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    行業新聞

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    新裝修空氣治理

    作者: 來源: 日期:2015/6/24 0:00:13 人氣:2277

    光觸媒

            
    光觸媒是一種以納米級氧化鈦爲代表的具有光催化功能的光半導體材料的總稱,它塗布於基材表面,在光線的作用下,產生強烈催化降解功能:能有效地降解空氣中有毒有害氣體;能有效殺滅多種細菌,並能將細菌或真菌釋放出的毒素分解及無害化處理;同時還具備除臭、抗污、淨化空氣等功能。

    1.研究發現

    1967年,日本東京大學的本多建一教授和博士班學生藤島昭發現,用光照射二氧化鈦電極可進行水的電解反應。這就是著名的“本多作用的光催化反應,將空氣中的水或氧氣催化成氧化能力極強的羥基自由基(·OH)和超氧陰離子自由基(O2·)、活性氧(HO2·,H2O2)等具有極強氧化能力的光生活性基團,這些光生活性基團的能量相當於3600K的高溫,具有很強的氧化性,
    這些強氧化性基團可強效分解各種具有不穩定化學鍵的有機化合物和部分無機物,並可破壞細菌的細胞膜和凝固病毒的蛋白質載體。
    2015年4月,日本研發最新的光觸媒淨水技術,可望爲全球28億人解渴。日本鬆下公司正開發一種新型光觸媒粒子,可望解決水不足問題。該粒子是由沸石粒子與二氧化鈦微粒所構成,在紫外線照射下充分混合於污水中,可使污水淨化成可飲用的程度。新型光觸媒淨水設備相當簡便,且1天可淨化高達3噸的水,可供應相當於印度20戶家庭的每日用水,而淨化每噸水所需費用約爲500日圓,約人民幣26元。
    此技術是將特殊光觸媒粉末倒入污水中,照射紫外線即可分解水中有毒金屬,淨化成飲用水,此技術也可用於整治受污染河川,且對環境生態無害。

    2.材料

    光觸媒材料主要有納米TiO2、ZnO、CdS、WO3、Fe2O3、PbS、SnO2、ZnS、SrTiO3、SiO2等,2000年以來又發現一些納米貴金屬(鉑、銠、鈀等)具有更好的光催化性能,但由於其中大多數易發生化學或光化學腐蝕,而貴金屬成本則過高,都不適合作爲家居淨化空氣用光催化劑。
    在所有的光觸媒材料中,納米TiO2不僅具有很高的光催化活性,且具有耐酸鹼腐蝕、耐化學腐蝕、無毒等優點,價格也適中,具有較高的性價比,因而市場上大多使用納米二氧化鈦作爲主要原材料。
    納米二氧化鈦(TiO2)是一種半導體,主要有銳鈦型(Anatase),金紅石型(Rutile)及板鈦型(Brookite)三種晶體結構,其中:
    板鈦型晶體穩定性差,一般認爲不具備光催化活性。
    金紅石型晶體具有比銳鈦型晶體更強的光催化性能,耐候性和附着性也很好,納米無機包覆穩定,市場價格高於銳鈦型晶體。
    納米氧化鋅(ZnO)粒徑介於1-100 nm之間,是一種面向21世紀的新型高功能精細無機產品,表現出許多特殊的性質,如非遷移性、熒光性、壓電性、吸收和散射紫外線能力等,利用其在光、電、磁、敏感等方面的奇妙性能,可製造氣體傳感器、熒光體、變阻器、紫外線遮蔽材料、圖像記錄材料、壓電材料、壓敏電阻、高效催化劑、磁性材料和塑料薄膜等。在橡膠、陶瓷、紡織、印染、國防工業領域具有廣泛的應用。
    納米二氧化鋯(ZrO2)呈高純度白色粉末狀,無臭、無味。低溫時爲單斜晶系,高溫時爲四方晶型。具有高的折射率(折射率2.2)和耐高溫性。有良好的熱化學穩定性、高溫導電性和較高的高溫強度和韌性,具有良好的機械、熱學、電學、光學性質。其中HT-ZrO-01爲單斜晶型,HT-ZrO-02爲四方晶型。納米氧化鋯顆粒尺寸微小、是很穩定的氧化物,具有耐酸、耐鹼、耐腐蝕、耐高溫的性能,可用於功能陶瓷和結構陶瓷,以及寶石材料。

