全站搜索
空调环境中污染物的光催化净化
作者:管理员    发布于:2016-10-14 10:16:12    文字:【】【】【

  据统计,现代人平均有80~90以上的时间是在室内度过的,室内空气污染已成为影响人体健康的重要环境因素。随着中央空调越来越广泛的应用,中央空调系统的弊端也日益显露出来,其中较为突出的是室内空气污染问题=不良的室内空气质量(IndoorAirQuality,IAQ)导致出现了病态建筑物综合症(SickBuildingSyndrome,SBS),病症根据各种污染物形成的原因和进人室内的渠道,可将室内污染物分为室外来源污染物和室内来源污染物。来源于室外的污染物主要有S02、N0,烟雾、硫化氢等,它们原来存在于室外环境中或其他的室内环境中,一旦遇到机会,则通过门窗、孔隙或管道缝隙等途径进人室内。来源于室内的污染物除人体自身外,还有各种燃料、烟草、垃圾的燃烧以烹调油的加热等,此外室内各种化工产品,如建筑材料、装饰材料、化妆品、胶粘剂、空气消毒剂、杀虫剂等也释放污染物。从污染物的来源可以看出空调环境中空气污染物的重要特点就是成分复杂。空调环境空气污染的另一个特点就是污染物的浓度低,作用于人体的时间长,对人的健康危害极大=研究表明,光催化剂具有广谱性,几乎对所有的污染物都具有治理能力,能在常温下有效地分解室内空气中的低浓度的有机污染物,氧化去除空气中的氮氧化物、硫化物以及各类臭气,还能够消灭空调系统中可能存在的细菌和病毒。另外光催化净化反应条件温和,技术应用灵活方便,在空调环境空气净化方面有广阔的应用前提:4:。

  2纳米光催化空气净化的原理光催化剂多为N型半导体材料,如Ti02、Zn02、CdS、W03、Sn02、FeA等,其中Ti02因其活性高,稳定性好,对人体无害而成为受重视的一种光催化剂5此光和催化剂是引发和促进光催化氧化反应的必要条件。Ti02作为一种半导体材料之所以能够作为催化剂,是由其自身的光电特性所决定的。根据定义,超细半导体粒子含有能带结构,且能带是不连续的,其能级可用“带隙理论‘描述,即物质价电子轨道通过交叠形成不间的带隙,由低洁诤与空调技术到高依次是充满电子的价带、禁带和空的导带。Ti02禁带宽度为3.2eV,对应的光吸收波长阈值为387.5nm.当受到波长小于或等于387.5nm光照射时,价带上的电子会被激发,越过禁带进人导带。同时在价带上产生相应的空穴:与金属导体不同,半导体的能带间缺少连续区域,受光激发产生的导带电子和价带空穴(也称光致电子和光致空穴)在复合之前有足够的寿命:光致空穴的标准氢电极电位为1.0~3.5eV,具有很强的得电子能力,可夺取粒子表面的有机物或体系中的电子,使原本不吸收光的物质被活化而氧化;而光致电子的标准氢电极电位为+.5~1.5eV,具有强还原性,可使半导体表面的电子受体被还原。如此可见。

