关于室内环境监测与治理的综述性-----光催化氧化法

关于室内环境监测与治理的综述性-----光催化氧化法（环境工程系环保11134号杜晨玉）摘要:随着工业的发展，全球性环境污染日趋严重，利用各种手段有效治理环境污染引起了世界各国的重视。本文简要介绍了室内环境污染的现状及近年来快速发展起来的光催化技术在其治理方面的应用。关键词：室内环境污染；室内化学污染；光催化氧化技术1.前言随着国民经济的快速发展和人民居住条件的改善，近年来我国室内环境污染的问题越来越突显出来。这除了大环境污染的影响外，主要是由于人们为了追求房间的豪华和美观滥用含有各种有害化学物质的建筑材料所致。近几年来不时地在媒体有关于室内污染导致各种人及动物严重病状的报道，轻者出现疲劳乏力、记忆力减退，重者持续无名头痛、发烧、哮喘，甚至导致肺炎、皮炎和癌症。因此，室内环境的污染治理已引起了有关政府部门的重视和广大人民群众及科研工作者的普遍关注，国家已经制定了室内空气质量的相关标准，对各种化学污染物在室内的含量做出了严格的规定，不少科研单位也积极地开展有关室内污染治理技术的开发，出现各种用于室内污染防治的技术及其产品。本文根据现有文献资料简单总结出来的，对室内环境污染源及其几个主要治理措施，特别是光催化净化技术作一简单介绍。2.室内环境污染的来源及严重性室内环境污染的来源主要包括微生物污染和化学污染。微生物污染指细菌、病毒、花粉和尘螨的污染，主要来源于各种或死或活的有机体，在比较温和的室内它们会滋生和蔓延造成空气或器具的污染。而化学污染主要是放射性元素氡的污染和各种有机或无机气体的污染。其中，氡来源于建筑水泥、装饰石材和土壤，它虽然不能被人的感官直接感觉，但危害不容忽视，被认为是除吸烟外导致肺癌的第二大杀手；各种无机气体如二氧化硫、一氧化碳、氨、硫化氢和氮氧化物等，有机气体如甲醛、苯等，主要来源于各种装修材料、微生物繁殖过程和室外大气，其污染近年来表现得越来越严重，它们对人们的感官不但有直接严重的刺激作用，而且影响持久、危害深远。3.室内化学污染治理的原理和方法关于室内污染的治理方法和措施，近年来在国内外的各种媒体上均有大量的报道和介绍，从原理上讲主要包括转移法和消除法。所谓转移法就是将室内的污染物设法转移到外部，包括通风换气和吸附剂吸附，这是一种消极的方法，从环境综合治理的角度看是不可取的。消除法指通过化学的方法将挥发性化学污染物转化为固体或者无害的或者低毒的气态或固体物质而除去，包括从源头建筑材料的制造中杜绝各种有害物质和在室内通过普通化学反应、催化氧化和生物化学方法将毒物降解、分解或氧化。除了通风换气这种简单的方法外，目前在市场上有用上述原理制造的各种产品销售。如有用活性炭、硅胶或其他如分子筛等为吸附剂加吸排风机制造的吸附式空气净化器、有利用多孔载体浸渍活性化学试剂加吸排风机制造的化学反应式空气净化器、有用能与室内毒气发生氧化反应或配位化学反应的化学试剂的溶液制成的喷雾剂、有利用光催原理设计制造的光催化空气净化器等等。在这些各种形式的净化方法中，吸附式或反应式净化器，由于利用的是吸附剂对有害气体的物理吸附作用或浸渍在吸附剂上的活性化学物质的反应作用，往往在污染物浓度很高的情况下非常有效，但前者受吸附容量和可逆性的限制有使用寿命很短、已吸附的污染物在室内温度变化时会再次释放出来的缺点，后者虽然可使污染物通过与反应试剂的作用而消除，但当反应试剂消耗后，净化器则失效，因此使用的寿命也比较短。至于市场上出售的各种喷雾剂目前主要是针对甲醛污染。它是能与甲醛发生氧化和配位缩合作用的一些非挥发性化学试剂水溶液，当它喷撒在室内空间或家具的表面，可与甲醛反应生成非挥发和有定热稳定性化合物。这些产品最近市场上很多，且不论其效果如何，单就经常使用造成室内物品的潮湿腐蚀这一点而言，有一定的弊端，所以至推出以来尚未被消费者完全接受。由于上述的几种化学污染物主要释放于墙壁或家具，是一个非常缓慢的过程，经验表明一个装修并入住几年的房间仍然具有“装修气味”，据报道存在于室内建筑木料中的甲醛可保持连续释放达15年。