隨著近二十年中國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)高速增長(zhǎng)，煤炭為主的能源結(jié)構(gòu)排放的巨量大氣污染物使得我國(guó)城市室外空氣污染指數(shù)高居不下，室內(nèi)裝修材料的普遍使用也導(dǎo)致室內(nèi)有害氣體大幅度超標(biāo)，已嚴(yán)重危害人類健康。光催化氧化作為一種高級(jí)氧化技術(shù)，近年來(lái)在難降解污染物的處理方面得到了廣泛的研究?？茖W(xué)家們研究中發(fā)現(xiàn)，TiO2 半導(dǎo)體光催化能夠降解幾乎所有的有機(jī)物，生成CO2 或易被生物降解的小分子，且光催化劑穩(wěn)定性較高。而如何將光催化技術(shù)廣泛應(yīng)用于日常生活中，如何選擇最佳光催化效果產(chǎn)品，保障人類健康遠(yuǎn)離危害，就成為了我們目前急需解決的實(shí)際問(wèn)題。

　　一、 空氣污染嚴(yán)重危害人類健康

　　室外空氣污染形勢(shì)嚴(yán)峻，主要包括工業(yè)企業(yè)廢氣排放、汽車尾氣排放、土壤灰塵等。據(jù)有關(guān)部門數(shù)據(jù)顯示，由于中國(guó)以煤炭為主的能源結(jié)構(gòu)(60～70%)，燃煤產(chǎn)生了90% 的SO2、85% 的CO2、67%的NOX和煙塵等大氣污染物，降低大氣可見度并造成酸性嚴(yán)重沉積，引發(fā)支氣管炎和哮喘等呼吸道疾病，嚴(yán)重危害了人類健康。

　　室內(nèi)空氣污染嚴(yán)重危害人類健康，人的一生超過(guò)90%的時(shí)間是在室內(nèi)度過(guò)，在我們每天生活、工作的室內(nèi)空氣環(huán)境中普遍存在粉塵、煙霧、有害氣體、病菌病毒、異味臭味等各種污染物，由于室內(nèi)空間相對(duì)密閉，空氣不流通，污染物漂浮在其中。室內(nèi)空氣污染物主要分為可吸入顆粒物、生物活性粒子污染物和氣態(tài)化學(xué)污染物3類。

　　室內(nèi)空氣污染物之一的有害氣體VOCs，主要包括甲醛(來(lái)源于室內(nèi)裝飾材料及家具中的板材,如人造板、夾心板等)；苯、甲苯、二甲苯(來(lái)源于油漆、膠水、涂料等)；氨氣(如施工添加的防凍劑含有氨)；氡(來(lái)源于水泥、石材、地磚等)。

　　美國(guó)環(huán)境署(EPA)對(duì)VOC的定義是：除了二氧化碳，碳酸，金屬碳化物，碳酸鹽以及碳酸銨等一些參與大氣中光化學(xué)反應(yīng)之外的揮發(fā)含碳化合物。VOC的主要來(lái)源在室外，主要來(lái)自燃料燃燒和交通運(yùn)輸：而在室內(nèi)則主要來(lái)自燃煤和天然氣等燃燒產(chǎn)物、吸煙、采暖和烹調(diào)等的煙霧，建筑和裝飾材料，家具，家用電器，清潔劑和人體本身的排放等。有近千種之多。在室內(nèi)裝飾過(guò)程中，VOC主要來(lái)自油漆，涂料和膠粘劑。

　　室內(nèi)VOC濃度通常在0.2～2mg/m3之間，當(dāng)室內(nèi)VOC濃度在0.16～0.3mg/m3時(shí)，對(duì)人體健康基本無(wú)害，而在不當(dāng)裝修施工中，甚至可高出數(shù)十倍。由于VOC本身具有著極大的危害性，已經(jīng)被社會(huì)喻為人類的“隱形殺手”。

　　VOCs常見降解方法：吸附法、熱催化燃燒(250-500 ℃)、紫外光降解(UV/O3)。

　　0.1wt% Pt/TiO2催化劑上光催化與熱催化氧化 氯乙烯的降解：光催化氧化不同于一般

　　三氯乙烯(500 ppm)效果比較；結(jié)果表明低于的光分解反應(yīng)。在催化劑的作用下，其120℃時(shí)，光催化表現(xiàn)出明顯的催化氧化活性。 活性遠(yuǎn)高于后者。

　　“不良建筑物綜合癥”是危害人類健康的10大殺手之一。世界上30%的建筑物存在有害的室內(nèi)空氣，35.7%的呼吸道疾病，22%的慢性肺病，18%的氣管炎 支氣管炎和肺癌與室內(nèi)空氣污染相關(guān)。

