光触媒技术在轨道交通车辆车厢内空气治理中的应用

（南车洛阳机车有限公司，471002，洛阳∥高级工程师）

光触媒技术在轨道交通车辆车厢内空气治理中的应用

袁其刚

（南车洛阳机车有限公司，471002，洛阳∥高级工程师）

分析了轨道交通车辆车厢内空气污染的产生原因，介绍了光触媒处理有害化学物质、细菌和病毒的机理，以及治理污染的手段。对应用光触媒技术治理轨道交通车厢内空气污染的效果进行了实车在线测试，结果表明，光触媒能有效降低车厢内甲醛和PM 2.5的含量，光触媒处理的车厢细菌数明显减少。

光触媒技术；轨道交通车辆；空气污染治理

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轨道交通车辆作为人群流动的载体，不仅承担着繁重的运输任务，同时负担着公共安全的重要责任。轨道交通车辆是一种特殊的交通工具，其强制通风不足、缺少紫外线照射、相对封闭的空间等条件，均不利于空气污染物的清除，在人员密集的情况下，极易造成对人体健康的隐患。故必须加强对车厢污染的治理。

1 轨道交通车辆污染物的种类和成因

（1）挥发性有机物（VOC）：VOC是车厢空气的主要污染物之一，主要包括苯、甲醛、丙酮等有害物质。VOC的浓度过高会直接刺激人的嗅觉和其它器官，使人出现头痛、乏力等症状，长期吸入更会导致癌症。轨道交通车辆为保证车体气密性、保温性及隔音减振等要求，选用了诸多装饰材料、保温材料，以及各种黏胶、工程塑材等，这些是挥发性有机物的成因。新车车厢内的有毒气体会挥发很长时间。夏日阳光的暴晒也会激发各种有机物挥发，造成车内空气的严重污染。同时，VOC也是PM 2.5的主要成分。在日本，PM 2.5成分中40%是来自汽车尾气排放的有机物；在北京，60%的PM 2.5成分来自燃煤、机动车尾气及工业使用燃料。来自运营线路沿线的这些有机物也是车内空气污染的来源。

（2）细菌和病毒：车厢内空气中细菌的来源很多，必须选定一个指标来反映空气微生物的污染情况。室内空气细菌学的评价指标技术一般多采用细菌总数。在上海轨道交通1号线所做的细菌检测中，75%的测试点细菌总数超标，最高超标达3.5倍以上。随着2003年北京SARS病毒以及后来的禽流感病毒爆发，在流感多发季节，病毒对密集人群的侵袭越来越受到国家和相关部门的关切。

（3）灰尘：各种原因产生，有轨道交通车辆运行过程中从通风系统中吸入的，有人群带入的，也有车辆自身产生的。由于空调和通风系统的自动过滤功能，灰尘产生的污染相对容易清除。

（4）其他：诸如二氧化碳、二氧化硫等，由于含量很小，正常情况下不是车厢污染的主要原因。

2 现有治理空气污染的方式比较

目前，治理室内空气污染主要采用滤网式、静电集尘式、臭氧和负氧离子等空气净化器，以及光触媒等技术，其性能比较见表1。

表1 各种空气净化器及技术的性能对比

3 光触媒的工作原理

光触媒是一种以二氧化钛为主要成分的具有光催化功能的半导体材料。依据能带理论为基础的电子理论，半导体的基本能带结构由一系列的满带（最上面的满带称为价带）和一系列的空带（最下面的空带称为导带），以及价带和导带之间的禁带组成。当能量等于或者大于禁带宽度的光照射时，半导体价带上的电子就会被激发跃迁到导带，此时在价带便产生了空穴，于是半导体内部就产生了电子（e-）和空穴（h+）对。半导体能带具有不连续性，电子和空穴的寿命很长，在电场的作用下，电子与空穴发生分离，迁移到粒子表面的不同位置，与吸附在半导体催化剂粒子表面上的物质发生氧化或者还原反应。

光触媒分解有害化学物质的原理如图1所示。光触媒对有机物的处理机理为：光触媒膜层受到太阳光或紫外线光谱的照射后，光触媒基体的二氧化钛会生成电穴和游离电子，实现离子化；这些电穴和游离电子跟空气中的水和氧气发生反应，生成具有超氧阴离子自由基和氢氧自由基，具有强氧化性；超氧阴离子自由基和氢氧自由基将自然环境中的有机化合物（有害物质）进行分解，形成水、二氧化碳及无机物。

