纳米光催化技术在大气污染治理中的应用探究

杨 飞

（山西省长治生态环境监测中心 山西长治 046000）

引言

在大气污染治理过程中，纳米光催化技术的应用有着较为显著的效果，能够大幅提升污染的治理效果。纳米光催化技术的应用具备光敏效果明显、应用效率高，以及对人体与环境没有危害性的优势，成为了现今空气净化领域最为先进与应用较为广泛的技术之一。因此，加强对纳米光催化技术在大气污染治理中的应用研究，分析其在大气污染治理中的应用原理，在解决雾霾污染，治理和优化人类生活环境方面有着重要的现实意义[1]。在大气污染治理过程中，温室效应与臭氧层空洞是最为严重的问题，对大气污染进行有效治理成为了社会各界高度关注的问题。在科技水平不断进步的推动作用下，纳米光催化技术进入了大气环境污染治理领域，尤其是在室内空气净化、汽车尾气净化等方面有着较为显著的应用效果。此外，在其他领域的空气污染治理，纳米光催化技术也有着极大的应用潜力。

1 纳米光催化技术相关概述

在对大气污染治理过程中，各行各业不断摸索出许多方法，如从源头控制污染源、降低可燃物燃烧量、汽车尾气控制与处理、工业废气处理等，也采用了诸如化学、物理，或者是采用催化剂等的方法对有害气体进行无毒无害化处理。随着工业生产、社会生活等排放的污染物越来越复杂，造成的大气污染种类也越来越多，采用传统的治理方式难以取得理想效果。在科技不断进步的推动下，纳米技术在空气污染治理领域的应用也越来越深入，基于纳米光催化技术为核心的空气污染治理体系，不但节能环保其效果显著，而且符合国家新能源政策与可持续发展理念，在我国大气污染治理方面有着较为重要的应用[2]。

2 纳米光催化技术应用对于环境保护的重要意义

2.1 大气治理

工业生产过程中产生的CO、SO2、NOx等气体会对大气造成严重污染，带来酸雨、光化学烟雾、温室效应等，甚至对人体健康造成直接威胁。光催化纳米材料与纳米光催化技术的应用能够有效对低浓度有害气体进行降解，较大程度地净化空气。例如借助TiO2材料，配合相应的纳米光催化技术的应用能够实现较好的吸附有害气体、杀菌、净化空气的效果。

2.2 水污染治理

在无机废水处理方面，纳米光催化材料的应用能够氧化低氧化态的有毒无机物，还原高氧化态的有毒无机物，从而降解无机污染。而且这类废水中的可回收的重金属含量较多，利用TiO2能够有效吸附汞、银等离子，实现重金属的回收再利用。在有机废水处理方面纳米光催化技术的应用主要包括在对农药废水、化工废水、含油废水、印染废水、造纸废水等的去害作用方面。在自来水净化方面，主要借助TiO2纳米光材料的催化作用，降解有机物、无机物，进行杀菌净化。

2.3 噪音控制

经济的快速发展，使得车辆、船舶、飞机以及一些经济生产过程中产生较大噪音，长期噪音影响下人们的身心健康将会受到严重危害。利用纳米光催化技术制造的以TiO2为主要材料的润滑剂的应用，能够在发动机的表面形成永久性的固态膜，提高润滑效果，降低摩擦噪音。

3 纳米光催化技术在大气污染治理中应用技术理论及发展前景

在能带理论基础中表明了半导体能带非连续性。在常态环境中，低能价带带电而高能导带不带电，两者之间是禁带联系。若是半导体获得的光量子能量比禁带带隙能量光照射产生的电子量大时，低能价带电子被打击到高能导带上，使导带生成高活性负电电子，此时价带上产生相应数量的带正电电子空穴，进而使半导体表面产生高度活性电子空穴对，电子空穴对受到电场作用会产生分离效果以及转移至半导体表面，变成活性氧自由基，进而和半导体催化剂表面多种污染物产生氧化还反应实现对污染物的有效降解[3]。一般来说，只有禁带宽度特征较为明显的，及带隙能的半导体，才能作为光催化剂，目前TiO2是较为常用的光催化剂。这种半导体具备较好的催化活性，与能量较大、带隙能光照情况相结合催化剂避免的纳米粒子价带上的电子将会受到激发而出现迁跃为带电子附上极为的还原性特征，进而吸附空气中的污染物。加上TiO2的化学性能与光电性能都较为稳定，具备耐腐蚀、耐光照的应用特性，不会对人体健康产生危害。加上应用的价格成本不高，具备较高的应用性价比。以TiO2催化剂作为大气污染治理纳米光催化技术的应用，仅仅需要阳光进行激发即可，不必进行一些较为复杂的操作流程，应用较为方便快捷，其在应用过程中也不会产生二次污染，应用效益较为显著。在光催化技术应用过程中，纳米光催化材料至关重要重要，选择、制造合适的催化剂成为了当前纳米光催化技术在大气污染治理的应用关键所在。虽然，目前各国科学人员不断致力于对新型、高效、经济催化材料的研究、发现，但总体上进展缓慢。因此，在较长的一段时间内，纳米光催化技术在大气污染治理中的应用依然集中在寻找合适载体作为催化剂的负载，经过对其不断完善、改进，提高活性与反应效率，提高反应效益。对性质优良、可大批量制造、无污染的纳米光催化剂的的寻找与应用成为世界高度关注的焦点。