　　由此可見，室內(nèi)外空氣污染嚴(yán)重危害人類健康的客觀現(xiàn)實(shí)情況，已經(jīng)成為我們應(yīng)當(dāng)予以考量的重大的、急迫的問(wèn)題。

　　二、光催化理論發(fā)展與應(yīng)用

　　通說(shuō)認(rèn)為，光催化(光觸媒)，即為“以光為催化劑，在吸收光的能量后，能夠發(fā)揮觸媒特性的物質(zhì)”。亞洲以日本、韓國(guó)、臺(tái)灣為代表的學(xué)術(shù)界及產(chǎn)業(yè)界也稱之為“光觸媒”。雖然早在1930年便有以氧化鋅(ZnO)為反應(yīng)素材的光觸媒被記載于文獻(xiàn) ，但自1972年日本多相光催化研究學(xué)者，藤島昭和本多健一在n-型半導(dǎo)體二氧化鈦(TiO2)電極上發(fā)現(xiàn)了水的光電催化分解作用特性以來(lái)，制作光催化都采用半導(dǎo)體二氧化鈦為反應(yīng)材料。現(xiàn)在學(xué)術(shù)上對(duì)光催化的定義為：“以二氧化鈦為反應(yīng)材所制成的一種半導(dǎo)體應(yīng)用材料。”

　　我們認(rèn)為，TiO2 光催化劑表面在紫外燈照射下產(chǎn)生氧化性極強(qiáng)的氫氧自由基，能分解空氣中的有機(jī)物，破壞細(xì)胞膜，氧化細(xì)胞核，使病毒細(xì)菌喪失活性。

　　TiO2二氧化鈦的能隙(即令電子發(fā)生躍遷所需的能量，換言之就是激活光觸媒的能量)為3.2eV，通過(guò)換算可知，只有波長(zhǎng)小于388nm的光能才可以激活二氧化鈦，而這部分波長(zhǎng)的光正好是紫外線。

　　光催化的氧化還原反應(yīng)：TiO2 光催化劑一經(jīng)光照，原料中二氧化鈦的電子便會(huì)從價(jià)電帶躍遷至導(dǎo)電帶，在光觸媒表面形成電子(e-)電子空穴(h+)對(duì)，帶負(fù)電的電子與氧結(jié)合產(chǎn)生負(fù)氧離子(O2- )，帶正電的電子空穴與水結(jié)合產(chǎn)氫氧自由基(.OH)，這兩者在化學(xué)上都是極不穩(wěn)定的物質(zhì)，當(dāng)有機(jī)物質(zhì)(碳?xì)浠衔?接觸到光觸媒表面時(shí)，便會(huì)分別和負(fù)氧離子及氫氧自由基結(jié)合，重新組合成二氧化碳(CO2)和水(H2O)。 這一連串的反應(yīng)，學(xué)理上稱為“氧化還原反應(yīng)”。

        透過(guò)氧化還原反應(yīng)，當(dāng)將光催化應(yīng)用在生活、工作空間中時(shí)，便能有效分解氣味分子和細(xì)菌、病毒等微生物，達(dá)到潔凈室內(nèi)環(huán)境、創(chuàng)造清新空氣的效果，因此近十年來(lái)在日本，光催化已被廣泛應(yīng)用于居家環(huán)境和醫(yī)療院所中，此外經(jīng)光觸媒加工的各類產(chǎn)品也成為醫(yī)療院所的最新選擇。

　　概言之，光催化氧化分解有害氣體VOCs操作條件溫和，是一種易于實(shí)用化的污染物降解技術(shù)，可殺滅大腸桿菌、綠膿桿菌、金黃葡萄球菌、霉球菌、空氣中的浮游細(xì)菌等。因此可以將各種有害化學(xué)物質(zhì)、惡臭物質(zhì)分解或無(wú)害化處理，達(dá)到凈化空氣、抗污除臭的作用。 最終產(chǎn)物為二氧化碳、水等無(wú)害物質(zhì)。在反應(yīng)過(guò)程中，光觸媒本身不會(huì)發(fā)生變化和損耗，在光的照射下可以持續(xù)不斷的凈化污染物，具有時(shí)間持久、持續(xù)作用的優(yōu)點(diǎn)。

　　三、光催化反應(yīng)因素

　　光催化反應(yīng)影響因素中，除催化劑特性已普遍被人們所關(guān)注、研究之外，光源、有機(jī)物濃度、pH值、反應(yīng)溫度皆有關(guān)聯(lián)，其中UV光源的選擇極為重要。

