某市售空气净化产品对甲苯净化效率的研究

陈希尧 李学辉

（上海市计量测试技术研究院 上海 200233）

引言

随着人们对生活品质要求的提高，市面上销售（简称“市售”）的装饰装修材料越来越多样、美观、复杂[1]。新一代年轻人对美的追求在家居装饰装修上体现的淋漓尽致，材料的选择从最初的地砖、涂料、木工家具，逐步衍生到地板、壁纸、壁布[2]、硅藻泥[3]、墙板、生态板[4][5]、颗粒板、绿色环保漆[6]。装修风格的选择从最初的简装风格逐步衍生出中古式、欧式、美式等多样风格。装修的复杂程度逐步提高，因此也给装修后的生活环境带来各种安全隐患[7][8]。近几年，厂家为了迎合消费者的心态，市面上则出现了各种绿色漆、糯米胶[9]、母婴级使用家具[10]。这些噱头听着安心，其实有毒有害物质依然存在，区别只是存在有害物质含量的多与少，散发时间的长与短而已。装修后，据文献报道，甲醛的释放周期长达3～15 a[11]，挥发性有机化合物(TVOC），虽然释放周期短，但短期内危害较大。若家中有老年人和婴儿等免疫力低下人群，则需要更久的通风时间。而在这个要求高效快速的年代，时间的等待往往是最不能让大众接受的，因此各种净化产业也应运而生。二氧化钛光触媒是室内环境净化行业最常用到的物质，市售各种光触媒喷剂琳琅满目，还有将光触媒与活性炭结合运用到空气净化器滤网当中，起到净化空气的作用。本文对市售的纳米二氧化钛光触媒类净化产品对甲苯的净化效率进行系统研究，通过在1m3实验舱（1 号舱）内加入GC 纯甲苯模拟装修后的居住环境，从而进一步考察纳米二氧化钛光触媒在不同时间反应条件下对甲苯的净化效率。

1 实验部分

1.1 试剂及仪器

市售某品牌含纳米二氧化钛光触媒空气净化喷剂；甲苯(国药集团化学试剂有限公司, 上海)；所有试剂均为GC 纯，所用水为二次蒸馏水。用BS-H2 双气路恒流大气采样仪采集实验舱（1 号舱）内空气；PERKIN ELMER clarus600 气相色谱仪测定实验过程中甲苯含量。

1.2 对甲苯净化效率的研究

为了模拟装修后的居家环境，本实验选择2个1m3的舱作为环境模拟实验舱（1 号舱），如图1 所示。环境舱为加厚玻璃舱，包含密封盖板，风扇，采样口（可用橡胶塞密闭）和架子等主要部件。密封盖板的作用是方便在舱内取放物品，并保证舱的密闭性；风扇的作用是当从采样口加入GC 纯甲苯后可均匀舱内甲苯的浓度；采样口的作用是方便大气采样器采集舱内空气；架子的作用是可放置空白纸板或喷涂光触媒纸板以达到实验目的。

图1 二氧化钛光触媒在1m3 实验舱（1 号舱)内与甲苯反应的实验装置图

本实验选择两个环境模拟舱同时进行实验。一个舱命名为比对舱（2 号舱），比对舱内架子上放置空白纸板，以此来确定在一定时间内甲苯在环境舱内的自然衰减率；另一个舱命名为实验舱（1 号舱)，舱内架子上放置了喷涂市售纳米二氧化钛光触媒类净化产品的纸板，用来考察纳米二氧化钛光触媒类净化产品在一定时间内对甲苯的净化效率。

实验开始时，分别同时在2 个舱内加入0.0025g 甲苯，密封采样口后开启风扇，保持5min 使舱内甲苯浓度达到均匀，然后关闭风扇打开采样口，用2 台大气采样器和Tenax-TA 管分别采集两个环境模拟实验舱（1 号舱）内的空气，每台大气采样器的采样流量为0.5L/min，采样时间为5min,这样采集的舱内气体为2.5L,此时采集的空气测定甲苯浓度作为舱内甲苯的初始浓度。之后要按照同样流量和采集时间采集实验舱（1 号舱）和比对舱（2 号舱）中的空气，采样时间记录如表1 所示。采样时间是按照实验舱（1号舱）中甲苯和净化产品反应的时间来确定，分别为1h、12h、24h、72h 和168h。测定实验过程中舱内甲苯含量的方法为《室内空气质量标准》(GB/T 18883-2022) 。

表1 实验舱（1 号舱）与比对舱（2 号舱）的采样时间记录表

2 结果与讨论

图2 为市售二氧化钛纳米光触媒二氧化钛（TiO2）纳米粒子TEM 图。从图中可以看出，市售二氧化钛纳米光触媒呈网状结构，这种结构容易在物品表面形成一种比表面积比较大的膜。这种膜的优点是均匀分布，可以有效的附着于家居环境中，不影响美观；比表面积大，可与更多的污染物接触，加快分解。

