光催化技术净化甲醛的效果研究

俞圣哲

摘 要：人们生活品质的提高，对于家居有了新的要求，那就是无毒无害，但现实中未能解决有害气体的散发。通过密闭房间内利用光触媒设备对有害有机物气体的消除测试阐述了在低浓度状况下除VOCs的有效性；对于不同基材负载的光触媒板在相同条件下去除低浓度甲醛气体的动态模拟测试的比较，进一步的得出基材的选择对于光催化去除甲醛能力的影响。

关键词：光催化；TiO2；负载；去除率

中图分类号：X511 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）22-0005-03

随着生活生平的提高，人们更多的关注健康，很多专业术语也被认知，比如PM2.5，PM10，空气污染指数等等。一天当中大部分时间在室内度过，因此室内空气的好坏直接影响着我们，尤其是各式各样的新家具用品和装修涂料时时刻刻释放出有毒有害的污染物让我们的身体处在危害当中。

在室内空气污染物中，挥发性有机化合物VOCs来源广泛且对人体健康影响较大，研究认为，室内TVOC浓度大于0.2mg/m3时，人体会有轻微不适的感觉，TVOC浓度上升到25mg/m3以上时就容易出现头痛等中毒症状[1]。

2002年我国制定并实施了GB/T18883.2002《室内空气质量标准》，这部标准引入室内空气质量概念，明确提出“室内空气应无毒、无害、无异常嗅味”的要求。其中规定的控制项目包括化学性、物理性、生物性和放射性污染。规定控制的化学性污染物质不仅包括人们熟悉的甲醛、苯、氨、氧等污染物质，还有可吸入颗粒物、二氧化碳、二氧化硫等13项化学性污染物质。

目前，室内空气污染物的控制途径分为：污染源头控制以及末端治理。使用环保型材料能有效的从源头减少污染物，但是由于成本和售价的昂贵普通百姓无法承受，通常会选用末端治理的方法来改善空气质量。现有末端治理技术包括过滤技术、静电除尘技术、吸附净化技术、低温等离子体技术、光催化技术和组合技术等。通常我们常见的方法有吸附型的比如活性炭包；过滤和吸附相结合的有空气净化器；以及可直接喷洒于墙体表面去除甲醛，苯类的有光触媒分散液。

本文以光催化技术为主要研究对象，所谓光催化（光触媒）指半导体材料在紫外及可见光照射下，将光能转化为化学能，并促进有机物的合成与分解的过程。当光能等于或超过半导体材料的带隙能量时形成光生载流子（电子-空穴对）。在缺乏合适的电子或空穴捕获剂时，吸收的光能因为载流子复合而以热的形式耗散。价带空穴是强氧化剂，而导带电子是强还原剂。大多数有机光降解是直接或间接利用了空穴的强氧化能力。当TiO2等半导体粒子在空气与水接触时，半导体表面产生高密度的羟基即OH-以及O2-和O-，可以将有机污染物分解为二氧化碳和水等无机小分子[2]。

其特点主要表现在以下几点：

（1）反应条件温和，常温常压下就可实现；

（2）反应速度快，所需时间短；

（3）能将大部分有机物降解成小分子，还能起到杀菌作用；

（4）寿命长，可长时间使用；

（5）获取途径容易，价格低廉。

其主要缺点是只适用于低浓度环境使用，配合380nm光谱波长以下的紫外灯才能发挥最大功效。

常见的光催化剂多为金属氧化物和硫化物，如TiO2， ZnO，CdS，WO3等，其中TiO2的综合性能最好，应用最广。光催化剂大都不会单独使用，通常会根据实际情况负载于某一物体上方便安装和使用，比较普遍的负载方法有喷涂和浸渍两种[3]。喷涂的优点在于制作过程相对简单，涂层均匀，但是容易出现盲点；浸渍对于过程制作技术要求高，涂层厚度难控制，但是覆盖面全。

市场上民用光催化剂主要是光触媒分散液，可直接喷涂于物体表面，以墙体和地板为主，在可见光照射下降解有害物质；工业用以鋁基材料负载为主，具有阻力小，安装方便的特点。

1 材料与方法

1.1 供试物料与试剂

新装修过的房间；铝基光触媒板；蜂窝金属板；60目塞网；光触媒分散液；柱状活性炭；分析纯甲醛溶液；气泵；外径8mm气管；内径30mm试管；密闭箱；华瑞PGM7300TOVC检测仪（0.0-5000PPM）；风速仪（0-30m/s）。

1.2 试验方法

实验①：采用长方体密闭箱内置蜂窝铝基光触媒板和紫外灯，两端面有进出口气孔，将一定量甲醛试剂倒入试管内，用气泵鼓气吹扫溶剂表面使之气化，通过气管吹入到实验箱内，大致如下图1、2所示，测试甲醛去除率。

测试数据如表1所示。

见图3结果显示平均甲醛去除率能达到48.3%。

实验②：仍以试验①的铝基光触媒材料作研究对象，在新装修或者存放有新家具放置一段时间后的密闭房间内测试有害物质浓度变化，测试前预先通风一段时间以使房间内有害浓度降低到适合测试的环境。

测试数据如表2所示。

见图4结果显示实验②会随着反应时间的增加能够有效的降低有害浓度。

实验③：蜂窝型铝基光触媒板的反应时间在瞬间完成，停留时间短，为了使反应更有效，有必要增加停留时间[3]，提高光触媒的性能，本次试验采用蜂窝网金属板，蜂孔内加入负载填料，两端用塞网封住。活性炭本身能够吸附有害物质，微孔结构，表面粗糙，作为负载基材结合光触媒能够更有效的发挥功能。选用两种不同品牌的光触媒分散液，同种适合尺寸的活性炭浸渍法制作光触媒填料A和B，以实验①方法分别测试两种填料的性能。

测试数据如表3所示。

见图5结果显示实验③增加停留时间和更换载体基材后比实验①铝基材的光触媒效果提升明显。

2 结语

通过3种实验对比实现了传统光触媒催化剂在低浓度环境下可行性，可以有效地降低有害污染物浓度，通过改变负载基材能够提高光催化剂性能。假设把柱状活性炭负载填料直接改成蜂窝活性炭负载效果可能会更好，光触媒负载量和反应接触面及光照表面积都大大提高，处理能力会更佳，做成模块应用于空气净化机将会有很好的发挥空间。

相信随着光触媒性能的提高未来应用场合将更加广泛，不单单适用于普通家庭，公共场所将更加适用，比如影院，医院，火车站等人口比较聚集的地方更应该关注室内环境质量。

参考文献

[1]吴忠标，赵伟荣.室内空气污染及净化技术[M].北京：化工业出版社，2005.

[2]陈坤洋.TiO2基光催化材料净化室内空气中苯和甲苯的性能[D].浙江大学，2014.

[3]王小艳.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.