　　其中，催化劑特性因素包含粒徑、比表面積、表面羥基、結(jié)晶度(混晶)、吸光度(光譜響應(yīng)范圍)等；光源因素包含黑光燈(250～320nm)、高壓汞燈(365nm)、碘鎢燈(可見區(qū))、氙燈(可見區(qū))等；有機(jī)物濃度因素中的高濃度下，由于有機(jī)物對(duì)紫外光也有一定程度的吸收，反而會(huì)抑制光催化氧化的速度；反應(yīng)溫度因素中光催化反應(yīng)是光化學(xué)過(guò)程和熱化學(xué)過(guò)程的結(jié)合，因此熱化學(xué)過(guò)程會(huì)影響光催化速度。

　　通常，將半導(dǎo)體TiO2和配合物Ru(bpy)2+3被稱為光催化劑。習(xí)慣上，常把包括金屬配合物在內(nèi)的均相光催化體系視為廣義的，而把僅以半導(dǎo)體作為光催化劑的多相體系視為狹義的。光催化反應(yīng)通常都是由若干個(gè)基元反應(yīng)組合而成，最為人們熟知的有自然界的光合作用：CO2 + H2O → (CH2O) + O2。綠色植物通過(guò)葉綠素吸收陽(yáng)光，由CO2和H2O光合成碳水化合物及其他化合物，同時(shí)向大氣中放出O2，這是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的光催化過(guò)程。整個(gè)過(guò)程能在有光和無(wú)光情況下進(jìn)行，故可將它分成光反應(yīng)和暗反應(yīng)。光反應(yīng)是形成“活化”物種的過(guò)程，暗反應(yīng)是由活化物種將CO2還原的過(guò)程。

　　有部分學(xué)說(shuō)認(rèn)為，影響TiO2光催化活性的主要是TiO2晶體結(jié)構(gòu)、TiO2表面結(jié)構(gòu)、催化劑顆粒直徑、pH值、反應(yīng)溫度因素，光源、光強(qiáng)僅是一般因素。我們認(rèn)為，這是一種片面的認(rèn)識(shí)。第一，分析TiO2晶體結(jié)構(gòu)因素，高活性的銳鈦礦，具有較高的禁帶寬度使其電子空穴對(duì)具有更正或更負(fù)的電位，因而具有較高的氧化能力，決定發(fā)生的光催化過(guò)程強(qiáng)弱；第二，分析TiO2表面結(jié)構(gòu)因素，充分接受光照的表面積、對(duì)光子的吸收能力、對(duì)光生電子和空穴捕獲并使其有效分離的能力、電荷在表面向底物轉(zhuǎn)移的能力，決定催化劑表面發(fā)生的光催化過(guò)程強(qiáng)弱；第三，分析催化劑顆粒直徑因素，催化劑粒子的粒徑越小，單位質(zhì)量的粒子數(shù)越多，比表面積越大，這樣產(chǎn)生兩種效應(yīng)：①半導(dǎo)體禁帶明顯變寬，電子-空穴對(duì)的氧化還原能力增強(qiáng)。②半導(dǎo)體電荷遷移速率增加，電子與空穴的復(fù)合幾率降低。對(duì)外表現(xiàn)為催化活性越高。從上述分析中，我們不難發(fā)現(xiàn)所有因素都需要最為重要的反應(yīng)條件：TiO2吸收光能并轉(zhuǎn)化為電化學(xué)能產(chǎn)生氧化還原反應(yīng)。在其它反應(yīng)因素恒定條件下，依據(jù)能量守恒定律，光催化氧化還原反應(yīng)強(qiáng)弱，與UV光源傳遞的光能強(qiáng)弱成正比例關(guān)系。

　　我們認(rèn)為，無(wú)論是自然界中的CO2還原反應(yīng)還是人工的水還原(產(chǎn)H2)和氧化(產(chǎn)O2)反應(yīng)，都是通過(guò)多電子途徑發(fā)生的。在其它光催化反應(yīng)因素恒定條件下，UV光源輻照強(qiáng)度決定光催化反應(yīng)效能。輻照強(qiáng)度愈大，傳遞光能愈大，光催化效果愈佳。

　　四、高輻照度UV光源選擇

　　一般而言，UV光源分兩種：熱陰極低壓水銀弧光放電燈和冷陰極低壓水銀輝光放電燈。燈管采用玻璃吹制成為真空放電管，與常見的日光燈、節(jié)能燈燈管所采用的普通玻璃不同，參照GB標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的產(chǎn)品通常采用高純度石英玻璃材料。

　　1. 紫外線的分類

　　名稱紫外區(qū)可見光區(qū)紅外區(qū)

　　超紫外遠(yuǎn)紫外中紫外近紫外紫光等近紅外區(qū)中紅外區(qū)遠(yuǎn)紅外區(qū)

　　波普劃分真空紫外

　　10~200nmC波段

　　200~275nmB波段

　　275~320nmA波段

　　320~400nm380~780780~14001400~30003000~1000000

　　生物效應(yīng)生成臭氧滅菌紅斑效應(yīng)黑斑效應(yīng)

