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1光触媒技术及其作用原理
日期:2020/3/19 8:27:09    阅读:
1光触媒技术及其作用原理
1.1光触媒技术与纳米光触媒
     光触媒(Phoocaalys)是光(Phoo=Ligh)+触媒(催化剂)(caalys)的合成词。光触媒是一种以纳米级二氧化钛(TiO2)为代表的具有光催化功能的光
 
半导体材料的总称。光源主要是紫外光或含有紫外光的灯光、自然光和日光。
利用不同光源照射光触媒物质使之发生催化反应的技术,谓之光触媒技术,也称之为光催化技术[1]。
  利用纳米技术将光触媒物质制作成纳米级的颗粒,能适应更多的光源,可发挥出更好的光触媒效果。把经过纳米技术处理的光触媒称之为纳米光触媒或纳米光催化剂[2]。
 
1.2光触媒的作用机理
光触媒在特定波长(388m)的光照射下,价带电子被激发到导带,形成了电子和奉穴,与吸附于其表面的O2和H2O作用,生成超氧化物阴离子自由基O2-和羟基自由基-OH,其自由基具有很强的氧化分解能力,能破坏有机物中的C-C键、C-H键、C-N键、C-O键、O-H键、N-H键,可将有机物分解为CO2与H2O[3]。其作用机理如图1所示。
 图1光触媒的作用机理1.3光触媒(xiaodu)、(shajun)、除臭、净化原理 
     光触媒所生成的自由基可破坏(xijun)的细胞膜,固化病毒的蛋白质,改变(xijun)病毒的生存环境,从而杀死(xijun)、病毒,并有效分解霉菌,从而达到(xiaodu)(chujun)的目的;通过氢氧自由基分解气体中的有机物气体,可以除去空气中的臭味;对空气中的甲醛、苯、氨及其他挥发性有机化合物有强大的氧化分解作用,使之变为CO2和H2O,从而达到净化空气的效果[3]。
    2光触媒技术的优缺点
  2.1优势
  (1)光触媒具有超强的氧化性,可以(gaoxiao)广谱的(xiaodu)、(shajun),能将(xijun)或(zhenjun)释放出的毒素分解及无害化处理。高亲水性,可形成防雾涂层,氧化作用也可保持自身清洁,可应用于多种环境和材料中。
 (2)作用持久,不易损耗。在反应过程中,光触媒只起催化剂的作用,本身不会发生变化损耗,在光的照射下可以持续不断的(shajun)、(xiaodu)、净化污染物。 (3)光触媒无毒、无害,对人体安全可靠,好终的反应产物为二氧化碳、水和其他无害物质,对环境友好,不会产生二次污染。
 
(4)光触媒具有吸收紫外线的特性,可使被涂面免遭紫外线的老化作用,大大延长被涂面的使用寿命[4]。
 
2.2缺点
(1)光触媒只有在含紫外成分的光源时才能发挥其洁净作用。其对太阳能的利用率低,在不含紫外光成分光源的情况下,光触媒不能发挥(xiaodu)(shajun)和洁净作用。
(2)喷镀在物体表面的光触媒只能对吸附在表面的微生物和有机物进行氧化分解作用[5]。
 3 光触媒技术在家庭中的应用
3.1空气净化中的应用
 (1)家庭环境空气中VOC的去除
 挥发性有机物(VOC)是指室温下饱和蒸汽压超过了133.32Pa的有机物,沸点范围在50~100℃到240~260℃之间,它们中有些具有致癌、致畸、致突变毒性。在非工业性室内环境中,可以见到50~130种挥发性有机化合物,尽管它们都以微量水平出现,但对人体健康的影响却是不容忽视的。目前,家庭装修及家具中普遍存在挥发性有机物,不及时处理,将会在日常生活中对人体健康造成一定损害。
        在传统的技术中,去除VOC的方法有许多,人们所熟知的方法是利用活性炭对VOC进行吸附,从而减少室内VOC的存在。虽然这种技术可以取得一定效果,但活性炭在吸附饱和后会产生有害物质游离析出的现象,造成环境的二次污染。