    3.性能

    一般科學意義上的光觸媒是單質粉末狀的,而進入市場大多是混合液態狀的,這個必須要區別開來。
    截至2013年,還沒有用肉眼區分光觸媒優劣的可靠方法,選擇光觸媒要謹記一點:

    全面性

    光觸媒是目前國際上最安全和最潔淨的環境淨化材料,在歐美和日本、韓國等區域廣泛運用,美國宇航空間站淨化工程、海上油污降解工程和日本公交公司消毒工程均使用光觸媒進行處理。
    光觸媒可以有效地降解甲醛、苯、甲苯、二甲苯、、TVOC等污染物,並具有高效廣泛的消毒性能,能將細菌或真菌釋放出的毒素分解及無害化處理。

    持續性

    在環境污染不嚴重的條件下,只要不磨損、不剝落,光觸媒本身不會發生變化和損耗,在光的照射下可以持續不斷的淨化污染物,具有時間持久、持續作用的優點。
    但如果環境污染比較嚴重時,一些硫酸根和硝酸根離子會影響光觸媒的壽命和效果,會出現失活現象,可以通過相關技術工藝回覆活性。

    安全性

    無毒、無害,對人體安全可靠;不會產生二次污染
     

    4.侷限

    光觸媒是有一定作用的,但它的作用範圍相當小,甚至僅僅侷限在光觸媒網面上。如果消費者想清潔、淨化整個房間的污濁空氣,顯然是不可能的。
    光觸媒內部由於晶格缺陷光化學活性太強,會氧化降解有機物基材(如油漆、皮革、織物),使基材表面腐蝕、變色、粉化,光觸媒塗膜粉化、剝落,最終影響使用壽命。21世紀以來可以通過無機包覆技術解決。
    一般把光觸媒稱爲是半永久淨化材料,光觸媒有效期長短可參考日本公交系統的消毒制度,日本公交車使用光觸媒噴塗後,5年內可不進行其他消毒方式,由此可認爲:公用場所,使用優質光觸媒噴塗後,淨化殺菌效果至少可保證5年。

    5.特徵

    光波吸收

    (以市面最多的光觸媒納米二氧化鈦爲例)。
    純淨的納米二氧化鈦粉末,只能吸收400nm以下的紫外光,在自然環境下,紫外光佔有比例較低,不足自然光的10%,因而純淨的納米二氧化鈦基本沒有光觸媒的功效。
    所以,爲使二氧化鈦可以吸收可見光,甚至吸收遠紅外光,必須採用特殊材料的配製摻雜技術。
    比如採用固相合成、過渡金屬離子和非金屬離子摻雜、金屬-有機絡合物、表面敏化、半導體複合等多種方法,對光觸媒進行可見光誘導。2000年以來,還發現納米貴金屬(鉑、銠、鈀等)與光觸媒材料進行配位螯合後,會極大提高光生載流子的分離效率和抑制電子-空穴的重新複合,從而進一步拓寬了二氧化鈦的光波吸收範圍,這些納米貴金屬也被稱爲“光觸媒的維生素”。日本汽車尾氣淨化裝置已大量使用納米貴金屬製成的催化劑。
    純淨光觸媒技術只能在紫外光下作用,這已經是2000年前的技術了。21世紀國際光觸媒技術的發展方向是化學配位鍵螯合功能元素摻雜技術,使用這種技術可以極大增強光觸媒材料的光催化協同效應,從而可以吸收可見光,甚至可以吸收遠紅外光。
    2003年,中國首先發明遠紅外光觸媒技術,標誌着在光觸媒的光波吸收技術上,已經超出世界水平。【見中國化工信息中心《查新報告(2003-021)》】
    耐候性
    光觸媒產品經受氣候的考驗,如物理磨損、冷熱、自身晶格缺陷等造成的綜合破壞,其耐受能力叫耐候性。
    純淨的光觸媒粉末不具有實用性,很簡單,風一吹就沒了,所以必須做成粘合型的溶液,而且溶液乾燥後會吸附在各類傢俱表面,不容易磨損及掉落。要實現這個性能,不添加黏合劑是做不到的,所以不含黏合劑的光觸媒溶液產品要麼是炒作,要麼就是乾燥後會大量掉落。
    純淨光觸媒在光照射下,除了能發生光催化反應外,還會發生光化學活性反應,這種光化學活性反應是由光觸媒內在晶格缺陷引起的,這種反應會釋放新生態氧[O],新生態氧通過物質遷移,與光觸媒本身及傢俱表面材料進行反應,會導致物質有機聚合物氧化、降解,最終造成塗膜的粉化和失光,縮短其使用壽命,造成傢俱表面失色或斑駁。所以,必須要對光觸媒進行特殊工藝的無機包覆,從根本上解決光觸媒的光化學活性反應問題。
    • 由上兩條可知,將光觸媒產品是否純淨,是否含有分散劑作爲評價光觸媒性能是否優劣的標準是不科學的。
    • 純淨的光觸媒只能吸收紫外光,可吸收可見光甚至遠紅外光的光觸媒必然螯合了其他活性催化材料。

