光催化治理技術在城市綠色生態住宅項目的應用

李景輝，許立財，李浩杰

(1.蘭州零度空間建設工程有限責任公司,甘肅 蘭州 730099;2.二十一冶建設集團有限公司，甘肅 蘭州 730099； 3.河南科技大學能源與動力工程系，河南 洛陽 471003)

1 概述

城市綠色生態小區建設是城市生態文明建設的重要內容，是現代城市從粗放式建設發展到集約內涵式發展的必由之路。隨著人們經濟水平的提高，對生活環境改善的訴求逐漸提高，舒適的生態環境(潔凈的空氣、干凈的飲水)越來越成為城市居民在選擇居住地的首要考慮。全方位對城市水體和室內外大氣主要污染物進行治理是規劃建設綠色生態小區的重要內容。目前，對室內外的空氣污染物治理主要靠活性炭等物理性吸附的辦法，但這種方法效果有限，使用成本較高，后期處理麻煩，對室外空氣治理難以奏效。城市水體污染治理方法主要為活性污泥法，這種方法對一般的生活污水具有一定的凈化作用，但對于一些低濃度、高分子有機污染物效果不佳。近些年來，針對城市水體中低濃度、高分子有機污染物的凈化處理，研究者做了大量的研究工作，并提出了一些行之有效的新方法新技術，如光催化氧化技術、凝絮處理技術、膜處理技術等。其中，光催化技術能耗低、污染物降解后不易產生二次污染，凈化處理設備簡單，能夠對空氣中污染物和水體中低濃度、高分子有機污染物進行有效去除，光電子能夠解離氧化空氣中污染物，也可將水體中大分子有機污染物氧化為小分子物質，改善其生化降解性。因此，越來越受到研究者和工程技術人員的青睞。本文主要闡述光催化技術在城市水體和大氣典型污染物環境治理領域的研究進展及其在城市綠色生態小區項目建設中的應用。

2 光催化技術的基本原理及應用

TiO2+hv→e-+h+

(1)

(2)

H2O→OH-+H+

(3)

h++OH-→*OH

(4)

1972年，Fujishima和Honda模仿植物光合作用，設計了太陽能光電池，使用TiO2單晶電極實現了光電催化水分解制氫[1]。從此，光催化技術進入人們的視野并引起了極大的研究探索興趣。隨后，光催化技術在氫能制備、有機污染物降解、殺菌消毒、大氣污染物治理、化學合成等方面均得到了深入的研究和應用。Liu等[2]制備內嵌碳量子點的C3N4可見光催化劑催化分解水制氫，光催化量子效率達到2%，且催化劑具有較好的催化穩定性和可重復使用性。Nagajyothi等[3]采用Ag納米顆粒負載功能性碳納米管上制備Ag/f-MWCNTs，并在可見光照射下進行降解有毒有機染料和細菌滅火實驗，結果發現在太陽光照射下60 min后有毒有機染料基本得到降解，150 min 后細菌滅活率達到接近100%水平，效果十分顯著，細菌滅活實驗圖如圖2所示。Xiong等[4]通過制備了BiOCl光催化劑，成功在可見光照射下催化降解有機染料羅丹明B，且獲得了較高的光催化活性。Adrien等[5]將光催化功能材料TiO2摻混到室內油漆涂料中，發現添加適量的TiO2能夠有效去除室內空氣中NOx，凈化室內空氣。這些研究大大開拓了光催化技術的應用空間。光催化技術能有效地發揮氧化降解環境污染物的作用，這些技術特征與綠色生態小區有機物廢水和室內外NOx,SOx,VOCs,CH2O等污染物的治理需求相匹配，具有十分廣闊的應用前景。