因此，解决室内污染不能采用“权宜之计”，必须寻找一种既能彻底地将它们转变成无害的物质、又使用方便、性能持久、价格低廉的净化方法。光催化氧化技术目前被认为是所有这些治理技术中最为理想的一种。4.光催化氧化技术及光催化空气净化器4．1基本原理光催化是二十世纪七十年代以来逐步发展起来的一门新兴研究领域。发现某些半导体氧化物材料，如二氧化钛，在光照下表面能受激活化可产生空穴和电子，这些光生电子和空穴能与吸附在表面的氧分子作用生成具高活泼和强氧化还原能力的羟基自由基和超氧阴离子自由基，从而可氧化分解有机物和某些无机物。半导体氧化物在这个过程中并不消耗，光照结束后会恢复原态，它所起的是媒介，即催化剂的作用。显然，光催化就是在催化剂存在下的光化学过程。大量的基础研究已经证明，有数百种主要的有机或无机污染物可在光催化下被完全氧化。光催化方法用于环境的污染治理，具有：一可利用太阳能作能源，经济廉价；二能在室温实现水、土壤和大气中有机污染物完全氧化，不产生二次污染；三是催化剂自身无毒；四具有一般催化过程的基本特征，催化剂可长久循环使用。这些独特性能是传统的高温焚烧、常规的催化技术及吸附技术无法比拟的，被认为是一种理想的具有广阔应用前景的绿色环境治理技术，受到各国政府的高度重视和科学界的极力推崇。新近的研究还发现，二氧化钛光催化剂同时具有超亲水性可用于抗雾材料制备、具有灭菌、抗菌和杀灭病毒、癌细胞的作用，可用于自清洁材料的制备和医疗中。目前市场上见到的光催化空气净化器就是按照上述原理并针对居室环境污染情况设计的，虽然不同的机型内部结构不同，但其核心部件都包括一个由光催化剂载件和紫外光源组成的净化单元和吸排风机。工作时带有污染物气体被风机吸入机内穿过催化剂单元，空气中的毒气分子由被光照的催化剂单元氧化分解成无毒物，流出的无污染物的空气再从净化器里排放到室内，房间的空气经过如此反复分批循环处理将得到净化。为了使机器的性能能长久稳定、催化剂能长期使用，不少此类净化器在设计时常加有其它的辅助单元，如万利达生产的YKJ一180型多功能光催化净化器还附有空气过滤单元和高压静电单元(用于除烟去尘)、负离子发生单元(使空气清新)和臭氧发生装置等。4．2光催化净化器的性能为了说明光催化技术在室内污染治理上的应用，下面是研究人员对福建漳州万利达光催化公司生产的家用光催化空气净化器对室内的几个主要化学污染气体的净化性能进行了模拟检测。实验进行在密闭的、由不锈钢框架和玻璃建造的、带有电风扇搅拌的专用评价室，容积30立方米。将净化器放进评价室，密闭后向室内注入待测污染物，待搅拌均匀后取样测定其起始浓度，用遥控器在室外启动净化器进行净化处理，在不同时间进行取样分析。气样采用HP5890气相色谱仪分析。详细地测定表明，这些反应物都被氧化为二氧化碳、水或其它无机物。说明此净化器可达到预期的净化效果，同时也表明光催化技术用于室内有害气体的去除是完全可行的。当然光催化空气净化器作为一种新技术产品目前还没有达到十全十美的程度，比如对氡的污染和一些无机气体污染物的除去效率还不够理想。但有理由相信随着基础研究和应用基础研究的深入，如改进催化剂配方和净化器结构，一定能使之成为室内污染防治的最佳选择。光催化产生的氢氧自由基具有极强的氧化性，它几乎可以作用于所有的有机物，尤其是对装修污染中的甲醛，苯等有机化合物有着非常显著的净化效果，而且大部分的气味分子均为有机化合物，包括很多有机涂料这些都是光触媒的分解对象；另外光触媒对细菌，病毒等生物污染还能够起到很强的杀菌作用。5.光催化技术在室内污染防治上的其它应用近年来，还研制出了光催化自清洁瓷砖，即将光催化剂溶胶通过提拉、旋转、喷涂、涂摸等方法覆着在建筑瓷砖的表面，再经过焙烧使之在瓷砖表面形成一层坚固的光催化剂膜。这种光催化瓷砖具有分解油污、杀菌灭菌等功能，可以用于厨房、卫生间的墙面。还有采用傅立叶变换红外光谱(FTIR)结合衰减全反射(ATR)技术对光催化瓷砖分解油污的性能进行了实验考察。