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光触媒技术的应用与现状

信息来源: 作者: 发布时间:2017-06-08 16:41

      内容摘要:本文主要从环境方面简单论述现实生活中污染对人体造成的危害、各种各样的病毒、细菌引起的人类疾病、整个地球生存环境恶化等,给人类生存环境带来一系列难以处理的问题。主要探讨光触媒原理、光触媒特点,论述光触媒在生活中应用比例先后为杀菌方面应用、净化空气方面、大气净化等方面应用,对国内光触媒标准提出希望。

      一、环境问题简述

      近年来,大气污染、水污染、病毒感染、室内污染综等对环境的污染问题在全球范围内扩展、成为威胁人类生存的严重的问题。由于垃圾焚烧场排放出的二恶英、船底防污涂料所使用的有机锡、滴滴涕(DDT)以及六六六(BHC)等农药、造纸厂排放的废水、建筑材料中使用的溶剂、粘着剂、废气排放中的苯并芘等各种各样的化学物质扰乱人的内分泌,而引起过敏症以及过敏性皮炎和化学物质过敏症等疾病,这些污染处理起来非常困难。SARS和禽流感带来人类伤亡、巨大经济损失,人类还没有找到一种最好的办法对付突于其来的新病毒袭击人类的办法。

      对环境污染物的传统处理方法不外乎收集、浓缩和焚烧处理,如果用同样的方法来处理,由于污染范围极广,必须对大量的水、大气和土壤进行处理。从而消耗大量能源和放出大量的二氧化碳气体,更严重的是伴随焚烧处理还可能产生二恶英等剧毒物质。因而如果用传统方法来处理环境污染物时,人类将面临能源危机、地球温暖化和更进一步污染环境的危险,因此,必须寻求新的、行之有效的环境净化技术。

      由于光触媒不消耗地球能源、不使用有害的化学药品,而仅仅利用太阳光的光能等就可将环境污染物在低浓度的状态下清除净化,并且还可作为抗菌剂、防霉剂应用,因而成为环境净化技术中的一个亮点。人们常说,21世纪是环境的世纪,将是环境保护的世纪,光触媒技术作为对环境友好的环境净化技术的研究开发已经发展起来,在世界中的任何地方只要有光就可使用光触媒技术,因此,可以预期光触媒技术将在今后有更大的发展。

      二、光触媒的特点

      光触媒是指可通过吸收光而处于更高的能量状态,并将能量传递给反应物而使其发生化学反应的一类物质。半导体和金属化合物等是常用的光触媒材料、其中最常见的是二氧化钛。二氧化钛广泛用作染料、牙粉、食品添加剂等,是一种安全无毒、价廉耐用的物质,纳米二氧化钛通过美国认证对人体无害,用于口红和防晒霜中。光触媒在光照结合空气中的水蒸气在表面会产生大量氢氧根自由基,它比消毒杀菌剂被广泛使用的次氯酸、双氧水和臭氧等具有更强的氧化能力,可以分解有机物,杀菌剂和防霉。二氧化钛具有在光的照射下能分解和无害化处理几乎所有有害有机物,不用有毒的药品或煤、石油等化石燃料,仅利用干净且取之不尽的太阳能就能将扩散了的环境污染物安全有效地处理并且可半永久化循环使用等众多的优点。

      三、光触媒开发的足迹

      光触媒反应的研究始于上个世纪50年代,当时是为了解决由于无机化合物导致的光分解反应,在添加二氧化钛的涂料容易老化这一古老的问题而展开的。直到70年代末才开始积极利用光触媒反应来处理有害化学物以及进行环境净化等方面的研究,在我国90年代初也开始在这一方面进行研究,并报告了使用光触媒对含氯有机物、农药、二恶英等将近100多种物质进行分解和无害化处理的实验结果。90年代中期,德国成功开发了膜状二氧化钛光触媒使光触媒立即进入了实用化阶段。同时,德国在二氧化钛光触媒在大气净化研究上的应用取得了进展,使用二氧化钛光触媒在自净化方面的应用和产业化上取得了进展。近几年来科学技术发展,光触媒研究也得到了相当迅速的发展,科学家将二氧化钛用高科技手法制造成纳米级别,更加提高了二氧化钛的光催化性能,利用金属掺杂及其它的方法使得纳米级二氧化钛在普通光照下有光催化活性,成功研制了抗菌陶瓷、抗菌地板、外墙防老化涂料等光触媒材料。我国在这一方面研究技术与国外相当,产业化方面落后于欧美等发达国家,近几年来国家对光催化研究投入大量人力物力,在可见光光触媒原材料方面也有规模生产能力。

      四、日益扩大的光触媒市场

      光触媒用光照射时产生比臭氧还强的氧化能力,几乎能杀灭物体表面所有的细菌和病毒,并能分解细菌死后留下的内毒素,最终将细菌和病毒分解成二氧化碳和水。可以很好的处理人类病毒的相互交叉感染。它能够将所有的有害有机物分解成水和二氧化碳等无毒无臭的物质。只要在光照射下,光触媒就能引起有害物质分解等化学反应的发生,其作为一种对环境友好并能与人长期共存的环境净化材料而迅速引起世人的注目。