3 光催化技術在綠色生態住宅小區中的應用

3.1 在綠色生態小區污水治理的應用

綠色生態住宅小區污水中，按其來源可以分為居民生活排污水和草木綠化中化肥農藥污染的廢水兩大類。居民小區水體中常見的有機污染物包括天然有機化合物及致病菌，如水中動、植物分解而成的腐殖酸及病毒、細菌等，還包括人工合成的有機物，如硝酸鹽類、揮發苯酚類、氰化物、藻毒素等。利用光催化技術不僅能夠處理多種難降解有機污染物，而且具有很好的除菌及抑制病毒活性的作用，許多光催化劑本身無毒，不會造成二次污染，在處理難降解有機廢水和致病菌方面有著其他污水治理技術無法比擬的優勢。王利俊等[6]利用TiO2光催化材料光催化有毒氰化物，將 Au(CN)4-中CN-氧化為NH3和CO2，不僅消除氰化物對環境的污染，還還原了廢液中的貴金屬Au，實現了環境治理和經濟性的統一。張宏忠等[7]采用相轉換法制備TiO2/PVDF膜，將該復合膜用于處理牛血清蛋白(BSA)溶液模擬的天然大分子有機廢水，光催化技術縮短了常規廢液處理周期，光催化技術與膜分離技術耦合后增加了膜的使用壽命，顯著提高了經濟性。光催化與膜分離技術工藝的耦合表現出高效的催化降解、膜分離、滅菌消毒與自潔凈的多功能一體化的水處理特性，更加適合城市綠色生態小區污水治理的應用。

工程建設中，綠色生態小區中通常要鋪設透水磚，透水磚主要為雨水的下滲提供路徑，減少地表徑流量的同時，達到凈化雨水的功能。但透水磚使用過程中容易出現孔隙被有機物等堵塞，產生異味等現象，如果將光催化降解有機物技術應用于透水磚上，光照條件下，光催化劑可以降解透水磚孔隙中的污染物，使透水磚具有防污、凈化雨水的功能，有效解決透水磚堵塞問題。大連理工大學荊揚揚[8]將TiO2前驅體負載到透水磚的孔隙中，制作出一種具有光催化性能的透水磚，經實驗驗證得出光催化技術可以對透水磚中堵塞的有機物進行分解減量，使透水磚具有自清潔的功能。圖3為自清潔光催化功能型透水磚原理示意圖。

3.2 室內外空氣污染治理的應用

相比生態小區污水治理，由于空氣具有特殊流動性等特征，小區室內外空氣治理具有較大的難度。目前，光催化技術與綠色建筑材料技術的耦合，為解決空氣污染物治理提供了一條行之有效的方法。

3.2.1 光催化功能型涂料

將光催化材料與建筑涂料相結合，光催化涂料能直接利用光能降解各種氣體污染物，包括NOx,SOx,CH2O等。利用光催化劑制成的涂料制品已經開始被應用于環保涂膜的各個領域。現代高層建筑的外墻面主要是通過高空吊繩人工進行清洗，如將光催化材料加載于建筑混凝土中，利用光催化效應去除周圍環境中的有機污染物實現建筑外墻的自潔功能，則改善了建筑維護成本，具有較好的應用經濟性。李景潤等[9]將硅藻頁巖按一定比例摻混入納米TiO2光催化材料，制備出兼具有室內濕度調節、甲醛吸附降解作用的內墻涂料，結果證明納米TiO2的摻入使硅藻頁巖內墻涂料獲得了凈化甲醛的功能，室內甲醛在240 min后凈化率達82.1%。將具有光催化響應的材料加入道路鋪設水泥或者瀝青中，形成功能性氧化路面，在光照條件下，光催化作用將氧化路面附近尾氣中的NOx，將其分解生成無毒無害的硝酸鹽，達到長效治理汽車尾氣的作用。圖4為光催化功能型路面降解汽車尾氣污染物示意圖。李麗[10]在南京長江大橋上開展了光催化混凝土路面去除道路上NOx的研究，監測數據證實了光催化功能型混凝土路面對汽車尾氣中NOx降解清除效果明顯。高衣寧[11]制備了Ag/AgBr/MOC水泥基硅酸鹽復合材料，在室溫下，2 d內就可以把初始濃度(質量濃度)50 g/m3的甲醛降解完全。