光触媒对细菌的处理机理为：光激发二氧化钛后，首先破坏细胞壁和细胞膜，随后与细胞内的组成部分发生生化反应，导致功能元失活而使细胞死亡；光激发二氧化钛与细胞发生间接反应，即光生电子或光生空穴与水或者水中的溶解氧反应，形成氢氧自由基等活性氧类。活性羟基、超氧离子、过羟基和双氧水都可以与生物大分子如脂类、蛋白质、酶类以及核酸大分子反应，直接损害或者通过一系列氧化链式反应对生活细胞结构引起广泛的损伤性破坏。国外实验证明，光触媒不仅对破坏细菌结构有效，而且对破坏病毒如流感病毒、萨斯病毒、禽流感病毒（含H1N1，H5N7）等结构也非常有效。

图1 光触媒分解有害化学物质的原理

光触媒主要成分二氧化钛的催化作用取决于很多条件，如矿相、粒径大小、溶液酸碱度、吸收光波长等。在其他条件不变的情况下，二氧化钛的粒子越小，即其表面积越大，光吸收效率越高，越有利于催化活性和反应物的吸附，增大反应概率。因此，纳米量级的二氧化钛是最佳的光触媒形态。新旧光触媒技术的对比见表2。

4 实车在线测试

2012年6月，在某铁路局的的配合下，对光触媒技术改善车厢内环境的效果进行了实车测试。

表2 新旧光触媒对比

4.1 光触媒施工

车厢内光触媒施工的设备摆放见图2和图3。

图2 车厢内光触媒设备摆放横向图

图3 车厢内光触媒设备摆放纵向图

光触媒施工的步骤为：

（1）关闭车厢车门，形成完全密闭的空间；

（2）打开喷雾机开关，喷雾5 min后确认导管始终接触容器底部；

（3）施工人员撤离车厢；

（4）喷雾45 min后分别检查2台喷雾容器的光钛量，补足原液，直至所有原液消耗完毕；

（5）继续让喷雾器工作，以使光钛微粒继续在车厢内有效地循环，充分地完成覆膜涂层；

（6）继续保持车厢密闭状态，时间为2 h，其间不得打开车厢车门和各种通风口。

4.2 光触媒施工效果测试

2013年3月，对相邻两节车厢（一节做过光触媒处理，另一节没有经过光触媒处理）进行测试。在9个月的运营中，这两节车厢的运营环境高度一致。

（1）测试前，车厢门窗全封闭12 h。

（2）分别进行两节车厢内空气的甲醛（代表VOC）含量测试、可吸入颗粒物PM 2.5（代表有机物）测试，以及抗菌测试。

（3）测试标准为GB/T 17095-1997《中国室内空气质量标准》。该标准规定，甲醛不得超过0.1 mg/m3；PM 2.5不得超过0.15 mg/m3。

（4）测试仪器见表3。

表3 测试仪器

4.2.1 甲醛测试

测试点见图4，测点高度为0.52 m。测试结果见表4。

图4 车厢内甲醛测试点

表4 甲醛测试结果

测试结论为：光触媒产品将车厢内甲醛含量从超标25%降低到国家标准数值的1/4，车厢内甲醛含量降低了80%。

4.2.2 PM 2.5测试

测试点为过道处，高度为1.1 m（见图5）。测试结果如表5所示。

图5 PM 2.5测试点

表5 PM 2.5测试结果

测试结论为：光触媒产品将车厢内PM 2.5含量降低了近85%，车厢内PM 2.5含量从超标2.4倍降低到国家标准数值的1/3。

4.2.3 抗菌测试

测试点为窗户上方侧墙，高度为1.4 m（见图6）。在60 mm×80 mm的面积内涂抹细菌（酸奶），60 s后测试。测试结果见表6。

图6 抗菌测试点

表6 抗菌测试结果

测试结论为：60 s内，光触媒处理的车厢细菌数明显减少，光触媒处理车厢的杀菌数是未进行光触媒处理车厢的3倍。

5 结 语

光触媒是目前国际领先的室内空气污染处理手段，将其应用于轨道交通车辆车厢的空气环境污染治理是一个有益的尝试。希望通过这个尝试，让乘客更安全更舒适地乘坐轨道交通。

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［8］ 赵刚.光触媒技术应用于铁路客车空气净化的可行性研究［J］.铁道车辆，2012，50（4）：30.

Application of Photocatalytic Technology for Air Cleaning in Rail Transit Vehicles

Yuan Qigang

Volatile organic compounds（VOC）and virus are the major pollutants inside rail transit vehicles，which significantly reduce air quality and influencepassengers' health.The technical and economic feasibility of the photocatalytic technology has been demonstrated for air quality control in rail transit vehicles.In this article，the new photocatalytic technology is introduced.In a practical case，the formaldehyde，PH 2.5 content and the number of bacteria are obviously reducedby adopting this method.

photocatalytic technology；rail transit vehicle；pollutant disposal

U 270.38+3；TU 834.8

2013-05-08）