摘要：调查表明人85%的时间在室内度过，室内空气质量的好坏对人的健康影响很大，室内空气污染已引起社会各界的重视，采用多种技术耦合的室内空气净化产品越来越受到市场的欢迎。目前空气净化器采用过滤或吸附技术为主，存在频繁更换滤网的问题，本文中主要介绍了室内空气净化系统中的光催化技术应用，从它的技术应用理论切入，探讨了光催化技术及其在室内空气净化中的具体应用内容，分析光催化技术在室内空气净化系统中的应用功能优越性。
光催化技术出现于上世纪70年代，由日本藤岛首先发现光催化效应，当时纳米科技迅速崛起，光催化技术研究也迎来热潮。该技术拥有较广的应用范围，能够降解多种有机污染物，也能破坏生物因子，达到除菌杀菌的良好效果。从过往实践角度看，光催化技术是不存在二次污染的，因为二氧化钛在光催化化学反应下最终降解产生二氧化碳、水和无机离子，这些物质本身是无害的。
1室内空气污染治理技术概述
1.1光催化技术
光催化技术基于光催化剂展开，光催化剂在紫外光照条件下会在材料产生具有氧化还原能力的羟基自由基，羟基自由基与污染物发生氧化反应，进而达到净化污染物目的。一般情况下，光催化氧化反应会应用到半导体催化剂，它以光为基本能量，将有机物降解为二氧化碳与水，所以说该技术的反应条件温和、安全可靠的环境净化技术[1]。
1.2室内空气净化器
当前城市环境污染严重，为了有效保护城市居民，避免室内环境污染问题恶化，室内空气净化产业逐渐兴起。例如空气净化器就成为当前颇为走俏的新产品，根据调查统计我国空气净化器的销售额也在以每年29%的速度快速增长，室内空气净化器成为了城市居民颇为关注的热销产品。
对于一般的空气净化器而言，它采用的是HEPA配合活性炭滤网组合，在去除粉尘、有害气体、细菌微生物方面的确能够达到洁净空气的效果。不过从长久使用角度考虑，空气净化器的高效滤网与活性炭作用方式会将污染物全部截留在材料上，当它们的吸附量达到饱和吸附状态后容易发生脱附，即空气净化器的净化效果会随着其使用时间的延长而不断降低。由于普通的室内空气净化器会在全天持续运行，所以用户必须频繁更换过滤网，且替换下来的过滤网由于无法妥善处理也会造成二次污染问题。总而言之，传统的空气净化器虽然具有它一定的净化功能，但弊端也相对明显，在使用一段时间后容易出现负面效应，其所造成的环境污染问题严重影响室内居住人群的身体健康[2]。
2光催化技术的基本应用理论
2.1光催化技术的开发与应用概述
作为室内空气净化的核心，空气净化器的核心则是净化组件，这些组件根据技术功能应用的不同大致可划分为过滤组件、吸附组件以及催化组件。在上世纪90年代，全新的光催化组件出现并被广泛应用。当时日本开发出了一系列便于用户使用的TiO2产品，其中就包括了二氧化钛系列光催化剂的蜂窝过滤体。该产品具有较大的表面积和较高的强度，其中采用到了TiO2光催化剂，将其与活性炭掺和入无机纤维与纸浆混合料中制成纸张，就形成了蜂窝状二次产品。该产品应用于室内除臭抗菌，在该空气净化器中，光催化剂与活性炭的含量较高，且具有吸附能力与光催化活性，可应用于小型除臭空气净化设备中。日本的空气净化器中有光催化剂的应用，有报道表明融入了光催化剂的空气净化器复合型净化网对甲苯的净化率高达98.9%，甲醛的净化率高达98.7%，氨的净化率则在96.2%左右。通过这一技术应用就提高了空气净化器的净化能力，为活性炭原位再生提供了技术条件[3]。
2.2光催化效果的影响因素
2.2.1初始浓度影响因素
对光催化效果的影响较大、所涉及的影响因素较多，这里简单谈4点。首先是初始浓度影响因素。因为在所有建筑中都含有甲醛（含量约为0.1~2ppm），如果甲醛含量在10ppm以下则室内空气湿度应该在15%~50%左右，此时室内环境中氧化速率与污染物的浓度是成正比的。此时利用光催化技术，考虑到光催化氧化速率会改变室内气态有机污染物甲苯、甲醇等等的初始浓度，如果这些物质的初始浓度在0~0.01mol/m³范围内时，初始浓度在受到光催化剂影响后会迅速增加，光催化氧化速率也会快速上升，上升到一定程度时速率逐渐放缓，直到达到某一浓度后基本保持不变，这就意味着室内的VOC浓度已经达到ppm级，此时室内有机污染物的初始浓度与光催化剂氧化速率是近似一维线性关系[4]。
2.2.2光强影响因素
在室内，如果光强大于1353μW/㎡，此时室内的有机污染物氧化速率与光强的平方根成正比。如果室内光照条件较差，光强与催化活性之间的关系还会发生变化，例如如果光强在1000μW/cm2以下时，则催化氧化速率与光强成正比。当然，紫外线的波长也会影响到催化氧化速率，当波长越长时，催化剂活性提高速率越快，表现越活跃[5]。