图2 市售二氧化钛纳米光触媒纳米粒子TEM 图

经过168h 后将2 个环境模拟实验舱（1 号舱）采集好的Tenax-TA 管用PERKIN ELMER clarus600 气相色谱仪测进行分析。从图3 可以看出，随着光触媒与甲苯反应时间的增加，甲苯峰的强度越来越低，说明实验舱（1 号舱）内甲苯的含量逐渐降低。

图3 1m3 实验舱（1 号舱）内甲苯含量的气相色谱图

从图4 可以看出，随着时间的增加，比对舱（2 号舱）中的甲苯峰的强度也有所降低，说明甲苯在环境模拟实验舱（1 号舱）中存在自然衰减的问题。因此，在计算市售纳米二氧化钛光触媒类净化产品在日常灯光下对甲苯净化效率，要扣除甲苯本身在环境模拟舱内的自然衰减带来的影响。

图4 1m3 比对舱（2 号舱）内甲苯含量的气相色谱图

为了更清楚地表达环境模拟舱内甲苯的变化情况，按照式（1）、式（2）计算出各反应时间内舱内甲苯浓度及舱内甲苯去除率。

式中C—环境舱内甲苯浓度，mg/m3；m—实验舱（1 号舱）内采样2.5L 空气样本中所含甲苯质量（数值通过气相色谱仪分析计算得出），μg；V—采样体积（本实验采样体积为2.5L）。

通过计算得出，光触媒与甲苯在反应1h 时舱内甲苯净化效率为2.7%，反应12h 时舱内甲苯净化效率为22.2%，反应24h 时舱内甲苯净化效率为27.5%，反应72h 时舱内甲苯净化效率为44.1%，反应168h 时舱内甲苯净化效率为50.8%，详见表2。

表2 光触媒与甲苯在1m3 实验舱（1 号舱）中反应1h、12h、24h、72h、168h 的甲苯浓度

以上计算实验舱（1 号舱）中的甲苯净化效率没有考虑到甲苯的自然衰减率。因此，为了实验的严谨性，用比对舱（2 号舱）来做自然衰减实验，自然衰减时间为168h。自然衰减的情况如表3 所示，自然衰减的计算见式（3）。

表3 甲苯在1m3 比对舱（2 号舱）中168h 的自然衰减

通过计算得出，比对舱（2 号舱）在168h内甲苯的自然衰减率为17.5%。

结合表2 与表3 绘制的实验舱（1 号舱）内甲苯浓度随反应时间变化图，如图5 所示。a 点为实验舱（1 号舱）内甲苯初始浓度2.5694mg/m3，b 点为实验舱（1 号舱）内光触媒与甲苯反应1h 甲苯浓度2.5012mg/m3，c 点为实验舱（1 号舱）内光触媒与甲苯反应12h 甲苯浓度1.9987mg/m3，d 点为实验舱（1 号舱）内光触媒与甲苯反应24h 甲苯浓度1.8616mg/m3，e 点为实验舱（1 号舱）内光触媒与甲苯反应72h 甲苯浓度1.4372mg/m3，f 点为实验舱（1 号舱）内光触媒与甲苯反应168h 甲苯浓度1.2632mg/m3。g 点为比对舱（2 号舱）内甲苯的初始浓度2.7032mg/m3，h 点为比对舱（2 号舱）放置168h 后甲苯的浓度2.2295 mg/m3。从图5 可以看出，随着反应时间的增加，实验舱（1 号舱）内光触媒与甲苯的反应速率逐渐降低，当反应达到72h 时，光触媒与甲苯基本反应完毕，e 点到f 点的斜率与自然衰减g 点到h 点的斜率基本相同。

图5 实验舱（1 号舱）与比对舱（2 号舱）内甲苯浓度随反应时间变化图

通过表2、表3，然后根据式（4）计算出市售纳米二氧化钛光触媒在日常灯光下与甲苯反应168h 的实际的净化效率。

通过以上数据得出，实验舱（1 号舱）内市售光触媒在日常灯光下与甲苯反应168h 的净化效率。实验舱（1 号舱）内光触媒甲苯反应168h，自然衰减掉的甲苯大约有17.5%，反应掉的甲苯有33.3%，未反应掉的甲苯有49.2%。

结论

本文通过实验论证，市售纳米二氧化钛光触媒类空气净化产品对室内环境中甲苯有一定的的净化能力，市售纳米二氧化钛光触媒在168h 内对实验舱（1 号舱）内甲苯的净化效率为50.8%。