将油酸(十八碳烯酸，食用油的主要成分)溶于有机溶剂配成确定浓度的溶液，定量均匀地涂在普通瓷砖和光催化瓷砖的表面.研究表明，光催化瓷砖还具有良好的灭菌和抑菌性能。当把一定数量的大肠杆菌和金黄色葡球菌转移到光催化瓷砖表面并光照2O分钟，这些细菌杀灭率达9O以上；当把一个光催化瓷碟和经高温灭菌后的普通瓷碟放在同样的室内环境一周时间，发现普通瓷碟的表面有细菌滋生，而光催化瓷碟表面依然无菌如初。这说明光催化剂具有强的抑菌作用。利用光催化剂的这一性质可以制造有抗、抑菌的性能的厨房用具和卫生洁具。最近的检测还表明，砌于墙面的光催化瓷砖对于室内的有害有机气体还具有一定的氧化分解作用。随着社会的发展,人们对生活品质的要求提高,室内空气污染成为人们广泛关注的问题.目前,室内空气污染是以危害最为严重的气体污染物为特征,传统的净化技术不能很好的去除这些污染物.光催化技术是今年来发展起来的一项新型空气净化技术,它在室温条件下即可将空气中的污染物予以光解,因此被认为是一种新型的环保节能技术.该文以研究开发光催化空气净化器为目标,研究内容涉及纳米光催化剂的制备、催化剂的固定化、光催化反应的基础试验研究、光催化反应影响因素的分析和光催化空气净化器的研制.采用溶胶-凝胶法制备了纳米TiO,2催化剂并对催化剂进行了XRD、TEM分析,结果发现,采用溶胶-凝胶法制备的催化剂在400~500℃焙烧温度下,其颗粒尺寸为10~20nm,晶型为锐钛矿.通过对催化剂载体进行筛选,分析研究催化剂物理成膜的方法,以解决实用化的问题.通过试验研究发现,采用催化剂分散悬浮液直接烧结成膜,催化剂活性较强,但牢固性较差,在玻璃表面催化剂存在脱落现象.采用以硅丙乳液为粘结剂,如果将催化剂与硅丙乳液混合成膜,膜的牢固性较强,但催化剂几乎没有活性,而采用分层涂膜的方法,则牢固性存在问题.通过分析、筛选,结果发现,采用多孔陶瓷和蜂窝纸表面,采用催化剂分散悬浮液得到的催化剂膜的方案较可行.从光源的波长和强度、温度和反应体系中各组分各个方面分析了光催化反应的影响因素,并对甲醛的光催化反应动力学进行了浅析.结果发现,在室内空气环境的条件下,对光催化反应影响最大的因素是光源和反应物的浓度.综合前期的研究结果,同时考虑实际的使用需求,设计并制造了一台光催化空气净化器样机.探索了将光催化技术应用于中央空调系统中的形式.6.光催化氧化技术优缺点光催化氧化技术与传统的生物化学处理方法相比，光催化氧化是一种新型现代水处理技术,具有工艺简单、能耗低、易操作、对污染物无选择性、可使许多难降解有毒污染物得以完全降解、无二次污染等有点,所用光催化剂TiO2安全、廉价、无毒无污染,活性较高,反应条件温和、不需要高温高压。因此,该技术在有机废水处理中显示出明显的优越性,在环境治理领域具有良好的应用前景及发展潜力。缺点：运行成本高、催化剂的效率不高、目前仍停留在实验室水平，实际应用很少。参考文献1.尹先仁．秦钰慧主编，《环境卫生国家标准应用手册》(M)，北京：中国标准出版社，2000.2.宋春生．室内空气污染的来源和危害，福建环境，2001，18(5)：28～39.3.M．R．Hoffmann。S．T．Martin．W.Choi，D．W.Ba—hemann，Environmentapplicationofsemiconductorphotocatalysis，Chem．Rev．1995，95：69～96.4.付贤智，刘平，林华香，多功能自清洁瓷砖，中国专利，专利号：ZI99204468．5，2000.5.石庆平等.光催化研究与发展的文献计量分析.催化学报，1999,20（3）293-295.6.张辉，张国亮，林志宏，等．TiO2光催化/膜分离耦合过程降解偶氮染料废水[J]．催化学报，2009，30(7)：679-684．7.杨运平,唐金晶,方芳,等.UV/TiO2/Fenton光催化氧化垃圾渗滤液的研究[J].中国给水排水,2006,22(7):34～37