      近年来,利用这类光触媒原理的相关商品市场正在急速成长。光触媒陶瓷、光触媒纱布、光触媒手机、光触媒灯管、光触媒空气净化器等拥有优良性能的光触媒产品日益受到消费者喜爱,光触媒产品市场规模应该更加扩大化,将会成为市场的潮流。

      五、光触媒的应用和产业化进程

      光触媒的应用范围包括抗菌、防霉、空气净化(除臭、排气净化)、自净化、防雾、大气净化、水处理等广泛的领域、随着研究开发的进展,已开发出大量实用产品。光触媒具有抗菌除臭等多种用途而最适合于护理用品,这将伴随人口老龄化而成长为巨大的产业。

      1、抗菌防霉

      二氧化钛在光照射下,产生氢氧根自由基等活性氧比常用作消毒杀菌的氯气、次氯酸、双氧水和臭氧等具有更强的氧化能力,发挥抗菌作用而使细菌或霉菌的繁殖中止。这类二氧化钛光触媒的抗菌剂与传统的抗菌剂不同、它们具有如下特征:

      (1)二氧化钛在没有光照时没有抗菌活性。传统的抗菌剂是通过药效成分的溶出释放而阻止细菌的发育或杀灭细菌。用从餐具铅溶出实验同样的方法测试表明:二氧化钛完全不溶出。而二氧化钛光触媒,在光照的初期就产生抗菌作用。由于在光照下产生的氢氧根自由基等活性氧寿命很短,如果细菌不在二氧化钛的近处就不能发挥抗菌效果。因此,将二氧化钛埋入载体或胶粘剂表面。实验证明将光触媒涂于陶瓷表面后再进行烧结,它的抗菌效果相当好。

      (3)由于二氧化钛作为催化剂(光触媒)作用时自身不发生变化,原理上,可以半永久地使用、如果有光照射,它就能半永久地持续有效。

      (4)二氧化钛光照射下,产生的氢氧根自由基几乎能使所有有机物分解变成二氧化碳等无毒的物质。因此,不仅能抗菌防霉、使作为细菌或霉菌的食饵的有机物分解,也使细菌或霉菌释放出的毒素分解。而且,还能破坏癌细胞、可使溶入的各种有害化学物质及像空气中的恶臭化学物质分解及无害化等。

      在涂有二氧化钛光触媒层的玻璃板上用日光灯照射下的抗大肠杆菌、黄色葡萄菌的抗菌效果均可达99%以上。纳米级二氧化钛在微弱的光照下就能够有很强的杀菌能力,光触媒抗菌陶瓷在生活中使用不另加光照一样有超强的杀菌能力。

      综上所述,二氧化钛光触媒作为新型的抗菌剂令人注目、各种应用的开发也进展良好。光触媒抗菌瓷砖已经在市场销售,在卫生陶器、菜刀、案板、建筑材料、24小时浴室以及衣料用纤维等方面上的应用开发进展顺利。而且,光触媒在防藻作用也已得到确认,能抑制藻和水青苔的水槽、能防止水变质和花长期保鲜的花瓶已经面市销售、在混凝土、涂料上的应用研究也已开始。

      2、空气净化(除臭、气体排放净化和室内污染综合症对策等)

      光触媒在光照下也能够分解空气中的甲醛、苯、二甲苯等有害物质,并能将其完全分解成二氧化碳和水,与传统的除味剂不同,只能将一种有害物变成另一种无味儿的有害物质,光触媒才是一种能彻底分解有害物质的环保材料。

      只要将光触媒均匀的喷涂于室内墙面上,利用阳光或灯光就能够源源不断的分解有害物质,大大降低污染物对人体的危害。在日本通常家庭在装修完成后就会喷涂上一层光触媒液,成了一种常用的空气净化涂料,在我国人们的意识还没有达到这一步,相信不久的将来光触媒也会走进我国百姓的家庭。

      3、自净化与防雾

      用光触媒可以分解污物,据此,可制备自净化材料。尤其是对于一点点增加的油污或香烟焦油的效果最大。利用这些材料,可生产出应用于建筑材料、外墙、窗玻璃等各种各样的产品,推进自净化技术的发展。涂料、薄膜剂、光触媒片材等已经开始销售。此外,将光触媒涂在牙齿表面,遇光照射时,将使附着在牙齿上的污物分解、变白,这项功能已应用于牙科美容。

      一般来说,二氧化钛与水的接触角为零度而具有超亲水性、污物等附着时表面变成疏水性形成水珠而雾化。但如果有光照则发生光触媒分解污物而使其恢复成原来的超亲水性,进而使雾化停止。利用该原理开发出不雾化的镜子、窗玻璃和薄膜剂等。

      在美容方面,光触媒可应用于牙科美容使牙变白。对于假牙,也已开发出假牙洗净剂。在假牙中加入含光触媒的溶液,当阳光等光源照射时,假牙上附着的污物被分解而变得干净、同时也可去除假牙的恶臭。

