劉瑩昕

摘要：近年來(lái)，光催化這個(gè)名詞不斷出現(xiàn)在生活周遭，并應(yīng)用于各個(gè)層面，如空氣清凈、水質(zhì)凈化等，密切地影響著我們的生活，尤其對(duì)于我國(guó)日趨嚴(yán)重的PM2.5污染問(wèn)題有著良好的作用效果，文章將就光催化的作用原理，對(duì)其去除PM2.5的應(yīng)用研究進(jìn)行相關(guān)分析和研究。

關(guān)鍵詞：光催化；PM2.5；研究

1光催化原理

指能夠加速光化學(xué)反應(yīng)的催化劑，受到光線(xiàn)的照射，原子中的電子吸收了光子的能量后被激發(fā)，電子便會(huì)價(jià)帶（Valence Band，VB）躍遷到導(dǎo)帶（Conduction Band，CB），而價(jià)帶處電子躍遷后留下帶正電的電洞（Electron Hole，EH），形成光生電子電洞對(duì)，光生電子電洞對(duì)分別具有相當(dāng)強(qiáng)的還原性及氧化性，使光觸媒表面的物質(zhì)進(jìn)行氧化還原反應(yīng)。常用的光觸媒有氧化鋅（Z_nO）、二氧化錫（S_nO₂）、硫化鎘（C_dS）等，其中使用最為廣泛的是T_iO₂（T_iO₂）。

氣相中，光觸媒的受光照產(chǎn)生的電子會(huì)與氧分子生成氧離子，電洞則與水分子生成氫氧自由基，此兩者皆為不穩(wěn)定物質(zhì)，會(huì)將氣相中的有機(jī)物降解成CO₂和水。經(jīng)由光催化反應(yīng)產(chǎn)生的自由基，具有強(qiáng)氧化性，能分解環(huán)境中的有機(jī)污染物，因此常常用于處理微生物難分解的污染物或者重金屬。新興污染物逐漸被重視，包含個(gè)人美容與保健用品、抗生素、止痛藥及防曬用品等等，這類(lèi)的物質(zhì)進(jìn)入環(huán)境中，難以被環(huán)境中的微生物以自然方式分解而持續(xù)存在于環(huán)境中，對(duì)人體與環(huán)境都會(huì)造成影響，因此，光觸媒的強(qiáng)氧化性及材料特性使得其應(yīng)用層面相當(dāng)廣泛。

2光觸媒的應(yīng)用

2.1清凈水質(zhì)

在光觸媒在生活中于水質(zhì)處理的應(yīng)用包含濾水器、飲用水凈化裝置、染料脫色處理系統(tǒng)，利用光觸媒照光后產(chǎn)生的光生電子電洞對(duì)水中污染物、重金屬進(jìn)行氧化還原反應(yīng)，使污染物轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)人類(lèi)危害較小的物質(zhì)。

2.2潔凈空氣

氨、H₂S、甲基硫醇、乙醛等是我們生活環(huán)境中的主要惡臭物質(zhì)，會(huì)使人們聞到臭味與不適。光觸媒經(jīng)過(guò)紫外光照射后產(chǎn)生自由基可以用來(lái)將空氣中的有機(jī)污染物分解成CO₂與水。其他如汽車(chē)排放的氮化物、SO₂等廢氣亦可直接用光觸媒去除。

2.3抗菌

以光照射T_iO₂能夠產(chǎn)生氧化力強(qiáng)的自由基，能夠?qū)⒓?xì)菌細(xì)胞中的酵素分解，抑制細(xì)菌的生長(zhǎng)，常應(yīng)用于衛(wèi)浴瓷磚、刀具、刀板及建筑材料上，可以產(chǎn)生防霉、抗菌的功效，降低細(xì)菌傳染率。