4 大气污染治理过程之纳米光催化技术的具体应用

4.1 大气净化

随着社会经济与生活水平不断提高，大气污染也越发的受到社会各界的高度关注，大气污染产生的一系列问题，如酸雨、臭氧层空洞、温室效应等，急需得到有效解决。对于大气中的硫化物、氮氧化物、碳化物等有害气体的治理，纳米材料与纳米技术应用发挥着为极为明显的效果，能够将这些物质转化成为无害的空气成分，进而实现对大气的净化效果。近些年，国内利用半导体光催化技术来进行空气净化研究并获得了较大的发展，相关研究人员研发出活性炭-纳米TiO2复合光催化空气净化网，在制定环境中能够有效净化空气中的污染物。如，能够净化达60.1%的一氧化硫，能够净化96.5%左右的氨气等。通过比较实验可知该空气京华网能够大幅提升光催化效率，并且能够运用光催化效应来达到活性炭原位再生的效果。此外，相关研究人员研发的碳黑改性纳米TiO2光催化膜，能够使得TiO2光催化剂活性大幅增强，且稳定性能极佳[4]。

4.2 石油脱硫催化

石油具备含能高、燃烧效率高的优点而在工业、化工等生产领域成为了不可或缺的能源燃料，但其在燃烧过程中会产生大量的、具备高污染性的硫化物，对大气生态环境、人类健康造成严重威胁。因此，石油脱硫成为了石油产品生产与应用过程中必不可少的步骤。相关研究人员通过TiO2光催化剂来对不同浓度H2S 进行讲解的效率进行分析发现，对于33～855（×10-6）浓度范围的H2S，TiO2的降低率高达99%[5]。而纳米钛酸钴是当前应用效果较为明显的石油脱硫催化剂，能够在石油脱硫催化中将油品硫含量降低在0.01%以下，脱硫效益较为明显[6]。

4.3 汽车尾气净化催化

近年来，汽车人均拥有水平越来越高，汽车尾气排放越发成为了大气污染不可忽视的污染源之一，因此，实现对汽车尾气净化也自然成为了大气污染治理重要内容。其中汽车尾气的污染物主要包括了硫氧化合物、一氧化碳、固体悬浮微粒、氮氧化物等。纳米光催化技术的应用，如采用纳米的铁、镍等烧结体作为汽车尾气处理器，能够大大提高处理效果，进而有效降低有害气体排放。将合适的纳米材料应用到汽车发动机气缸中，在汽油燃烧阶段对汽车尾气进行更为有效的处理，实现对汽车尾气的有效净化[7]。此外还有研究人员发现，王半柔性碱性水泥路面内加入TiO2催化材料能够将汽车尾气内的各类污染物减少，路面碱性水泥通过发生中和反应来有效去除粘附于催化材料表层无机酸的催化产物，确保催化材料具有良好的活性。并且还可有效提高路面的抗滑性与耐磨性，通常适合用在长隧道、坡道、收费站、停车场等汽车尾气排放量较大的地点。

4.4 室内空气净化

在室内装修过程中，一些装修材料的应用会产生许多对人体危害较大的气体，如甲醛、苯等。采用纳米二氧化钛涂层则能够起到很好的净化应用效果，借助紫外线先的照射作用对这些有害气体进行分解[8]。同时，纳米二氧化钛涂层在杀菌方面也有着较好的应用效果，在光照作用下能够有效破坏细菌结构，实现对细菌的有效杀伤[8]。除此之外，相关研究表明，将有机与无机纳米纤维复合形成高质量的纳米纤维，以此为材料制作得到过滤性能较好的过滤网，将其应用于空气净化装置与自然风系统中，能够有效过滤进入室内的空气污染物，达到净化室内空气的效果。

结语

在经济快速发展的同时，带来的大气污染问题也越来越严重，随着空气污染物成分的越来越复杂，采用的传统治理方法已经无法取得明显的治理效果。纳米光技术的出现与应用在较大程度上弥补了传统治理方法的不足，并且在多个领域有着较好的应用效果，体现出了较好的应用前景。因此，应对纳米光催化技术在大气污染中的应用进行研究、创新，不断实现对空气污染治理效果提升，为大气污染做出更大贡献。