3.2.2 光催化功能型建筑外墻

光催化功能型外墻玻璃和建筑板材是在普通建筑玻璃和板材生產過程中涂覆或者摻雜具有光催化響應特征的半導體材料，使之具有去除有害氣體、致病菌、降解有機污染物、保持表面清潔等功能，在小區公共建筑外墻具有較好的應用前景。Ho[12]采用中孔TiO2薄膜涂覆陶瓷泡沫空氣過濾器，并用于室內空氣凈化，結果發現制成的陶瓷泡沫空氣凈化系統可以高效的對空氣中NOx進行光催化降解，并認為中孔TiO2薄膜涂層的較大的有效比表面積，較多的吸附和催化活性位點是其高光催化活性的主要原因。吳燕[13]通過改性納米TiO2光催化薄膜，并用于室內空氣中氣體甲醛的治理，取得了良好的效果，并發現TiO2的金屬摻雜改性可以明顯提高光催化降解甲醛活性和可見光利用率。李娟等[14]通過金屬離子非均勻摻雜TiO2薄膜，并應用在玻璃及陶瓷基體上，獲得了較好的自潔效果的建筑玻璃。圖5為住宅建筑中可裝配光催化功能型外墻和玻璃幕墻部位示意圖，圖6為李娟課題組研究的鍍光催化材料的玻璃的效果圖，由圖5可得鍍光催化材料的玻璃面具有自清潔功能，玻璃面沒有水珠掛壁現象。

3.2.3 室內光催化空氣治理

隨著居住房屋室內裝修精致化，室內環境里甲醛、苯等污染物超標現象較為嚴重，這不僅引起人體呼吸道的不適，嚴重時還可以引發白血病等疾病。光催化治理技術在室內空氣治理上也有著獨特的優勢，如凈化空氣的光催化功能型窗簾、室內光催化劑涂料等。近年來，把室內空氣治理和室內裝飾藝術相結合越來越成為追捧的熱潮，如有研究者設計了仿生光催化植物的空氣凈化技術。利用活性炭與金屬泡沫材料的優良吸附特性吸附空氣中污染氣體醛、醇、酮、烴等，植物葉片表層涂覆光催化劑，通過活性炭與金屬泡沫材料把有毒氣體吸附到仿生植物表面，光催化材料通過光催化作用將有毒氣體降解，實現空氣凈化[15]，如圖7所示。此外，仿生光催化植物通過設計成不同的藝術化樣式(如圣誕樹、闊葉植物或多肉植物等)，可實現家居藝術化和健康功能化的統一。

4 光催化技術在住宅小區應用中的問題與展望

4.1 應用存在的問題

常規光催化劑(TiO2,SiC等)的光譜響應范圍主要在紫外光范圍內，可見光利用率低。生態住宅小區中綠化樹木和樓宇的存在，使自然直射太陽光面積減少，散射光增多，這些散射光光譜主要為可見光和紅外光譜，普通光催化劑對自然散射光利用率較低，對有機廢物和空氣污染物治理能力降低。此外，在建筑材料中添加光催化功能材料會一定程度影響建筑材料(如涂料、水泥、板材、玻璃幕墻等)的結構力學和物化性能，光催化功能材料和建筑涂料的摻混或涂覆會影響其光化學性能，進而影響其光催化降解污染物的能力。最后，生態住宅小區屬于自然開放性環境，光催化性能難以準確測量，進而難以定量的對其降解污染物的效能進行評價。

4.2 技術展望

1)通過納米技術、構建半導體P-N結等技術手段改進傳統光催化劑的催化性能，使之能在可見光及紅外光光譜范圍內進行響應，提高光催化劑對自然太陽直射光和散射光的適應性。

2)研究光催化功能性材料與建筑基材之間的相互影響，優化光催化功能型材料與建筑基材的配方，保證光催化功能材料的功能性和建筑材料的結構力學和物化性能的最優化。

3)光催化降解污染物技術與其他技術的耦合，比如通過光催化技術和靜電吸附過濾技術耦合強化室內外氣體污染物的治理能力，利用光催化降解氣體污染物技術與通風空調技術融合，更加有效改善室內的空氣質量等。