2.4防污清潔

T_iO₂光觸媒具有相當(dāng)特殊的超親水性質(zhì)，所以水分很容易附著在T_iO₂表面上，若將T_iO₂薄膜鍍?cè)诓Ａ?、墻壁等材質(zhì)表面，在照射紫外光之后，不但可以把周遭環(huán)境中的污染物質(zhì)分解，且因表面不易被油污附著，使得表面污垢更容易去除。多應(yīng)用于居家磚墻、外墻磁磚、窗戶(hù)等。

3 PM2.5的危害

我們居住的環(huán)境中，除了自然界的粉塵，或是沙漠化的沙塵暴外，更有許多因汽機(jī)車(chē)產(chǎn)生的廢氣，以及工廠排出的廢氣，其中以氮化物及硫化物是空氣污染的指標(biāo)，因?yàn)榈趸锘蛄蚧镌诳諝庵锌缮啥拘愿蟮南跛峄蛳跛猁}形成酸雨，嚴(yán)重危害人體健康。空氣中浮游粉塵濃度對(duì)人體會(huì)有較大影響，對(duì)人體有害的粒徑約在0.3～10 pm之間。而小于2.5 μm粒徑的粒子，其傷害最大，它可穿透肺泡直達(dá)血液，這也是目前為人所知的PM2.5。根據(jù)美國(guó)NASA官網(wǎng)指出，PM2.5空氣污染引發(fā)美國(guó)每年有6萬(wàn)人因其影響造成死亡，目前中國(guó)也深受PM2.5污染影響。而最好的淡化或分解其有害氣體的方式是森林的覆蓋，除此外以經(jīng)濟(jì)成本來(lái)說(shuō)，進(jìn)行光催化技術(shù)去除PM2.5的相關(guān)研究是最行之有效的辦法。

4光催化去除PM2.5的技術(shù)研究

根據(jù)有關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，涂裝1 000 m的光觸媒，相當(dāng)于5 000 m的綠色植物，室內(nèi)種植景觀盆栽可以改善部分的空氣質(zhì)量，若在室內(nèi)也使用光觸媒素材，使用適當(dāng)?shù)牟晒庠O(shè)計(jì)，除了可對(duì)抗PM2.5對(duì)人體的危害之外，還可分解因裝潢產(chǎn)生的甲醛及甲苯有害氣體。

透過(guò)光催化材料，高效分解PM2.5懸浮顆粒過(guò)高的空氣污染，以及揮發(fā)性有害氣體，也可消除車(chē)輛排放物中25%～45%的氮氧化物?？諝馐巧钪忻總€(gè)人都需要的，如今的空氣質(zhì)量越來(lái)越糟糕，各種污染元素彌漫，納米光觸媒技術(shù)既無(wú)二次污染，又不會(huì)產(chǎn)生有害物質(zhì)，是目前世界上最先進(jìn)安全有效的空氣凈化技術(shù)，也能還給大家綠色的生活空間。

4.1生活環(huán)境改善

用于船底涂料的有機(jī)錫化合物、DDT和BHC農(nóng)藥、使用于建材的溶系劑和接著劑，包含在排氣中的致癌物質(zhì)，這些各式各樣的化學(xué)物質(zhì)成為分泌影響著人們生活環(huán)境的質(zhì)量，作用于人，體而引起過(guò)敏癥或先天皮膚炎，化學(xué)物質(zhì)過(guò)敏癥，利用光催化可有效改善這種現(xiàn)象。

通過(guò)處理工業(yè)排放物，即揮發(fā)性有機(jī)化合物（Volatile Organic Compounds，VOC）、硫氧化合物（SO_x）和氮氧化物（NO₂）的模塊化設(shè)計(jì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，利用大氣化學(xué)以及先進(jìn)的大氣氧化技術(shù)可從工業(yè)排放物中清除空氣污染物。其工作原理是在封閉反應(yīng)器系統(tǒng)中利用地球大氣的自然自?xún)籼匦浴?/p>

