降低在0.01%以下，脫硫效益較為明顯[6]。

4.3 汽車尾氣凈化催化

近年來，汽車人均擁有水平越來越高，汽車尾氣排放越發成為了大氣污染不可忽視的污染源之一，因此，實現對汽車尾氣凈化也自然成為了大氣污染治理重要內容。其中汽車尾氣的污染物主要包括了硫氧化合物、一氧化碳、固體懸浮微粒、氮氧化物等。納米光催化技術的應用，如采用納米的鐵、鎳等燒結體作為汽車尾氣處理器，能夠大大提高處理效果，進而有效降低有害氣體排放。將合適的納米材料應用到汽車發動機氣缸中，在汽油燃燒階段對汽車尾氣進行更為有效的處理，實現對汽車尾氣的有效凈化[7]。此外還有研究人員發現，王半柔性堿性水泥路面內加入TiO2催化材料能夠將汽車尾氣內的各類污染物減少，路面堿性水泥通過發生中和反應來有效去除粘附于催化材料表層無機酸的催化產物，確保催化材料具有良好的活性。并且還可有效提高路面的抗滑性與耐磨性，通常適合用在長隧道、坡道、收費站、停車場等汽車尾氣排放量較大的地點。

4.4 室內空氣凈化

在室內裝修過程中，一些裝修材料的應用會產生許多對人體危害較大的氣體，如甲醛、苯等。采用納米二氧化鈦涂層則能夠起到很好的凈化應用效果，借助紫外線先的照射作用對這些有害氣體進行分解[8]。同時，納米二氧化鈦涂層在殺菌方面也有著較好的應用效果，在光照作用下能夠有效破壞細菌結構，實現對細菌的有效殺傷[8]。除此之外，相關研究表明，將有機與無機納米纖維復合形成高質量的納米纖維，以此為材料制作得到過濾性能較好的過濾網，將其應用于空氣凈化裝置與自然風系統中，能夠有效過濾進入室內的空氣污染物，達到凈化室內空氣的效果。

結語

在經濟快速發展的同時，帶來的大氣污染問題也越來越嚴重，隨著空氣污染物成分的越來越復雜，采用的傳統治理方法已經無法取得明顯的治理效果。納米光技術的出現與應用在較大程度上彌補了傳統治理方法的不足，并且在多個領域有著較好的應用效果，體現出了較好的應用前景。因此，應對納米光催化技術在大氣污染中的應用進行研究、創新，不斷實現對空氣污染治理效果提升，為大氣污染做出更大貢獻。