可見光光催化材料應用于照明燈具的環境凈化性能研究

陳美玲 丁文超 韋曉珊 楊子鍵 朱奕光

（佛山電器照明股份有限公司，廣東 佛山 528000）

0 引言

隨著工業革命和經濟的持續發展，空間環境的污染對人類健康的威脅已成為一個世界難題。空氣中的病毒、細菌、真菌和揮發性有機化合物等都對人體健康構成極大的威脅。因此，空氣凈化問題已經引起了人們的極大關注。

目前市場上主流的空氣凈化技術主要包括物理吸附法、負離子凈化技術、等離子凈化技術和臭氧凈化技術等。然而，物理吸附法存在吸附效率不高、吸附飽和以及污染物二次釋放等問題。空氣負離子發生器存在壽命短、釋放臭氧以及超氧等衍生物。等離子凈化技術在凈化過程中會產生臭氧等有害物質，價格相對較貴且操作復雜。臭氧凈化技術產生的臭氧對人體健康有害，無法實現人機共存。

光催化技術具有光催化作用持久、化學性質穩定和價格低廉等優點。傳統的紫外光光催化技術需要特定的紫外波段，對人體健康不利，使其凈化應用受限。為了解決紫外光對人體的危害風險，該文通過光將可見光光催化材料與照明燈具相結合開發了一種可見光光催化燈具，此類燈具安全環保、凈化徹底、可人機共存且具有超長壽命，是具應用前景的凈化技術手段之一。

1 材料的光催化性能及其速率常數測試分析報告

為了驗證光催化材料本身的光催化性能，該文通過有機染料羅丹明B（RhB）作為模擬污染物以評價其光催化性能。材料光催化性能及其速率常數的測試方法如下：量取90 mL光觸媒液體與10 mL羅丹明B（1×10-4 mol/L）溶液于反應玻璃瓶中，并將混合物置于黑暗處（完全避光環境）磁力攪拌至60 min以達到吸附-脫附平衡。然后以300 W氙燈作為光源進行光催化降解，每間隔20 min進行取樣，直至完全降解羅丹明B溶液為無色為止，每次取樣為3.5 mL，最后經過離心除去光觸媒固體，取上清液測定其吸光度值。對RhB去除率（%）的計算如公式（1）所示。

式中：和A分別為染料溶液在0 min和每間隔一段光照時間于λ～554 nm處的最大吸收峰。

測定材料的光催效率及其速率常數結果如圖1所示。在光照160 min處幾乎能將RhB完全降解，表現出良好的光催化性能。圖1（a）為光觸媒材料對RhB的光催化降解曲線，光觸媒材料在160 min處對RhB的降解率約為99%。擬一階動力學方程如公式（2）所示。

式中：為材料光催化反應速率常數，單位min。

此方程與試驗數據擬合良好，如圖1（b）所示。結果表明，對RhB溶液濃度為1×10mol/L時，材料的反應速率常數為0.024 2 min。

圖1 測定材料的光催效率及其速率常數

光催化材料對RhB溶液的吸收光譜（440nm～640nm）如圖2所示。在光照過程中，溶液的最大吸收峰從554 nm藍移至508 nm，可能原因如下。1） 溶液中存在一些中間產物（N-脫乙基化的中間體：鄰苯二甲酸、4-羥基苯甲酸等）。2） 光觸媒材料沒有完全離心的原因。

圖2 RhB染料溶液的吸收光譜隨光照時間的變化

影響光催化性能的因素主要有以下3點：1） 使用的光觸媒材料為核殼結構TiO@SiO材料，其中Ti質量分數僅為0.08%，大部分為黏合劑，這可能會影響有效成分發揮光催化作用，進而影響光催化效率。2） 光觸媒材料離心不完全，測試時溶液中有材料的存在，可能會影響光催化性能。3） 光觸媒材料的光催化性能及其速率常數的測試委托第三方檢測機構、學校測試，試驗人員的操作方法、測試儀器的不同會導致試驗結果的不同。