  光致电子和空穴一旦分离,并迁移到粒子表面的不同位置,就有可能参与氧化还原反应,氧化或还原吸附在粒子表面的物质,而光致电子与空穴的复合则会降低光催化反应的效率-给出了光照时半导体内载流子的变化示意图:3空调环境中污染物的光催化净化有机物的净化空调环境的相对密闭以及新型建材的使用,使得有机污染物恶化室内空气质量的问题越来越受到重视。工作为一种光催化剂在弱紫外光的照射和激发下,能够有效地降解室内低浓度的有机气体:研究表明:4:。浓度低于Ippm的甲醛可完全被Ti02光催化分解为(:02和120,但是当甲醛浓度比较篼时,则被氧化成为甲酸=高浓度甲苯光催化降解时,由于生成的难分解的中间产物富集在Ti2周围阻碍了光催化反应的进行,去除效率非常低。但低浓度时,Ti02表面则没有中间产物生成,甲苯很容易氧化成C2WH20=空调环境中有机污染物的浓度通常比较低,因此光催化技术非常适合在空调环境内应用。利用Ti2空气净化器。或者在空调器及中央空调系统中安装纳米Ti2空气净化网等,可有效降解空调环境内的有机污染物,提篼室内空气品质>纳米TiO2可以光催化降解多种有机物。包括卤代脂烃、卤代芳轻、有机酸类、染料、酚类、醇、酮、醛、胺、硝基芳烃、取代苯胺、多环芳烃、戏环化合物、烃类、表面活性剂、农药等。通过有机物的光催化除毒、脱色、矿化。消除对环境的污染-但这些研究目前仍停留在实验室研究阶段光催化处理的无机污染物主要有叠氮化合物、氮氧化合物、硫化物、氰化物及重金属离子等:例如,吸附在光催化剂表面S02、:5气体在光作用下能够发生转化。其中302可以转变为S2-或S032-,H2S则可以转变为S和H2.吸附住光催化剂表面的N(在紫外光作用下,能够降解为队等物质:对NO在Ti02光催化剂上的降解研究发现NO的起始浓度、气体停留时间、反应温度、紫外灯光强度以及光反应器等均对NO的分解率有影响5室内环境中一般同时存在NO和VOC,二者的浓度一般比较低=室内空气中NO的浓度约在70500ppb左右。Ao等:11:对室内低浓度NO和VOC同时存在时的光催化过程进行了研究,结果表明,当湿度比较低时。NO能够促迸有机物的光催化降解,其促进作用随停留时间的增加而减弱-而当环境湿度适当时,NO的存在降低了光催化降解效果-N0和VOC的总的光催化降解效果随湿度的增加而降低:Ichiura等。12:的研究发现,Ti02的光催化作用能够提篼CaO对102和11103的吸收率,而N02和HN03都是NO光催化反应的产物。该研究结果说明光催化技术与常规的气体污染物吸收方法的结合能够产生更好的空气净化效果:空调环境中,如果气味难闻,人们就会抱怨室内通风量不足:人们决定对房间进行通风换气的原因也常常是室内的气味不好。建筑物内的气味起因于多个方面,如室内装饰物品、烟草烟雾、厨房、而所等都是气味的发生源,其中一个无法避免的来源就是人们自己:活性炭是过去普遍采用的除去臭气的方法,但随着气体在活性炭表面的富集,其吸附能力明显降低,使其应用受到限制。TiO催化薄膜对乙醛等臭气的光照反应显示1当臭气的初始浓度较大时(5000个单位体积浓度),在紫外光照射下才具有明显的除臭效果,而当其浓度较低时(100个单位体积浓度),通常的荧光灯就可将其完全分解c人们对臭气很敏感,一般10个单位以下的臭气就能被感觉出来,而如此低浓度的气味只要使用白色荧光灯所含的紫外光就足以将其除去:近年来,日本等国家采用Ti2光催化剂和气体吸附剂组成的混合型除臭吸附剂已得到实际应用,气体吸附剂吸附的臭气经表面扩散与Ti02光催化剂接触后,被氧化分解,既不会降低吸附剂的吸附活性,又解决了Ti02光催化剂对臭气吸附性较差的缺点,大大提高了臭气的光降解效率。

  空调环境中经常存在各种病菌:室内空气中的病菌主要来源于室内人员的生活和活动,空调管道内和空气处理系统中也可能存在有害细菌=这些病菌在适宜的条件下可以引发各类疾病=传统的无机抗菌剂主要通过金属离子(如银、铜、锌等)附载在各类载体(如沸石、磷酸锆、易熔玻璃、硅胶、活性炭等)上实现抗菌作用,但细菌被杀死后,释放出的致热和有毒的组份如内毒素仍可引起伤寒、霍乱等疾病=Ti02的光催化作用杀菌克服了无机抗菌剂的缺陷=Ti02光催化反应发生的活性羟基的反应能高于有机物中各类化学键能,能迅速有效地分解构成细菌的有机物杀灭细菌;细菌的生长与繁殖需要有机营养物质,1)2光催化产生的活性羟基能分解这些有机营养物,抑制细菌发育;Ti02还能降解细菌死亡后释放出的有毒复合物,杀菌彻底X:值得一提的是,虽然光催化净化过程中所使用的紫外光本身能够控制微生物的繁殖,并且在生活中广泛使用,但是,光催化灭菌消毒不仅仅是单独的紫外光作用,而是紫外光和催化的共同作用的结果=无论从降低微生物数量的效率。