氣候變化給全世界帶來(lái)了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。隨著溫室氣體排放量增加、海平面上升，全球平均溫度也隨之上升，嚴(yán)峻的氣候模式加劇。這些變化，再加上其他全球動(dòng)態(tài)（包括城市化加劇、富裕人口增加、經(jīng)濟(jì)大幅增長(zhǎng)）的影響，會(huì)對(duì)家園、土地和基礎(chǔ)設(shè)施造成破壞。光催化技術(shù)支持處理影響空氣污染行業(yè)周?chē)鐓^(qū)的環(huán)境問(wèn)題，也是目前研究去除PM2.5的主要方向。

4.2節(jié)約能源

在工業(yè)發(fā)展中，處理廢氣或污染的土地需要大量能源，更間接造成溫室效應(yīng)，因此，除了在提升太陽(yáng)能、風(fēng)力的使用效能上，我們使用光線(xiàn)透光光觸媒來(lái)分解有害物質(zhì)，也不需要添購(gòu)其他機(jī)器裝備，可以說(shuō)是非常經(jīng)濟(jì)且環(huán)保的做法。

4.3光催化外墻凈霾自潔涂料

光催化外墻凈霾自潔涂料是一種₂水溶性溶膠涂料。將該涂料在常溫下涂覆于所需防護(hù)的基材表面，可形成一層堅(jiān)固耐用的納米T_iO₂光催化保護(hù)薄膜，在太陽(yáng)光照射下，產(chǎn)生良好的光催化分解有機(jī)物、抗菌和超親水特性。具體技術(shù)原理如圖1所示。

光催化外墻凈霾自潔（罩面）涂料可應(yīng)用于在建筑外墻、幕墻、橋梁、巨幅廣告牌品等戶(hù)外大型工程應(yīng)用領(lǐng)域，使建筑物長(zhǎng)期保持整潔、干凈和嶄新的外觀、降低清潔維護(hù)費(fèi)用。

該涂料主要涂覆于建筑物外表面，無(wú)毒副作用、耐磨性高、附著力強(qiáng)、耐酸雨侵蝕。在太陽(yáng)光下具有光催化降解有機(jī)污物、凈化空氣、抗菌、抗老化等環(huán)保功能，其光誘導(dǎo)親水性達(dá)到自清潔目的。由于光催化涂層的光致親水性，上述兩種反應(yīng)后吸附在光催化涂層表面的產(chǎn)物可被雨水沖刷干凈，可重新裸露催化劑的活性中心，從而保持光催化劑的長(zhǎng)效性。

4.4光催化炭系統(tǒng)

比如德國(guó)的INFUSER公司提供的專(zhuān)利光催化炭解決方案帶來(lái)了新型的最先進(jìn)污染控制系統(tǒng)，可降低多達(dá)80%的炭成本，同時(shí)還能提高性能。該系統(tǒng)將高級(jí)氧化技術(shù)與傳統(tǒng)的炭過(guò)濾器結(jié)合，大多數(shù)污染負(fù)荷在正常運(yùn)行條件下，在其到達(dá)炭過(guò)濾器前可降低高達(dá)95%。INFUSER的高級(jí)氧化技術(shù)無(wú)有害殘留，可減少更換炭的需求，使其他維護(hù)任務(wù)減到最少。INFUSER的光催化炭解決方案可與已安裝的炭過(guò)濾器結(jié)合，或者與新型炭過(guò)濾器模塊一起供應(yīng)。該系統(tǒng)可提供簡(jiǎn)單的監(jiān)控系統(tǒng)，可根據(jù)污染負(fù)荷調(diào)整電力和能源消耗。該功能適合峰值排放量變化不定的制造商。