　　根據(jù)生物效應(yīng)的不同，將紫外線按照波長(zhǎng)劃分為四個(gè)波段：①UVA波段，波長(zhǎng)320～400nm，又稱為長(zhǎng)波黑斑效應(yīng)紫外線 。它有很強(qiáng)的穿透力，可以穿透大部分透明的玻璃以及塑料；②UVB波段，波長(zhǎng)275～320nm，又稱為中波紅斑效應(yīng)紫外線，中等穿透力，它的波長(zhǎng)較短的部分會(huì)被透明玻璃吸收；③UVC波段，波長(zhǎng)100～275nm，又稱為短波滅菌紫外線；④UVD波段，波長(zhǎng)小于200nm，又稱為真空紫外線。

　　光催化通常采用365 nm UVA波段紫外線作電化學(xué)為氧化還原反應(yīng)光源。

　　2. UV光源燈管材料品質(zhì)差異

　　普通玻璃與石英玻璃紫外線透光率差異。就玻璃成分而言，有鈉鈣玻璃、石英玻璃、硼硅酸接耐熱玻璃、硼硅酸玻璃以及非堿性玻璃(Non-alkali glass)等。玻璃產(chǎn)品中，除石英玻璃外，幾乎所有的普通na硅玻璃都可以過(guò)濾或吸收大部分紫外線(200～360nm)，但可以透過(guò)可見光(360～1000nm)；石英玻璃可以完全透過(guò)紫外光和可見光(200～1000nm)。

　　一般UV光源燈管都采用石英玻璃制作，因?yàn)槭⒉Ａ?duì)紫外線各波段都有很高的透過(guò)率，達(dá)80%～90%，是做UV光源的最佳材料。

　　也有較多產(chǎn)品采用成本很低、紫外線穿透率<50%的高硼砂玻璃管代替石英玻璃，但它在性能上遠(yuǎn)比不上石英UV管。高硼類燈管的紫外光強(qiáng)度很容易衰減，點(diǎn)燈數(shù)百小時(shí)后紫外線強(qiáng)度就大幅下降到初始時(shí)的50%～70%；而石英類燈管在點(diǎn)燃2000～3000小時(shí)后，紫外線強(qiáng)度只減到初始時(shí)的80%～70%，光衰程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于高硼類燈管。

　　3. 熱陰極紫外燈與冷陰極紫外燈差異

　　熱陰極紫外燈具有以下特點(diǎn)：陰極位降小(10V左右)、大電流(80mA～2000mA)、紫外輻射強(qiáng)度通常是冷陰極的5～10倍、壽命4000小時(shí)左右；冷陰極紫外燈則具有陰極位降大(幾十伏～幾百伏高電壓)、小電流(2mA～100mA)、紫外輻射強(qiáng)度小、壽命高達(dá)20000小時(shí)。

　　4. UV光源燈存在的問(wèn)題

　?、僖愿吲鹕安ＡЧ芴鎿Q高純石英玻璃管。因石英玻璃燈工藝特殊、制造困難、價(jià)格較高，使得殺菌燈的生產(chǎn)不能規(guī)?；斐墒⒕鸁舻某杀据^高；②光衰較大、壽命不長(zhǎng)一般僅3000～4000小時(shí)左右。一般廠家生產(chǎn)的紫外線殺菌燈點(diǎn)燃數(shù)百小時(shí)后，它的紫外光強(qiáng)度衰減很快，最高達(dá)到30%。

　　5. 采用GB19258-2003《紫外線殺菌燈》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)制作的UV燈特征

　　①采用高純度石英玻璃管，羥基含量&le;8ppm；主要雜質(zhì)含量之和&le;50ppm；紫外線透過(guò)率&ge;90%

        ①熱陰極平均壽命&ge;8000小時(shí)，冷陰極平均壽命&ge;12000小時(shí)；

　　目前，廣州約克，廣東美的，深圳康鴻，廈門萬(wàn)利達(dá)，卡舒等國(guó)內(nèi)外著名廠商選用了雪萊特UV燈管作為光催化光源。

　　綜上所述，我們認(rèn)為，光催化氧化技術(shù)可以在空氣氣氛中實(shí)現(xiàn)大部分有機(jī)污染物的降解，光催化作為一種自然現(xiàn)象， 已在電化學(xué)、光化學(xué)、催化化學(xué)、生物化學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域內(nèi)有過(guò)廣泛的應(yīng)用。但是具有類似雪萊特高穩(wěn)定輻照度特性的UV燈是構(gòu)成光催化的重要因素之一，而選擇不同品質(zhì)UV光源對(duì)光催化效能具有較大影響。

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　　作者簡(jiǎn)介：黃愛軍(1971- )，男，漢族，湖南長(zhǎng)沙人，廣東雪萊特光電科技股份有限公司紫外線事業(yè)部。