  还是从杀灭微生物的彻底性,光催化杀菌的效果都是单独采用紫外光技术所无法比拟的:4光催化净化经济、环保、灵活方便Ti02光催化净化直接利用空气中的2作氧化剂,光源可以是低能量的紫外灯,还可以是太阳光,具有较篼的性能/价格比3空调环境中的有机污染物的光催化反应终产物是C02和H20,不产生二次污染,因此光催化技术是一种经济、环保的净化技术=光催化净化在空调环境中的应用非常灵活,可以采用不同种类的光催化产品,这类产品大致可分为三类:一是结构材料。即直接将光催化剂复合到各种结构材料上,得到具有光催化功能的新型材料=如在墙砖、墙纸、天花板和家具贴面等=在空调环境内使用这类结构材料可以实现室内空气的净化。二是光催化洁净灯:即将光催化剂直接复合到灯的外壁上制成各种灯具。一方面可以净化空气,另一方面也使灯具具有表面的自洁的作用。三是绿色健康产品。即在传统的空调器、加湿器、暖风机、空气净化器等器件上附加光催化净化功能开发而成的新一代高效绿色健康产品。在中央空调系统内安装光催化过滤材料,也可以有效去除来自室内外的各种污染物:目前国内学者正尝试将活性炭和光催化剂Ti02结合,研制复合型的空气净化网,已取得一定进展。此外,光催化净化具有在常温下进行反应,反应条件温和,对环境温度无显著影响,光催化剂对人体安全无毒,光催化过程中光催化剂本身并不消耗,了;02的化学稳定性好,作用持久等优点。在空调环境空气净化方面有着广阔的应用前景。

  由于室内污染物的浓度通常比较低,光催化净化的效率比较低。将催化技术与其它技术结合以提高光催化净化效率是非常必要的=众所周知,活性炭是常用的臭气和有害气体吸附材料,但活性炭的吸附能力随使用时间的延长而不可避免的降低或丧失,需要再生才能恢复其吸附能力,并且活性炭对于那些难吸附气体如一氧化碳的净化效果极差,如果将光催化剂与活性炭相结合,一方面可以利用活性炭的吸附作用提高污染物的浓度,提高光催化净化效率,另一方面被吸附的污染物在光催化剂的作用下参与了氧化反应,使活性炭在污染物环境中被再生,增强活性炭吸附技术的竞争力另外,将光催化剂与沸石或302等结合夂也是研制高效率空气净化材料的研究方向:,Ti02光催化剂带隙较宽(3.2eV),只能被波长较短的紫外线激发,使得太阳能的利用率很低。同时,由于光激发产生的电子与空穴的复合,导致光量子效率很低。为克服这两个缺点,人们使用了多种手段对102进行改性,如针对102进行掺杂、贵金属表面沉积、半导体复合、表面光敏化或超强酸化及微波制备等,以提高Ti02的光催化量子效率或可见光的利用率。

  采用溶胶-凝胶法(Sol-Sel)、金属有机化学气相沉积法(MOCVD)、阴极电沉积法等多种方法,并通过改变干燥、焙烧等条件以制备既牢固又具有优良光催化活性的丁;02膜,把微波场、热催化、等离子体等技术与光催化耦合:1M8:改善光催化剂性能的研究均在进行Nakamura等:19:研究发现,经等离子体处理过的TiCyt催化剂吸收值可延至600nm(―般的Ti02的吸收值小于400nm),可明显提高NO的转化率=据报导I,一定浓度的Fe3+可以提高TiO2的光催化降解性能,但当其浓度超过一定值后,光解率则会下降。所以适当地在催化剂中加入Fe203,能够分离和转移空穴-电子对,减少空穴和电子的复合,提高光催化剂的反应性能:目前气-固相光催化氧化机理尚不明确,使得改进和开发新型高效光催化剂的研究工作盲目性大,仍需要进一步的深入研究,相信在科技工作者的不断研究与深人探索后,该技术在空调环境中的广泛应用是完全可能的:光催化空气净化具有广谱性,能够降解空调环境中的多种有机和无机空气污染物,并具有除臭功能;光催化空气净化还能够杀灭空气中的有害病菌,且杀菌彻底,适合于空调环境以及特殊环境下的空气净化=光催化剂Ti02K学稳定性好,对人体安全无毒,可直接利用空气中的2作氧化剂,氧化的产物是(:02和1120,不产生二次污染,在空调环境空气净化方面有广阔的应用前景=

访问统计
51客服