納米 TiO2功能性空氣濾料

1 納米 TiO₂/ 功能性空氣過濾材料的定義

   功能性空氣過濾材料是近來興起的空氣過濾材料研究領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)。它具有某些特殊、不同于一般空氣過濾材料所固有的性能，能滿足特定行業(yè)和領(lǐng)域?qū)諝膺^濾材料特殊功能的需求，如耐高溫、耐腐蝕、抗靜電、拒水、拒油、阻燃、抗菌、抗病毒、清除有害氣體等而開發(fā)的空氣過濾材料，正越來越多地應(yīng)用于工業(yè)煙氣和室內(nèi)空氣凈化等領(lǐng)域。

   光催化凈化技術(shù)是近年來興起的一門前沿的高科技凈化技術(shù)。半導(dǎo)體離子在紫外線照射下，半導(dǎo)體納米離子能發(fā)生電子躍遷，產(chǎn)生活躍的價(jià)帶空穴和導(dǎo)帶電子，這種電子、空穴對(duì)和周圍的水、氧氣發(fā)生作用后，能產(chǎn)生有高氧化性能的自由基，將空氣中的甲醛、苯、氨等污染物直接分解成無害的小分子，如 CO₂、H₂O、N₂等，能將細(xì)菌、病毒等具有蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的微生物殺死，并且將其分解成無害的無極小分子，從而達(dá)到凈化空氣的目的。常見的光催化劑多為金屬氧化物或硫化物，如 TiO₂，ZnO，ZnS，PbS 等。但由于光腐蝕和化學(xué)腐蝕的原因，實(shí)用性較好的有TiO₂和ZnO，其中TiO₂使用最為廣泛，作為光催化劑的 TiO₂具有無毒、化學(xué)性能穩(wěn)定、氧化能力強(qiáng)、價(jià)格便宜、可以重復(fù)使用而消耗很少等優(yōu)點(diǎn)，使光催化具有潛在的高效性和經(jīng)濟(jì)性,因此在環(huán)保領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。而以提高穩(wěn)定性和實(shí)用性為目的的光催化劑的固定化是多相光催化技術(shù)中的主要研究方向之一。

   單純采用納米光催化技術(shù)降解有害氣體,當(dāng)被降解氣體的濃度較高時(shí)，其降解性能較好，而當(dāng)被降解氣體濃度較低時(shí)，光催化降解速率較慢，且有可能生成有害的中間產(chǎn)物，影響凈化效果。因此，選擇一種濾料基材與光催化技術(shù)結(jié)合,利用基材對(duì)有害氣體的吸附作用，形成被降解氣體在基材表面形成有害氣體的聚集中心，有害氣體在基材上得到多倍濃縮，從而彌補(bǔ)光催化對(duì)低濃度污染物降解效率低的缺點(diǎn)。有效地提高光催化效率，正是在這種需求下，納米光催化技術(shù)與功能性過濾材料的有機(jī)結(jié)合便應(yīng)運(yùn)而生，而功能性空氣過濾材料也由于對(duì)室內(nèi)空氣具有突出的凈化功能,近年來得到了飛速發(fā)展。2 納米TiO₂/功能性空氣過濾材料的研究現(xiàn)狀

   美國、日本、德國是功能性空氣過濾材料研究較早也是研究技術(shù)比較成熟的國家，并取得了一定的成就，到目前已經(jīng)開發(fā)出了許多具有多種功能的空氣凈化材料和產(chǎn)品。國內(nèi)對(duì)功能性空氣過濾材料的研究主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是開發(fā)功能性空氣過濾材料和多功能空氣凈化器；二是分析影響功能性空氣過濾材料使用效果的因素。研究單位主要有華東理工大學(xué)，天津工業(yè)大學(xué)，西安工程大學(xué)等高校以及其他科研單位和生產(chǎn)廠家。

   美國的Obee 等人專門研究了使用納米TiO₂材料光催化清除室內(nèi)由建材、電器、家具等散發(fā)出的有害氣體的情況，探討了空氣濕度及有害氣體初始濃度對(duì)氧化速率的影響。得出了兩個(gè)結(jié)論：

  （1）普通問題建筑中的甲醛體積分?jǐn)?shù)為0.5×10^{- 6}~2×10^{- 6}，在10×10^{- 6}以下通常的濕度范圍（15%~60%）內(nèi)，氧化速率與污染物濃度成正比。

  （2）氧化速率與 TiO₂對(duì)水蒸汽及污染物吸收緊密性有關(guān)，還與氫氧根基團(tuán)的作用機(jī)理有很大的關(guān)系。

   美國的一個(gè)公司推出了納米銀和納米二氧化鈦的空氣潔凈材料。該材料具有良好的殺菌、殺病毒、除異味、防霉的功能，并且效力長達(dá)半年。德國開發(fā)的一種多層的拒水的聚合物空氣過濾材料。該材料具有良好的拒水能力，粘附在空氣過濾材料上的細(xì)菌由于失去水分，沒有營養(yǎng)物質(zhì)，而導(dǎo)致了死亡。

   日本的大金公司成功地把活性炭空氣過濾材料和TiO₂材料結(jié)合起來，開發(fā)了一種新型的空氣過濾材料。這種空氣過濾材料不僅能捕捉空氣中的微粒，還能去掉空氣中的異味，殺死空氣中的細(xì)菌。實(shí)驗(yàn)表明，經(jīng)過6 h 后，大腸桿菌數(shù)由初始的190000減少到10個(gè)。