2.2.3空气湿度影响因素
需要从光催化反应体系中审视其对空气湿度的影响，因为TiO2对水分子的吸附变数较大，如果没有水分子存在，则催化剂表面的氢氧基团会伴随化学反应的进行而呈现出减少发展趋势，如果此时再增加电子—空穴对，则其复合概率与催化剂活性都会下降。如果在密闭环境下调节湿度对甲醛的自然衰减影响，就会发现光催化过程对空气湿度的影响较大，当湿度增加时室内环境中甲醛的降解率会呈现出先增长、后减少的发展趋势，一般情况下就光催化效率角度来说室内的最佳湿度应该控制在35%左右，因为如果室内湿度过高或过低都不利于光催化反应顺利进行[6]。
2.2.4 TiO2活化条件影响因素
最后分析光催化降解甲醛过程中所反应出的动力学效能，这一效能对活化TiO2效果非常明显，因为伴随着TiO2热处理过程中温度的不断升高，甲醛的降解率则会有所降低。如果将活化温度设定在450℃左右，它的活化时间大约应该为5小时。这一系列活化反应也说明了光催化剂是具有最佳甲醛降解效率的。而如果热处理温度在350℃时，则会出现锐钛矿相，此时的热处理温度会影响到光催化剂活性，例如增加光催化剂的应用覆盖面积，进而影响到光催化剂的整体活性。
综上所述，可能影响到光催化效果的因素非常之多，当室内空气中有机物污染初始浓度、光强、空气湿度以及TiO2的比表面积提高或增大时，它们在更强的光照强度与更大的光照面积下就会形成更多数量的电子—空穴对，对室内空气质量指标进行检测在宏观层面上也可以验证光催化效率的快速提升。考虑到光催化反应是发生于催化剂表面的，所以当催化剂比表面积越大时，污染物的吸附量也就越大，催化活性越高[7]。
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3光催化剂技术组件在室内空气净化中的应用
目前空气净化器等设备中会运用到光催化技术组件，对组件的应用必须考虑到室内空气环境、风量、有机污染物浓度以及光强等等因素。由于不同室内环境空气污染程度各不相同，所以需要对室内环境的气体流量、有机污染物初始浓度、光照强度、TiO2蜂窝活性炭的应用、光催化技术组件的整体组合以及与其它功能净化模块组合进行综合分析。
3.1气体流量分析
首先要对气体流量进行分析，如果空气净化器的风量较大，则说明其气体流量较大，此时要保证较高的空气降解率，确保光催化剂技术能够切实解决问题。比如说，室内空气流速越快，其甲醛的降解效率也降低，在有机污染物停留时间较短的情况下，气相中的甲醛分子完全扩散到催化剂表面并展开光催化氧化反应，这十分不利于甲醛的降解反应。
按照我国的《室内空气质量标准》相关规定，如果空气中的甲苯浓度上限在0.2mg/m³时，如果在不同风量下利用光催化组件进行甲苯、甲醛降解，随着风量的逐渐增大（最大到7.2m³/h），甲苯、甲醛的的最优降解量将最高达到0.267mg/h，基本可满足室内空气甲苯、甲醛降解要求。
3.2初始浓度分析
在气固相催化反应中遵守客观的一级动力学规律，换言之它说明有机污染物在光催化技术条件下的反应速率与其初始的浓度相关。这里结合动力学方程展开分析，如果室内空气中的有机污染物浓度有所降低，其反应速率与污染物浓度会呈现正比关系，随着初始浓度的不断升高，表现反应速率就会越来越大，整个反应过程遵循气固相催化反应的一级动力学方程。考虑到气体流量变数较大，所以在光催化反映过程中有机污染物的会通过气相扩散被吸附到光催化剂表面上，且TiO2在紫外线的作用下产生较强的强氧化性活性基团，该活性基团能够快速氧化分解存在于光氧化剂表面的污染物，并生成H2O、CO2。因此可以判断，在初始浓度实验过程中，需要客观分析有机污染物初始浓度的降解率与表观反应速率，并结合它们来描述实验结果[9]。
3.3光照强度分析
TiO2会在＜384nm的紫外光照射波长中被激发并产生更强活性，这说明TiO2的光催化活性在一定程度上取决于催化剂表面的紫外光辐照强度。当光照强度越大时，其所提供的光子数量也就越多，而光催化剂表面所产生的活性基团也就越多，对室内有机污染物所产生的降解效果也就越强。
如果是在相对微弱的光条件下，光强与有机污染物的降解速率关系则会发生变化。例如当光强在1000~2000μW/cm2范围时，有机污染物在光强下的氧化速率与光强平方根形成正比。如果光强在1000μW/cm2以下，则氧化速率与光强之间会形成一元线性关系。其次，紫外线的波长也会严重影响到光催化剂的催化氧化速度，因此可以判断紫外光波长也是可直接影响催化氧化速率的重要因素之一，当波长较长时紫外光光强照射是能够增大纳米TiO2的催化活性的，且增幅非常明显。不过光强增大也代表着光源功率正在逐渐升高，耗电量逐渐增大，因此光催化技术在应用于普通家庭中还应当考虑到它的耗能问题，普通家庭应该尽量选择功率较小的低压汞灯作为基本光源，例如1W的低压汞灯，它的波长仅为365nm，且辐照强度标准符合紫外辐射照计量测定标准，不会对人体产生任何伤害。
