陳希堯 李學輝

（上海市計量測試技術(shù)研究院 上海 200233）

引言

隨著人們對生活品質(zhì)要求的提高，市面上銷售（簡稱“市售”）的裝飾裝修材料越來越多樣、美觀、復雜[1]。新一代年輕人對美的追求在家居裝飾裝修上體現(xiàn)的淋漓盡致，材料的選擇從最初的地磚、涂料、木工家具，逐步衍生到地板、壁紙、壁布[2]、硅藻泥[3]、墻板、生態(tài)板[4][5]、顆粒板、綠色環(huán)保漆[6]。裝修風格的選擇從最初的簡裝風格逐步衍生出中古式、歐式、美式等多樣風格。裝修的復雜程度逐步提高，因此也給裝修后的生活環(huán)境帶來各種安全隱患[7][8]。近幾年，廠家為了迎合消費者的心態(tài)，市面上則出現(xiàn)了各種綠色漆、糯米膠[9]、母嬰級使用家具[10]。這些噱頭聽著安心，其實有毒有害物質(zhì)依然存在，區(qū)別只是存在有害物質(zhì)含量的多與少，散發(fā)時間的長與短而已。裝修后，據(jù)文獻報道，甲醛的釋放周期長達3～15 a[11]，揮發(fā)性有機化合物(TVOC），雖然釋放周期短，但短期內(nèi)危害較大。若家中有老年人和嬰兒等免疫力低下人群，則需要更久的通風時間。而在這個要求高效快速的年代，時間的等待往往是最不能讓大眾接受的，因此各種凈化產(chǎn)業(yè)也應運而生。二氧化鈦光觸媒是室內(nèi)環(huán)境凈化行業(yè)最常用到的物質(zhì)，市售各種光觸媒噴劑琳瑯滿目，還有將光觸媒與活性炭結(jié)合運用到空氣凈化器濾網(wǎng)當中，起到凈化空氣的作用。本文對市售的納米二氧化鈦光觸媒類凈化產(chǎn)品對甲苯的凈化效率進行系統(tǒng)研究，通過在1m3實驗艙（1 號艙）內(nèi)加入GC 純甲苯模擬裝修后的居住環(huán)境，從而進一步考察納米二氧化鈦光觸媒在不同時間反應條件下對甲苯的凈化效率。

1 實驗部分

1.1 試劑及儀器

市售某品牌含納米二氧化鈦光觸媒空氣凈化噴劑；甲苯(國藥集團化學試劑有限公司, 上海)；所有試劑均為GC 純，所用水為二次蒸餾水。用BS-H2 雙氣路恒流大氣采樣儀采集實驗艙（1 號艙）內(nèi)空氣；PERKIN ELMER clarus600 氣相色譜儀測定實驗過程中甲苯含量。

1.2 對甲苯凈化效率的研究

為了模擬裝修后的居家環(huán)境，本實驗選擇2個1m3的艙作為環(huán)境模擬實驗艙（1 號艙），如圖1 所示。環(huán)境艙為加厚玻璃艙，包含密封蓋板，風扇，采樣口（可用橡膠塞密閉）和架子等主要部件。密封蓋板的作用是方便在艙內(nèi)取放物品，并保證艙的密閉性；風扇的作用是當從采樣口加入GC 純甲苯后可均勻艙內(nèi)甲苯的濃度；采樣口的作用是方便大氣采樣器采集艙內(nèi)空氣；架子的作用是可放置空白紙板或噴涂光觸媒紙板以達到實驗目的。

圖1 二氧化鈦光觸媒在1m3 實驗艙（1 號艙)內(nèi)與甲苯反應的實驗裝置圖

本實驗選擇兩個環(huán)境模擬艙同時進行實驗。一個艙命名為比對艙（2 號艙），比對艙內(nèi)架子上放置空白紙板，以此來確定在一定時間內(nèi)甲苯在環(huán)境艙內(nèi)的自然衰減率；另一個艙命名為實驗艙（1 號艙)，艙內(nèi)架子上放置了噴涂市售納米二氧化鈦光觸媒類凈化產(chǎn)品的紙板，用來考察納米二氧化鈦光觸媒類凈化產(chǎn)品在一定時間內(nèi)對甲苯的凈化效率。

實驗開始時，分別同時在2 個艙內(nèi)加入0.0025g 甲苯，密封采樣口后開啟風扇，保持5min 使艙內(nèi)甲苯濃度達到均勻，然后關(guān)閉風扇打開采樣口，用2 臺大氣采樣器和Tenax-TA 管分別采集兩個環(huán)境模擬實驗艙（1 號艙）內(nèi)的空氣，每臺大氣采樣器的采樣流量為0.5L/min，采樣時間為5min,這樣采集的艙內(nèi)氣體為2.5L,此時采集的空氣測定甲苯濃度作為艙內(nèi)甲苯的初始濃度。之后要按照同樣流量和采集時間采集實驗艙（1 號艙）和比對艙（2 號艙）中的空氣，采樣時間記錄如表1 所示。采樣時間是按照實驗艙（1號艙）中甲苯和凈化產(chǎn)品反應的時間來確定，分別為1h、12h、24h、72h 和168h。測定實驗過程中艙內(nèi)甲苯含量的方法為《室內(nèi)空氣質(zhì)量標準》(GB/T 18883-2022) 。

