光催化去除PM2.5的研究进展

刘莹昕

摘要：近年来，光催化这个名词不断出现在生活周遭，并应用于各个层面，如空气清净、水质净化等，密切地影响着我们的生活，尤其对于我国日趋严重的PM2.5污染问题有着良好的作用效果，文章将就光催化的作用原理，对其去除PM2.5的应用研究进行相关分析和研究。

关键词：光催化；PM2.5；研究

1光催化原理

指能够加速光化学反应的催化剂，受到光线的照射，原子中的电子吸收了光子的能量后被激发，电子便会价带（Valence Band，VB）跃迁到导带（Conduction Band，CB），而价带处电子跃迁后留下带正电的电洞（Electron Hole，EH），形成光生电子电洞对，光生电子电洞对分别具有相当强的还原性及氧化性，使光触媒表面的物质进行氧化还原反应。常用的光触媒有氧化锌（Z_nO）、二氧化锡（S_nO₂）、硫化镉（C_dS）等，其中使用最为广泛的是T_iO₂（T_iO₂）。

气相中，光触媒的受光照产生的电子会与氧分子生成氧离子，电洞则与水分子生成氢氧自由基，此两者皆为不稳定物质，会将气相中的有机物降解成CO₂和水。经由光催化反应产生的自由基，具有强氧化性，能分解环境中的有机污染物，因此常常用于处理微生物难分解的污染物或者重金属。新兴污染物逐渐被重视，包含个人美容与保健用品、抗生素、止痛药及防晒用品等等，这类的物质进入环境中，难以被环境中的微生物以自然方式分解而持续存在于环境中，对人体与环境都会造成影响，因此，光触媒的强氧化性及材料特性使得其应用层面相当广泛。

2光触媒的应用

2.1清净水质

在光触媒在生活中于水质处理的应用包含滤水器、饮用水净化装置、染料脱色处理系统，利用光触媒照光后产生的光生电子电洞对水中污染物、重金属进行氧化还原反应，使污染物转变为对人类危害较小的物质。

2.2洁净空气

氨、H₂S、甲基硫醇、乙醛等是我们生活环境中的主要恶臭物质，会使人们闻到臭味与不适。光触媒经过紫外光照射后产生自由基可以用来将空气中的有机污染物分解成CO₂与水。其他如汽车排放的氮化物、SO₂等废气亦可直接用光触媒去除。

2.3抗菌

以光照射T_iO₂能够产生氧化力强的自由基，能够将细菌细胞中的酵素分解，抑制细菌的生长，常应用于卫浴瓷砖、刀具、刀板及建筑材料上，可以产生防霉、抗菌的功效，降低细菌传染率。

2.4防污清洁

T_iO₂光触媒具有相当特殊的超亲水性质，所以水分很容易附着在T_iO₂表面上，若将T_iO₂薄膜镀在玻璃、墙壁等材质表面，在照射紫外光之后，不但可以把周遭环境中的污染物质分解，且因表面不易被油污附着，使得表面污垢更容易去除。多应用于居家砖墙、外墙磁砖、窗户等。

3 PM2.5的危害

我们居住的环境中，除了自然界的粉尘，或是沙漠化的沙尘暴外，更有许多因汽机车产生的废气，以及工厂排出的废气，其中以氮化物及硫化物是空气污染的指标，因为氮氧化物或硫化物在空气中可生成毒性更大的硝酸或硝酸盐形成酸雨，严重危害人体健康。空气中浮游粉尘浓度对人体会有较大影响，对人体有害的粒径约在0.3～10 pm之间。而小于2.5 μm粒径的粒子，其伤害最大，它可穿透肺泡直达血液，这也是目前为人所知的PM2.5。根据美国NASA官网指出，PM2.5空气污染引发美国每年有6万人因其影响造成死亡，目前中国也深受PM2.5污染影响。而最好的淡化或分解其有害气体的方式是森林的覆盖，除此外以经济成本来说，进行光催化技术去除PM2.5的相关研究是最行之有效的办法。

4光催化去除PM2.5的技术研究

根据有关试验数据表明，涂装1 000 m的光触媒，相当于5 000 m的绿色植物，室内种植景观盆栽可以改善部分的空气质量，若在室内也使用光触媒素材，使用适当的采光设计，除了可对抗PM2.5对人体的危害之外，还可分解因装潢产生的甲醛及甲苯有害气体。

透过光催化材料，高效分解PM2.5悬浮颗粒过高的空气污染，以及挥发性有害氣体，也可消除车辆排放物中25%～45%的氮氧化物。空气是生活中每个人都需要的，如今的空气质量越来越糟糕，各种污染元素弥漫，纳米光触媒技术既无二次污染，又不会产生有害物质，是目前世界上最先进安全有效的空气净化技术，也能还给大家绿色的生活空间。

4.1生活环境改善

用于船底涂料的有机锡化合物、DDT和BHC农药、使用于建材的溶系剂和接着剂，包含在排气中的致癌物质，这些各式各样的化学物质成为分泌影响着人们生活环境的质量，作用于人，体而引起过敏症或先天皮肤炎，化学物质过敏症，利用光催化可有效改善这种现象。

通过处理工业排放物，即挥发性有机化合物（Volatile Organic Compounds，VOC）、硫氧化合物（SO_x）和氮氧化物（NO₂）的模块化设计系统的设计，利用大气化学以及先进的大气氧化技术可从工业排放物中清除空气污染物。其工作原理是在封闭反应器系统中利用地球大气的自然自净特性。