3.4 TiO2蜂窝活性炭应用分析
光催化技术本身是存在诸多应用技术难点的，比如说在高流速空气中，光催化剂作用下较难捕捉到存在于室内的甲苯分子，此时就要应用到活性炭配合光催化技术。像目前比较常见的TiO2蜂窝活性炭其孔隙结构较为发达，比表面积在800㎡/g以上，且活性炭本身对空气中的甲苯、甲醛系物等有害物质的去除效果明显，因此可以考虑将蜂窝活性炭作为基础载体，专门在环境舱中进行甲苯甲醛降解效果测试，利用光催化剂结合蜂窝活性炭较提高甲苯、甲醛降解率到60%以上。当随着活性炭使用次数的增多其逐渐达到饱和状态时，甲苯的降解率会逐渐下降到40%左右，此时应当采用降解效果更好的负载光催化剂配合蜂窝活性炭，再次提高甲苯降解率到69%以上。
3.5光催化技术组件整体组合测试分析
在针对光催化技术组件进行整体组合测试分析过程中，主要采用到活性炭、负离子发生器、HEPA高效滤网、光催化组件、风机组合等等作为完整的甲苯降解能力测试体系，且在测试过程中对比市面上销售的普通空气净化器。
在进行了2h的性能测试后发现，自行组件的光催化技术组件体系相比于市面上的普通空气净化器在有机物净化性能方面表现更加优秀，它的甲苯、甲醛降解率可高达90%以上，而普通空气净化器的甲苯、甲醛降解率都在60%以内。这主要是因为组件中的光催化剂在降解甲苯、甲醛过程中拥有较大光强，当光强达到25μW/cm2时，它在去除甲苯效率与光照强度时成正比，对室内甲苯、甲醛的净化效率可大大提高[10]。
3.6功能净化模块的应用研究
最后分析功能净化模块，该净化模块以光触媒作为催化材料，它在空气净化方面非常有优势，在测量甲醛降解效果时记录试验温度、湿度与紫外线强度，并可测量不同天气条件下二氧化钛对空气中甲醛的影响程度与降解量。如果按照不同天气比例进行加权分析计算，可计算出不同天气条件下每一克TiO2对甲醛、甲苯的降解量，包括功能净化模块的甲醛、甲苯降解量，通过这些数据指标量为功能净化模块制作计算模型，可实现对室内有机污染物的量化，为净化工程及产品研发提供科学的设计依据。
结束语：
光催化技术可广泛应用于室内空气净化设备中，可发挥较好的催化、净化效果，要实现比较好的应用效果，必须首先分析光催化剂在开发应用过程中可能存在的各种影响因素，本文通过对光催化组件在室内空气净化中的气体流量、初始浓度、光照强度、TiO2蜂窝活性炭应用、功能净化模块应用效果进行分析，全方位证明光催化技术在室内空气净化应用价值。
参考文献：
[1]纳米光催化技术在室内空气净化器中的应用研究[D]. 北京工业大学, 2003.
[2]许世超, 董凯, 多浩,等. 基于光催化技术的VOCs空气净化器的设计及研究[J]. 现代化工, 2018(6):117-121.
[3]光催化空气净化器的设计及甲醛降解的实验研究[D]. 重庆大学, 2014.
[4]李庆霖, 席婵娟, 金振声,等. 用于净化空气的光催化剂及光催化空气净化器[J]. 光催化, 1994.
[5]光催化技术在室内空气净化器中的应用研究[D]. 浙江大学, 2013.
[6]敖永安, 万莹辉. 基于光催化的TVOC净化效果研究及呼吸幕墙空气净化器设计[J]. 沈阳建筑大学学报(自然科学版), 2016(3):486-494.
[7]陈坤洋, 朱利中. {001晶面暴露的二氧化钛纳米单晶光催化降解气相苯[C]// 全国环境化学大会暨环境科学仪器与分析仪器展览会. 2011.
[8]刘山虎, 许庆峰, 邢瑞敏,等. 二氧化钛光催化技术应用于室内甲醛降解的研究进展[J]. 化学研究, 2016, 27(4):502-513.
[9]于振强, 强天伟, 黄翔. 纳米TiO_2/功能性空气滤料在净化空气方面的研究现状与展望[J]. 洁净与空调技术, 2012(1):38-43.
[10]光催化空气净化器的设计及甲醛降解的实验研究[D]. 重庆大学, 2014.
论文作者:严义清 李普煊
论文发表刊物:《中国西部科技》2019年第24期
论文发表时间:2019/11/26
标签：光催化论文; 催化剂论文; 甲醛论文; 污染物论文; 室内论文; 甲苯论文; 技术论文; 《中国西部科技》2019年第24期论文;