表1 實驗艙（1 號艙）與比對艙（2 號艙）的采樣時間記錄表

2 結(jié)果與討論

圖2 為市售二氧化鈦納米光觸媒二氧化鈦（TiO2）納米粒子TEM 圖。從圖中可以看出，市售二氧化鈦納米光觸媒呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)容易在物品表面形成一種比表面積比較大的膜。這種膜的優(yōu)點是均勻分布，可以有效的附著于家居環(huán)境中，不影響美觀；比表面積大，可與更多的污染物接觸，加快分解。

圖2 市售二氧化鈦納米光觸媒納米粒子TEM 圖

經(jīng)過168h 后將2 個環(huán)境模擬實驗艙（1 號艙）采集好的Tenax-TA 管用PERKIN ELMER clarus600 氣相色譜儀測進行分析。從圖3 可以看出，隨著光觸媒與甲苯反應時間的增加，甲苯峰的強度越來越低，說明實驗艙（1 號艙）內(nèi)甲苯的含量逐漸降低。

圖3 1m3 實驗艙（1 號艙）內(nèi)甲苯含量的氣相色譜圖

從圖4 可以看出，隨著時間的增加，比對艙（2 號艙）中的甲苯峰的強度也有所降低，說明甲苯在環(huán)境模擬實驗艙（1 號艙）中存在自然衰減的問題。因此，在計算市售納米二氧化鈦光觸媒類凈化產(chǎn)品在日常燈光下對甲苯凈化效率，要扣除甲苯本身在環(huán)境模擬艙內(nèi)的自然衰減帶來的影響。

圖4 1m3 比對艙（2 號艙）內(nèi)甲苯含量的氣相色譜圖

為了更清楚地表達環(huán)境模擬艙內(nèi)甲苯的變化情況，按照式（1）、式（2）計算出各反應時間內(nèi)艙內(nèi)甲苯濃度及艙內(nèi)甲苯去除率。

式中C—環(huán)境艙內(nèi)甲苯濃度，mg/m3；m—實驗艙（1 號艙）內(nèi)采樣2.5L 空氣樣本中所含甲苯質(zhì)量（數(shù)值通過氣相色譜儀分析計算得出），μg；V—采樣體積（本實驗采樣體積為2.5L）。

通過計算得出，光觸媒與甲苯在反應1h 時艙內(nèi)甲苯凈化效率為2.7%，反應12h 時艙內(nèi)甲苯凈化效率為22.2%，反應24h 時艙內(nèi)甲苯凈化效率為27.5%，反應72h 時艙內(nèi)甲苯凈化效率為44.1%，反應168h 時艙內(nèi)甲苯凈化效率為50.8%，詳見表2。

表2 光觸媒與甲苯在1m3 實驗艙（1 號艙）中反應1h、12h、24h、72h、168h 的甲苯濃度

以上計算實驗艙（1 號艙）中的甲苯凈化效率沒有考慮到甲苯的自然衰減率。因此，為了實驗的嚴謹性，用比對艙（2 號艙）來做自然衰減實驗，自然衰減時間為168h。自然衰減的情況如表3 所示，自然衰減的計算見式（3）。

表3 甲苯在1m3 比對艙（2 號艙）中168h 的自然衰減

通過計算得出，比對艙（2 號艙）在168h內(nèi)甲苯的自然衰減率為17.5%。

結(jié)合表2 與表3 繪制的實驗艙（1 號艙）內(nèi)甲苯濃度隨反應時間變化圖，如圖5 所示。a 點為實驗艙（1 號艙）內(nèi)甲苯初始濃度2.5694mg/m3，b 點為實驗艙（1 號艙）內(nèi)光觸媒與甲苯反應1h 甲苯濃度2.5012mg/m3，c 點為實驗艙（1 號艙）內(nèi)光觸媒與甲苯反應12h 甲苯濃度1.9987mg/m3，d 點為實驗艙（1 號艙）內(nèi)光觸媒與甲苯反應24h 甲苯濃度1.8616mg/m3，e 點為實驗艙（1 號艙）內(nèi)光觸媒與甲苯反應72h 甲苯濃度1.4372mg/m3，f 點為實驗艙（1 號艙）內(nèi)光觸媒與甲苯反應168h 甲苯濃度1.2632mg/m3。g 點為比對艙（2 號艙）內(nèi)甲苯的初始濃度2.7032mg/m3，h 點為比對艙（2 號艙）放置168h 后甲苯的濃度2.2295 mg/m3。從圖5 可以看出，隨著反應時間的增加，實驗艙（1 號艙）內(nèi)光觸媒與甲苯的反應速率逐漸降低，當反應達到72h 時，光觸媒與甲苯基本反應完畢，e 點到f 點的斜率與自然衰減g 點到h 點的斜率基本相同。

圖5 實驗艙（1 號艙）與比對艙（2 號艙）內(nèi)甲苯濃度隨反應時間變化圖

通過表2、表3，然后根據(jù)式（4）計算出市售納米二氧化鈦光觸媒在日常燈光下與甲苯反應168h 的實際的凈化效率。

通過以上數(shù)據(jù)得出，實驗艙（1 號艙）內(nèi)市售光觸媒在日常燈光下與甲苯反應168h 的凈化效率。實驗艙（1 號艙）內(nèi)光觸媒甲苯反應168h，自然衰減掉的甲苯大約有17.5%，反應掉的甲苯有33.3%，未反應掉的甲苯有49.2%。

結(jié)論

本文通過實驗論證，市售納米二氧化鈦光觸媒類空氣凈化產(chǎn)品對室內(nèi)環(huán)境中甲苯有一定的的凈化能力，市售納米二氧化鈦光觸媒在168h 內(nèi)對實驗艙（1 號艙）內(nèi)甲苯的凈化效率為50.8%。