    有效濃度

    光觸媒本身是一種催化劑,不直接參與降解反應,它通過吸收光能把水或氧氣轉化成強氧化活性基團,而強氧化活性基團使空氣污染物降解,所以必須直接接觸到水分子或氧分子。
    因而,在濃度因素中,決定光觸媒性能的是有效接觸濃度,即可以與水或空氣接觸的光觸媒濃度,而不是某一種產品的濃度。比如一塊二氧化鈦瓷磚,如果大量的二氧化鈦被封閉在瓷磚內部,就算濃度再高,又有什麼意義呢?
    在噴塗產品中,有效接觸濃度不僅與溶液中光觸媒濃度有關,而且與噴塗工具、噴塗手法等現場工藝有關。另外,與產品附着性也直接相關,如果幹燥後出現大量剝落,就算初始“濃度”再高,又有什麼意義?
    而且一般光催化反應都是多相光催化過程,反應過程都在界面發生。光催化反應效率由催化劑自身的量子效率和反應過程條件兩個方面決定。光催化材料表面的微觀結構也很重要,它直接影響了光催化反應的效率。好的光催化材料微觀表面應該是粗糙的、凹凸不平的(以原子力顯微鏡微觀結構照片爲準就像遍佈隕石坑的月球表面),這樣可以增加捕捉甲醛、VOC等有機物氣體分子的機率,產生納米界面材料的二元協同效應進而增強降解淨化能力。

    納米細度

    根據不同光觸媒材質不同而不同,一般認爲,納米細度大於50納米的光觸媒基本不具備光活性,30納米以下較佳。純淨光觸媒的納米細度可以做到5納米左右,但只能在紫外光條件下作用。螯合了活性催化元素的光觸媒一般分子直徑較大,因爲螯合元素越多,直徑自然越大,當然,螯合越多,光波吸收範圍也越寬,螯合型光觸媒產品的最佳納米細度爲8~10納米。
    一般情況下,在相同光波吸收範圍下,光觸媒納米細度越小,催化性能越強,但納米細度也不可能無限降低,一是細度越小,製作成本越高,性價比不高,二是光具有波粒二象性,當材料納米細度少於一定程度後,會降低粒子性光能的吸收率,三是細度越小,後期越容易團聚。故優質光觸媒一般納米細度均爲5~10納米。

    負氧離子

    光觸媒在進行光催化反應的時候,會產生超氧陰離子自由基(O2·),伴生負氧離子。
    但可以達到最佳的負氧離子釋放功效的光觸媒,必須是可吸收遠紅外光譜,只有這樣,白天、晚上及無光的櫥櫃裏,纔可全天候釋放負氧離子。
     

    6.主要功能

    光觸媒作爲新興的空氣淨化產品,越來越多的應用於車內的空氣淨化,如淨呼吸光觸媒等,主要有以下功能:
    空氣淨化
    對甲醛、苯、氨氣、二氧化硫、一氧化碳、氮氧化物等影響人類身體健康的有害有機物起到淨化作用。
    負氧離子
    釋放負氧離子,中科院理化技術研究所對國內某光觸媒進行檢測後發現,使用優質遠紅外光觸媒噴塗100平米建築面積的房間,相當於種了25棵白樺樹的淨化效果。
    殺菌
    對大腸桿菌、黃色葡萄球菌等具有殺菌功效。在殺菌的同時還能分解由細菌死體上釋放 出的有害複合物。
    除臭
    對香菸臭、廁所臭、垃圾臭、動物臭等具有除臭功效。
    防污
    防止油污、灰塵等產生。對浴室中的黴菌、水鏽、便器的黃鹼及鐵鏽和塗染面褪色等 現象同樣具有防止其產生的功效。
    淨化
    具有水污染的淨化及水中有機有害物質的淨化功能,且表面具有超親水性,有防霧、易洗、易乾的效能。
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