      4、大气净化

      在美国过去20年中,主要由于汽车尾气中的氮氧化物(NOx)、硫氧化物(SOx)所造成的大气污染问题一直没有得到改善,已引起数起公害诉讼而成为严重的问题。如果应用二氧化钛光触媒,则能使大气污染源的一氧化氮(NO)、二氧化氮(NO2)等氮氧化物(NOx)或硫氧化物(SOx)氧化成硝酸根离子(NO3-)或硫酸根离子(SO42-)。将光触媒涂刷于建筑物的外墙时,就可利用太阳光将氮氧化物或硫氧化物分别氧化成硝酸根离子或硫酸根离子,下雨时可将硝酸根离子或硫酸根离子冲刷下来,就这样可持续不断地进行光触媒反应,从而除去大气中的氮氧化物或硫氧化物。现已研究表明冲刷硝酸根离子或硫酸根离子雨水的酸性可以被空气中浮游的碱性粉尘所中和。目前,含光触媒的大气净化产品,比如道路建设中的大气净化部件、涂料、片材、水泥以及道路路面等已被开发推广。附着有光触媒的吸音板材和高速道路的防音壁等商品也在开发之中。

      5、水处理

      目前,用的最多的水处理方法是采用活性污泥等的微生物处理法,该法对于含氯有机物的处理还很困难,产生的剩余污泥也成为环境问题。至今,剩余污泥主要采用焚烧处理和埋填处理,但焚烧处理后的残灰又成为新的问题,埋填处理也不能无限地占用土地资源。光触媒用于水处理的研究很早就开始并一直在持续。开始的实验是将光触媒的粉末分散含有害物的水中用光照射来处理水中的有害物,但是,由于这种方法只能一次性处理而无法连续处理,处理干净的水与光触媒的分离也困难而一直得不到实用化。随着仅由二氧化钛成膜的光触媒的开发成功才真正应用于水处理。

      目前,与水处理相关的光触媒产品有玻璃器具、能抑制藻类和青苔繁殖的水槽、使水不易变质从而使花期延长的花瓶等。此外,利用光触媒的昼夜浴室也已商品化,净水器、废水处理装置、饮料水的净化、杀菌装置、超纯水制造装置、染色废水的脱色系统、简易净水器、雨水净化装置、含电镀废液氰化合物的分解装置、被环境激素等所污染江河的净化系统以及牲畜房的尿处理系统等都在开发进行中。还有将地下水中的有机溶剂蒸发成气体后进一步用光触媒分解的装置也已有销售。

另外目前,如何处理废弃物设施的焚烧炉的废气中的二恶英已成为严重的问题,造纸工业废水中含二恶英或垃圾焚烧场的废气洗净水(清洗水)含二恶英的处理也将是潜在的问题。特别是最近已从一些江河水中检出严重超标的二恶英,为此,应用光触媒分解二恶英水处理装置等也在开发之中。

      6、保鲜

      众所周知,在保存水果和粮食时,如果其中少量发生变质,则其他的部分将很快变质。这是由于已变质的部分会释放出能促进水果和蔬菜等成熟老化的乙炔气体,促进其他部分成熟、老化而加速腐败。如果使用光触媒,能将乙炔气体分解为二氧化碳和水,使水果和粮食能长时间保存,提高商品的市场价格。在草莓箱子里放入光触媒片使草莓保鲜或在食品仓库等地方使用使水果和粮食可以长期保鲜的装置也已商品化。使用光触媒不仅能分解乙炔气体,同时还能防止仓库内细菌和霉等的繁殖以及除臭等,使产品品质稳定的同时还能舒缓作业环境,并使各种农作物的掺混存放成为可能。同时还可用于种苗、根茎球的保存,防止菠菜、大蒜等的变黄。利用光触媒的这种效果,防止食品腐烂、抑制垃圾的排放,从解决粮食问题和废弃物问题的观点来看也令人注目。用光触媒材料制造的包装膜既可以起到长久保鲜而且包装膜在自然界中两个月就会降解,比传统的降解材料成本低得多。

      综上所述,可用光触媒处理的有害物质数不胜数,它可以安全广泛地应用在环境保护的各个方面、是21世纪最有希望的技术之一、目前,各种各样的产品已在市场上出现。然而,已采用光触媒的相关产品的性能,比如自净化的效果,在设备刚完毕时可以容易看到, 但再经过几个月后,该效果就不明显了。目前我国还没有一个统一的有光触媒性能评价的试验方法,而由生产企业自行制定,从而无法比较光触媒的性能、由于没有质量标准,这严重阻碍了光触媒市场的健康发展,希望我国尽快出台光触媒产品的评定标准。

      目前,光触媒应用技术的开发正在全力推进中。随着光触媒技术在世界各国的普及,将促进光触媒新用途的开发和今后巨大市场的成长。随着光触媒的开发和普及、扩大影响,将促进地球环境的改善。


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