光催化技术在工业通风领域的研究发展

(1.中国建筑第二工程局有限公司 河南 郑州 450000；2.郑州金融岛建设发展集团有限公司 河南 郑州 450000)

前言

工业通风技术几千年以前在我国已有应用，孙平仲在《孔氏谈苑》中详细记载了在铜矿的开采过程中如何利用通风技术达到有效排除有害气体的方法；宋应星在《天工开物》中详细论述了古代劳动人民在煤矿等竖井工作中通过采取大竹筒排出瓦斯等有毒有害气体的方法进行自身防护。现代工业中，人们对工业作业环境提出了更为严格的要求，世界各国均制定了严格的作业场所的卫生标准和排放标准，有效的防止了粉尘等有毒有害物质的传播。愈加严格的标准及规范的制定，促进了工业通风技术的迅速发展，涌现了多种新型通风技术。

工业生产过程中不可避免的会产生多种类的有害物质，其中影响大气品质的主要有以下几种：温室气体、粉尘、余热余湿、有毒有害气体、蒸汽等。通风技术根据房间通风的范围可以分为：局部通风(在污染区域直接捕集后净化处理)和全面通风(对整个大空间进行整体通风换气、净化处理)；根据通风的动力不同可以分为：机械通风(不受室外气象条件改变的影响)和自然通风(适用于会产生大量余热余湿的车间，能够达到巨大的通风换气量)。

一、国内外发展动态和研究现状分析

(一)工业通风技术在职业病防护上的应用

随着我国国民经济的高速发展以及人民生活水平的不断提高，在各种新型材料、先进技术、崭新工艺不断出现的今天，新型的职业病和新型的职业危害风险也是层出迭见，给防治工作带来很大的挑战，现如今防治工作面临重大的结构调整。近年来，我国政府监管部门通过不断加强行政执法力度以及加大相关知识法规的宣传，使从事工业生产的劳动者和经营者逐渐认识到了职业病的危害，从而越发重视自身的安全与防护，维护自身的权益。

然而，由于我国的生产装备和工艺技术仍处于一个较低的水平，由于受到现有科技水平的局限，职业病在一级防护过程中，人们仅仅通过用新的原材料替代有毒原材料、改良现有的生产工艺来达到预防职业病的目的，在现今工业生产中很难做出大的改善；但是通过改进工业通风技术，应用在化工领域下的防尘防毒工程技术中，能够在现今科技发展水平下有效降低工业生产中产生的化学有毒有害物质，从而成功的预防了职业病的发生。工业通风是通过不断的加入新鲜空气来改善工作环境中的空气质量，也就是说通过注入新鲜气流来使当前作业环境中的化学有害物质的含量下降，从而改良了作业环境中的空气品质。工业通风技术现已经在职业病危害因素预防和控制领域得到广泛应用。局部通风装置被广泛采用，是因其使用过程和建造的成本低、能量小、效果好。但是局部通风也有一定的局限性，对于毒物挥发性强、毒物释放源分散的作业环境只依靠局部通风无法达到净化空气和消除污染空气的目的，还需要有效的结合全面通风和气流组织的方式[1]。

(二)工业通风在有害气体净化上的应用

化石等不可再生能源的不合理利用是致使二氧化碳浓度持续增长的主要原因，为了有效的降低温室气体对大气环境造成的影响，维持或降低大气中二氧化碳的含量，必须以合理分配化石能源为出发点。迄今为止，化石燃料和自然环境是人类文明进步的主要依靠，例如：化石燃料包括石油、煤、天然气等；自然环境包括水、空气、土地等。直至今日，化石能源主要应用在工业生产中，因此，从工业生产的源头控制污染物是控制温室气体的关键。目前，在工业生产中，通风技术将工业生产中产生的污染物集中到净化装置，通过现有的净化技术进行净化处理，达到从源头控制污染物、保护生态环境的目的。

有害气体种类繁多，其物理、化学性质也各不相同，不同种类对应的有多种净化方法，净化处理排入大气中的有毒有害气体的方法主要有：催化净化、吸附净化、燃烧净化、冷凝净化、吸收净化等；针对室内的空气污染物的净化方式主要有：光催化净化、吸附净化、离子体净化等。

1.燃烧与冷凝净化

燃烧净化是利于燃烧的方法来将烟尘、蒸汽、有害气体等转变成无害物质，分为三种类型：催化燃烧、热力燃烧、直接燃烧。在工业生产过程中，有害物质在劳动生产环境中的浓度较低，不足以直接作为燃料使用，达到净化的目的，同时工业通风系统为了经济性都要尽可能的对净化设备燃烧过程中产生的热量进行利用与回收。

冷凝净化是将具有可回收价值的有机气态污染物经过冷凝的物理处理过程进行直接回收利用，分为接触冷凝和表面冷凝。

2.吸收净化

化学吸收和物理吸收是吸收净化的两种方式，吸收净化一般选用低浓度、大风量的通风排气方式，所使用的气体吸收设备主要有： 喷淋塔(适用于含尘气体的吸收净化)、填料塔(适用于耐腐蚀材料制造)、湍球塔、板式塔(造价低)、文丘里吸收器(适用于处理大体积量气体)、喷射吸收器等。