2 抗病毒和除菌性能

2.1 燈具的表面抗病毒和除菌性能

該文選用一種LED燈具，在其擴散板或燈罩表面涂覆一定厚度的可見光光催化材料。先使用去離子水、酒精對燈罩或擴散板進行清潔，

燈罩或擴散板自然晾干后，使用手工噴槍對燈罩表面進行光催化材料噴涂，噴涂后加熱固化。涂層干燥后的樣燈即為可見光光催化燈具原型產品。取擴散板或燈罩試片進行表面抗菌抗病毒性能測試，該測試參考《GB/T 30706 可見光照射下光催化抗菌材料及制品抗菌測試方法及評價》進行，通過可見光照射燈具擴散板和燈罩樣品表面24 h，記錄照射后與照射前菌落數的變化，并計算細菌和病毒去除率。

試驗結果顯示（如圖3所示），該燈具對H1N1型流感病毒具有高效的去除作用，其去除率高達98.13%，證明該可見光光催化燈具表面具有較強的抗病毒效果。對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、白色葡萄球菌、李斯特菌和沙門氏菌的消殺率則高于99%，說明燈具樣品具有優異的抗菌作用。

圖3 燈具表面的病毒和細菌去除率

2.2 燈具的空間抗病毒和除菌性能

可見光光催化燈具空間抗菌抗病毒測試參考標準《GB 21551.3 家用和類似用途電器的抗菌、除菌、凈化功能空氣凈化器的特殊要求》，將原型燈具點亮，隨后將光色調節為冷白光，并放入30 m試驗艙，持續點亮作用2 h進行測試，分別取試驗前和試驗后的空間菌落進行計數，并計算空間細菌和病毒去除率。

測試結果表明（如圖4所示），在30 m空間內，可見光光催化燈具具有突出的空間抗菌和抗病毒性能。其中，H1N1型流感病毒的空間去除率高達98.85%，而大腸桿菌、金黃色葡萄球菌以及白色葡萄球菌的去除率可分別達到85.99%、82.18%和83.54%。相同時間內，該燈具的空間細菌與病毒消殺性能達到與空氣凈化器同等水平。

圖4 燈具的空間病毒和細菌去除率

3 除揮發性有機化合物性能

室內的揮發性有機化合物（VOC）含量過高會引起人體免疫水平下降、危害人的消化系統，還會引發胃口不振、惡心嘔吐甚至致癌的風險。新裝修的房屋釋放大量甲醛于空氣中，對室內空氣造成一定程度的污染。室內凈化甲醛等VOC的凈化新技術已經迫在眉睫。該試驗參考《QB/T 2761-2006 室內空氣凈化產品凈化效果測定方法》進行，該燈具對甲醛去除率可按下式計算：=（C-）/C×100%，其中為去除率（%）；C為空白試驗艙甲醛濃度（每mg/m）；C為樣品試驗艙甲醛濃度（每mg/m）。經過測試證明（如圖5所示），可見光光催化燈具具有明顯的甲醛去除效果，其去除率達到了86.1%。除此之外，該燈具還具有去除異味、臭味分子的優異性能，氨氣和硫化氫的去除率高達85.1%和84.2%。此類光催化燈具是空氣凈化器的高潛力替代產品，具有凈化效率高、成本低廉并節能等很多應用優勢。

圖5 燈具的甲醛、氨氣和硫化氫去除率

4 釋放負氧離子性能

先通過負氧離子測試儀測試30 m空間的負氧離子濃度，此時室內空氣中的負氧離子濃度為118個/cm。然后準備一盞可見光光催化燈具，將其置于30 m空間中，點亮燈具，使用負氧離子測試儀測定室內負氧離子濃度隨開燈時間的變化。試驗結果顯示（如圖6所示），開燈后室內的負氧離子濃度隨著照明時間的增加呈現上升趨勢，在50 min后其負氧離子濃度達到穩定的狀態，最高為3 275個/cm。根據環境空氣質量標準，測得室內負氧離子濃度達到了鄉村田野空氣標準（1000個/cm～5000個/cm），具有增強人體免疫力、抗菌力的作用。

圖6 負氧離子濃度隨開燈時間變化曲線

5 結語

綜上所述，可見光光催化燈具對H1N1流感病毒空間去除率達98.85%，抗菌率（如大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、白色葡萄球菌、李斯特氏菌以及鼠傷寒沙門氏菌等）高于99%，甲醛去除率達86.1%，氨氣和硫化氫去除率分別高達85.1%和84.2%。可持續釋放負氧離子，有助于提高人體免疫力。此類空氣凈化燈具可廣泛應用于辦公、學校、商場、醫院和居民住宅等場所，以減輕室內空氣污染物對人體的危害，改善辦公、學習以及家居生活環境。