气候变化给全世界带来了严峻的挑战。随着温室气体排放量增加、海平面上升，全球平均温度也随之上升，严峻的气候模式加剧。这些变化，再加上其他全球动态（包括城市化加剧、富裕人口增加、经济大幅增长）的影响，会对家园、土地和基础设施造成破坏。光催化技术支持处理影响空气污染行业周围社区的环境问题，也是目前研究去除PM2.5的主要方向。

4.2节约能源

在工业发展中，处理废气或污染的土地需要大量能源，更间接造成温室效应，因此，除了在提升太阳能、风力的使用效能上，我们使用光线透光光触媒来分解有害物质，也不需要添购其他机器装备，可以说是非常经济且环保的做法。

4.3光催化外墙净霾自洁涂料

光催化外墙净霾自洁涂料是一种₂水溶性溶胶涂料。将该涂料在常温下涂覆于所需防护的基材表面，可形成一层坚固耐用的纳米T_iO₂光催化保护薄膜，在太阳光照射下，产生良好的光催化分解有机物、抗菌和超亲水特性。具体技术原理如图1所示。

光催化外墙净霾自洁（罩面）涂料可应用于在建筑外墙、幕墙、桥梁、巨幅广告牌品等户外大型工程应用领域，使建筑物长期保持整洁、干净和崭新的外观、降低清洁维护费用。

该涂料主要涂覆于建筑物外表面，无毒副作用、耐磨性高、附着力强、耐酸雨侵蚀。在太阳光下具有光催化降解有机污物、净化空气、抗菌、抗老化等环保功能，其光诱导亲水性达到自清洁目的。由于光催化涂层的光致亲水性，上述两种反应后吸附在光催化涂层表面的产物可被雨水冲刷干净，可重新裸露催化剂的活性中心，从而保持光催化剂的长效性。

4.4光催化炭系统

比如德国的INFUSER公司提供的专利光催化炭解决方案带来了新型的最先进污染控制系统，可降低多达80%的炭成本，同时还能提高性能。该系统将高级氧化技术与传统的炭过滤器结合，大多数污染负荷在正常运行条件下，在其到达炭过滤器前可降低高达95%。INFUSER的高级氧化技术无有害残留，可减少更换炭的需求，使其他维护任务减到最少。INFUSER的光催化炭解决方案可与已安装的炭过滤器结合，或者与新型炭过滤器模块一起供应。该系统可提供简单的监控系统，可根据污染负荷调整电力和能源消耗。该功能适合峰值排放量变化不定的制造商。

大气由不同含量的多种不同气体混合而成，这些气体均具备维持生命的不同作用。百分含量常年不会改变的永久性气体为氮气、氧气和氩气。空气中氮气占78%、氧气占21%、氩气占0.9%。像CO₂、氮氧化物、甲烷和臭氧一樣的气体属于重要的氧化剂，约占到空气的千分之一。这些大气层气体和阳光之间的反应促进了很多日夜发生在大气中的化学过程。从根本上来说，正是这些化学反应清洁了我们呼吸的空气和饮用的水。问题性污染物只有在人类活动产生的异常高浓度气体（大多数来自汽油、柴油等化石燃料的不完全燃烧）进入大气以及大气的自净能力无法持续时才会出现。在重要的大气气体之外，臭氧是最易管理的氧化剂，可人工生成和产生，该物质非常有效，由常态氧气即可生成。臭氧可有效地利用化学方法除去大气中的污染物，该物质也可在高浓度下应用，以便在污染气体逸出至空气，构成环境公害之前，在源头位置解决异常高浓度的污染物。

INFUSER解决气体生成问题的技术，即氧气和臭氧发生器，可清除碳氢化合物并且加速发生在空气中的自然自净过程。NFUSER臭氧和气体发生器的目标通常是利用比常规方法更小的空间来生成氧气和臭氧，这样方便设备移动和安装，占用最小的空间，但是又能确保最佳输出量。

4.5智能监控系统按需进行空气净化

SMART-AIR是一种安装在CLIMATIC上的智能型自动化附加装置，可监控空气污染物以及CLIMATIC进行清洁的需要，如图2所示。CLIMATIC可创造一种半封闭环境，将清洁空气保持在建筑内，同时将污染环境空气阻挡在外。换句话说，SMART-AIR按需进行清洁。

SMART-AIR装配了传感器来记录环境空气污染负荷。城市和都市中心的污染负荷峰值出现在一天中的不同时刻，通常会随季节变化。该系统具有多项优势：CLIMATIC的清洁模式可设置用于反应特定位置的污染特征；若CLIMATIC感应到污染等级低，则可关闭清洁功能，直到污染等级再次上升。这可节约能源并且延长CLIMATIC内耗材的使用寿命；建筑内的CO₂水平由其中人员数量和所开展的活动决定。周围空气仅在室内CO₂超过阈值时供应至通风系统，因此CLIMATIC可进一步节约能源。

5结语

光催化技术在各项空气治理技术中，由于安全性最高、不需要化学辅助剂及对环境不会造成二次污染而逐渐受到青睐和重视。目前虽然取得了一定的研究成果，但光催化对于PM2.5污染的改善技术应用还未进入完全成熟的阶段，还需要研究人员进一步的研究和探索。