3.吸附净化

吸附净化装置种类繁多，大量使用的吸附装置有：固定床吸附装置(适用于有害气体浓度较高的情况)、移动床吸附器(处理气量大，适用于量大、连续、稳定的气体净化)、流化床吸附器(适用于治理排放量大且连续排的污染源)等。吸附净化对净化NOX、SO2有着显著效果。

4.催化与光催化净化

催化转化法对不同浓度的污染物都有着显著的成效。有效的应用于脱硫 、脱硝、汽车尾气净化处理和有机废气净化处理中。现如今，利用催化转化技术净化气态污染物已成为处理回收气态污染物的重要手段。

去除包括甲烷，一氧化二氮和消耗臭氧层的卤化碳在内的非二氧化碳类温室气体比去除大气中的二氧化碳，能够更快更有效地减缓全球变暖。甲烷的光催化是将其氧化成二氧化碳，能够有效地降低全球变暖潜能；一氧化二氮可通过光催化技术还原成氮气和氧气；同时卤烃可以通过红氧光催化反应被卤化物和二氧化碳矿化[8]。光催化技术避免了先将这些大气成分分别捕获和隔离再处理的过程。

(1)二氧化钛光催化技术应用在太阳能烟囱发电厂上

De Richter R和Ming T[8]研究团队将二氧化钛光催化技术与太阳能烟囱发电厂相结合，通过二氧化钛催化技术去除大气中的非二氧化碳温室气体，该团队提出将二氧化钛光催化技术与太阳能烟囱发电厂(SCPPs)结合起来，通过气体的流动，在达到净化大气中的非二氧化碳温室气体的同时，在一个包含轴流式涡轮机的太阳上升气流塔中利用可再生能源发电技术进行发电[7]。

SCPP-PCR是一种负排放技术，可能有助于对抗全球变暖，通过防止或消除近1600千克当量二氧化碳当量(每个200兆瓦的电厂)来应对气候变化。光催化科学技术以及工业应用的进展指出了光催化降低大气中温室气体的潜力，对气候变化的影响具有积极影响。

(2)中央空调系统空气净化装置

中央空调系统空气净化装置，是指与中央空调系统配套的空气净化设备，是全新的产品。净化装置可以分为三类：1、光催化、过滤与电子集尘技术组合的空气净化装置；2、活化活性炭吸附和电子集尘净化组合的空气净化装置；3、纳米光催化、活性炭吸附及等离子体净化组合的中央空调空气净化装置。这三种净化装置主要目的是去除室内空气中的有害气体物质、杀灭细菌和病毒等污染物。

对已有的中央空调系统空气净化装置分析，光催化空气净化技术是利用光催化原理，将来自有机质腐败分解，工业污染扩散，涂料、塑料、建筑材料等释放到室内空气中的有害气体，以及宠物和人体排除的气体(如：H2S、SO2、NH3、CO、醛类及苯系物等)等综合催化处理，光解为无害、无臭便于回收处理的物质。光催化剂对H2、NH3、CO、SO2的光解率依次为：96%、83%、78%、72%(22平方米的密闭房间中运转1小时)[8]。可以有效地应用在家庭、医院、宾馆、车站等场所进一步优化空气质量，以及化工、冶炼、制药、印染等高污染作业场所。该技术可与空调制冷技术相结合，用于空调机上，更增加了它的竞争力。

二、未来发展趋势

光催化材料纳米TiO2在各领域已得到了普遍的使用。利用纳米TiO2在光照的条件下可以分解氮氧化物的特性，人们把其应用到道路材料上，来有效的分解汽车尾气中的碳氧化物。纳米TiO2还可以应用在光催化水泥基复合材料[9]、光催化涂层技术[12]以及其他各种光催化材料[10]等。

2009年我国抗菌及水净化站占光触媒产品市场份额的10%，自我清洁类产品占比是抗菌及水净化站的2倍，空气净化器占比是抗菌及水净化站的七倍，而日本建筑外装饰材料占光触媒产品市场份额的58%，类比说明在我国建筑外装饰材料也将占据光触媒产品很大的市场，有很大的发展空间。

三、结论

基于此，作者认为，工业通风技术有很广阔的发展前景，将光催化技术广泛应用在工业通风领域中，可以为在中国气候条件下控制和回收温室气体，提供坚实的理论支撑体系。将光催化自洁涂料应用在工业通风系统中，在风量循环过程中，使风道具备自洁性的同时，治理PM2.5、解决温室效应和分解有害有毒气体。作者认为，将光催化材料在工业通风技术中被广泛应用之前，以下问题需要解决：1、降低光催化材料的生产成本；2、提高光催化剂的光转化效率及其稳定性；3、光催化材料与工业通风技术的最佳耦合关系的选取。