大氣由不同含量的多種不同氣體混合而成，這些氣體均具備維持生命的不同作用。百分含量常年不會(huì)改變的永久性氣體為氮?dú)?、氧氣和氬氣?？諝庵械獨(dú)庹?8%、氧氣占21%、氬氣占0.9%。像CO₂、氮氧化物、甲烷和臭氧一樣的氣體屬于重要的氧化劑，約占到空氣的千分之一。這些大氣層氣體和陽(yáng)光之間的反應(yīng)促進(jìn)了很多日夜發(fā)生在大氣中的化學(xué)過(guò)程。從根本上來(lái)說(shuō)，正是這些化學(xué)反應(yīng)清潔了我們呼吸的空氣和飲用的水。問(wèn)題性污染物只有在人類(lèi)活動(dòng)產(chǎn)生的異常高濃度氣體（大多數(shù)來(lái)自汽油、柴油等化石燃料的不完全燃燒）進(jìn)入大氣以及大氣的自?xún)裟芰o(wú)法持續(xù)時(shí)才會(huì)出現(xiàn)。在重要的大氣氣體之外，臭氧是最易管理的氧化劑，可人工生成和產(chǎn)生，該物質(zhì)非常有效，由常態(tài)氧氣即可生成。臭氧可有效地利用化學(xué)方法除去大氣中的污染物，該物質(zhì)也可在高濃度下應(yīng)用，以便在污染氣體逸出至空氣，構(gòu)成環(huán)境公害之前，在源頭位置解決異常高濃度的污染物。

INFUSER解決氣體生成問(wèn)題的技術(shù)，即氧氣和臭氧發(fā)生器，可清除碳?xì)浠衔锊⑶壹铀侔l(fā)生在空氣中的自然自?xún)暨^(guò)程。NFUSER臭氧和氣體發(fā)生器的目標(biāo)通常是利用比常規(guī)方法更小的空間來(lái)生成氧氣和臭氧，這樣方便設(shè)備移動(dòng)和安裝，占用最小的空間，但是又能確保最佳輸出量。

4.5智能監(jiān)控系統(tǒng)按需進(jìn)行空氣凈化

SMART-AIR是一種安裝在CLIMATIC上的智能型自動(dòng)化附加裝置，可監(jiān)控空氣污染物以及CLIMATIC進(jìn)行清潔的需要，如圖2所示。CLIMATIC可創(chuàng)造一種半封閉環(huán)境，將清潔空氣保持在建筑內(nèi)，同時(shí)將污染環(huán)境空氣阻擋在外。換句話(huà)說(shuō)，SMART-AIR按需進(jìn)行清潔。

SMART-AIR裝配了傳感器來(lái)記錄環(huán)境空氣污染負(fù)荷。城市和都市中心的污染負(fù)荷峰值出現(xiàn)在一天中的不同時(shí)刻，通常會(huì)隨季節(jié)變化。該系統(tǒng)具有多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)：CLIMATIC的清潔模式可設(shè)置用于反應(yīng)特定位置的污染特征；若CLIMATIC感應(yīng)到污染等級(jí)低，則可關(guān)閉清潔功能，直到污染等級(jí)再次上升。這可節(jié)約能源并且延長(zhǎng)CLIMATIC內(nèi)耗材的使用壽命；建筑內(nèi)的CO₂水平由其中人員數(shù)量和所開(kāi)展的活動(dòng)決定。周?chē)諝鈨H在室內(nèi)CO₂超過(guò)閾值時(shí)供應(yīng)至通風(fēng)系統(tǒng)，因此CLIMATIC可進(jìn)一步節(jié)約能源。

5結(jié)語(yǔ)

光催化技術(shù)在各項(xiàng)空氣治理技術(shù)中，由于安全性最高、不需要化學(xué)輔助劑及對(duì)環(huán)境不會(huì)造成二次污染而逐漸受到青睞和重視。目前雖然取得了一定的研究成果，但光催化對(duì)于PM2.5污染的改善技術(shù)應(yīng)用還未進(jìn)入完全成熟的階段，還需要研究人員進(jìn)一步的研究和探索。