    光触媒技术通过对VOC能量键的破坏,使有机气体成为单一的气体分子,加快有机物质、气体的分解,可以在常温下将VOC分解为CO2和H2O,这是一个质变的化学处理过程,产生的副产物对环境友好,不存在二次污染的问题。
光触媒技术在空气净化系统中应用时,为了更好地发挥其作用,首先应该充分考虑到光触媒载体的可靠性,尽可能增加光触媒载体的表面积,延长污染物在光触媒上停留的时间;进风系统需要增加防尘过滤装置,避免灰尘对光触媒表面的覆盖;同时还应考虑基材对光触媒的协同效应作用,如选择有富集污染物作用的载体会大大提高光触媒的光催化效果;利用空气流体动力学原理对空气净化产品的结构、动力等进行合理的设计安排,可以有效提高空气在光触媒表面上的循环流动,有利于光触媒效能的充分发挥,从而使空气净化产品对空气污染起到(gaoxiao)净化的作用[6]。
(2)空气中(xijun)、病毒的灭活人们目前处在新冠肺炎疫情的特殊时期,对家庭中病毒、(xijun)的去除有着迫切的需求,即使在疫情结束后,人们也希望通过一些(gaoxiao)的(chujun)、(xiaodu)方法,为家庭营造健康洁净的环境。在家庭环境中能够(xiaodu)、(chujun)的途径有许多,可是这些方法一旦使用不当,会对人体健康产生威胁。表1给出了几种空气净化介质的比较。从表1[3]中可以看出,纳米光触媒技术在对环境的(xiaodu)(miejun)方面具有一定优势。
表1几种空气净化介质比较光触媒在光催化的作用下,其分解产生的自由基具有强氧化性,可以对(xijun)、病毒进行灭活。
有研究显示[7],光触媒技术对革兰阴性球菌、杆菌和阳性球菌、杆菌及(zhenjun)等致病菌具有极强的杀伤力,灭活率达99.99%,同时能有效地抑制固化各种病毒,预防疾病传播。
陶长龙[3]通过研究认为纳米光触媒技术在医用中心负压吸引系统废气净化排放等可集中处理的气体净化排放过程中具有可操作性强,净化废气充分、安全、(gaoxiao)、可靠的特点。在家庭环境下,在新风系统中使用纳米光触媒技术,也可有效阻隔有害气体,病毒和(xijun)的入侵,更好地实现空气的净化(3)空气除臭除了对空气进行(xiaodu)、(chujun)以及净化挥发性有机物,家庭环境中也存在一定的除臭需求,特别是在厨房、卫生间、衣帽间、鞋柜等环境中,可以通过在一些家用设备中应用光触媒技术来实现,光触媒能够氧化带异味的氮氧化物、硫化物以及各类臭气。该技术在吸油烟机、食物垃圾处理器、电子座便器、衣物(xiaodu)(chujun)柜等家电上具有较好的应用前景,当然,合理设计使用紫外光源也是光触媒技术能够发挥作用的关键所在。

3.2在家庭用水的(chujun)抗菌中的应用
在水净化领域,利用光触媒技术降解水中有机污染物的效果是非常明显的。但是,有效(chujun)的水净化系统的开发较为困难,因为粉末状二氧化钛光触媒遇水易分散,不利于回收。日本千叶大学研制开发的二氧化钛光触媒薄膜小球,将粉末状二氧化钛成膜于球状金属氧化物表面,可以将其与水分离,有效回收再利用[8]。在家庭净水过程中,可将光触媒技术应用到净水产品的材料上,可以起到抗菌,防霉的作用,同时可以与紫外光(xiaodu)(shajun)技术组合应用,既能够实现对光触媒的有效光催化,又能够实现对水的(xiaodu)、(chujun)。
3.3在食品保鲜中的应用在家庭环境中导致食品变质的原因很多,包括微生物繁殖引起的腐败变质;空气中氧气对食品的氧化变质;食品内部所含氧化酶、过氧化酶、淀粉酶、蛋白酶等的作用,以及其自身产生的熟化气体如乙烯、二氧化硫等对其进行代谢作用而导致食物的变质等等。由于光触媒技术的特点,其可以很好的消灭(xijun)、氧化分解酶及有有机气体,从而实现对食物的保鲜效果,所以在储存食物的冰箱或其他密闭存储食物的环境中加入光触媒模块,可以实现对食物的保鲜,同时还能在密闭空间中对异味进行去除。值得注意的是,由于光触媒技术接触(chujun)的特质,在设计和使用光触媒模块时应注意加强密闭空间内气体的流动,已保证其(chujun)除臭的效果。
3.4在卫浴环境下的(chujun)抗菌家庭中的卫浴场所通常潮湿,空气流通性差,容易滋生(xijun)、霉菌。有研究显示[9],将TiO2光触媒加水制成涂料,涂在陶瓷品表面,经高温燃烧,得到1μm厚、具有(shajun)性能的TiO2薄膜产品。该产品可在光照射下,能够完全杀死表面的(xijun)。若要使其在微弱光线下也具有(shajun)性能,可在TiO2浆料中添加含银、铜离子的化合物。这种陶瓷耐久性、耐酸性和耐碱性好,可以有效解决家庭卫浴滋生(xijun)的难题。此外卫生间内的座便器及下水管道中存在的气溶胶也会给病毒提供传播的路径,在座便器及下水管道口处合理应用光触媒技术进行(xiaodu)和除臭更有助于营造健康洁净的家庭环境。
4总结
上世纪70年代由日本研发的光触媒技术为健康、环保、(gaoxiao)地改善环境卫生状况,减少环境污染对人体健康的影响提供了有效技术支撑。我国从上个世纪90年代开始也对光催化技术进行应用和技术拓展,在工业、医疗、建筑等诸多领域取得了较好的应用效果。光触媒技术整体来说优势明显,与其他(xiaodu)、(chujun)、净化技术相比不会对人体健康产生威胁,应用范围更广,而且其对病毒、(xijun)及挥发性有机物产生的化学质变作用,不会对环境产生有害副产物和二次污染。但是光触媒技术的应用必须在紫外光的催化下进行,这一点也限制了该技术在家庭中的应用场景。作为家电厂商来说,如何将光触媒技术与紫外光技术合理组合应用,通过优化产品材料、结构设计促进光触媒在家电产品中好大限度的发挥作用,仍是接下来需要思考和突破的关键。

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