   Jong Ho Lee, Misook Kang等人研究了使用納米TiO₂材料光催化的殺菌的性能。實(shí)驗(yàn)研究表明，在紫外線的輻射照度24 W/m²的情況下，照射60 min后殺菌率細(xì)菌的存活率是 0.4%。香港中文大學(xué)利用TiO₂材料研制出空氣過濾產(chǎn)品，應(yīng)用在空氣凈化處理系統(tǒng)中。該產(chǎn)品與比傳統(tǒng)紫外線照射相比，具有更好的殺菌效果。

   鄭州工業(yè)大學(xué)的陶躍武等人研究了TiO₂對(duì)空氣中微量丙酮和乙醛的光催化降解，分析了其降解影響因素。

   同濟(jì)大學(xué)于慧俐、茅清希等對(duì)納米 TiO₂覆膜濾料光催化降解甲醛特性及其影響因素進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。

   清華大學(xué)的張寅平、楊瑞等人研究了納米TiO₂材料的紫外光強(qiáng)對(duì)氧化速率的影響和溫度對(duì)氧化速率的影響得出了：（1）當(dāng)光強(qiáng)大于一個(gè)太陽常數(shù)（1353 W/m²）時(shí)，氧化速率正比于光強(qiáng)的平方根；反之，氧化速率正比于光強(qiáng)。（2）在一般空調(diào)溫度范圍（13℃~60℃）內(nèi)，甲苯與 1,3 - 丁二烯的氧化速率與溫度呈同向變化關(guān)系，而甲醛則相反。

華東理工大學(xué)采用浸涂法在復(fù)合載體上形成納米TiO₂光催化劑薄殼層,制備出可用于室內(nèi)空氣凈化的活性炭-納米TiO₂光催化凈化網(wǎng)。以功率為6W、波長為 254 nm 的紫外殺菌燈照射 3 h 后，其甲苯凈化率為 98.8%，三氯乙烯（TCE）凈化率為99.5%，硫化氫凈化率為 99.6%，氨氣凈化率為96.5%，甲醛凈化率為 98.5%，一氧化碳凈化率為60.1%。通過對(duì)比試驗(yàn)還表明，所研制的復(fù)合型空氣凈化網(wǎng)具有單純活性炭、單純光催化劑TiO₂、活性炭與 TiO₂簡單混合等凈化網(wǎng)所不具備的綜合優(yōu)勢(shì)，通過復(fù)合提高了光催化效率，同時(shí)達(dá)到活性炭原位再生的目的。

   重慶大學(xué)黃海燕等人采用涂抹法制備了TiO₂/VACF 光催化層，考察了含濕量、紫外燈功率等因素對(duì)吸附光催化降解甲醛的影響。結(jié)果表明，水蒸汽的存在對(duì)甲醛的降解具有促進(jìn)作用；TiO₂/ACF光催化層對(duì)甲醛的降解率并不隨含濕量單一變化，存在著最佳的水蒸汽含量值；當(dāng)紫外燈功率由20 W 增加到61 W 時(shí)，TiO₂/ACF 光催化層對(duì)甲醛的凈化率隨著功率的增加而增。

   西安工程大學(xué)黃翔、楊建忠等人把活性炭纖維技術(shù)和微弱光源納米光催化技術(shù)結(jié)合起來，開發(fā)一種復(fù)合型功能性空氣過濾材料。這個(gè)課題獲得了國家自然科學(xué)基金委員會(huì)的資助（項(xiàng)目編號(hào)：50343 020）。

   西安工程大學(xué)顧群等人采用集防污、抗菌功能為一體的液相單分散納米防污、抗菌涂層整理劑對(duì)針刺氈進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)了納米TiO₂與空氣過濾材料的結(jié)合。經(jīng)過納米整理劑處理后的針刺氈濾料涂層柔軟光滑，不影響空氣過濾材料的其他物理機(jī)械性能，其拒水、拒油性能得到顯著提高，按照GB12799-91 和 FZ/T01067-1999 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行性能檢測(cè)，拒油性能達(dá)到 6 級(jí)，拒水性能達(dá)到 4 級(jí)。在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)條件下分別對(duì)處理后的針刺氈濾料進(jìn)行甲醛凈化測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，靜態(tài)實(shí)驗(yàn)中針刺氈空氣濾料整理樣相對(duì)于原樣對(duì)甲醛的降解率提高18.88%；動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)中經(jīng)過 1h后針刺氈空氣濾料整理樣相對(duì)于原樣對(duì)甲醛的降解率提高了20.40%。

   西安工程大學(xué)趙麗寧等人以鈦酸丁酯為原料，采用溶膠2凝膠法制備納米TiO₂溶膠，并采用浸漬法分別對(duì) AC 濾網(wǎng)和 ACF 濾料進(jìn)行了光催化整理。對(duì)AC 濾網(wǎng)原樣和整理樣、ACF 濾料原樣和整理樣分別進(jìn)行了光催化氧化甲醛測(cè)試。結(jié)果表明，AC 濾網(wǎng)整理樣和ACF濾料整理樣分別相對(duì)于AC 濾網(wǎng)原樣和 ACF 濾料原樣的阻力沒有明顯增加。納米TiO₂在紫外光的照射下和弱光源下均可以發(fā)生光催化反應(yīng)，降解空氣中的甲醛。在紫外光照射下，AC 濾網(wǎng)整理樣對(duì)甲醛的降解率比原樣提高6.7%；ACF 濾料整理樣對(duì)甲醛的降解率比原樣提高 10.6%。弱光源時(shí)，ACF 濾料整理樣對(duì)甲醛的降解率比原樣提高6.3%；AC濾網(wǎng)整理樣和ACF濾料整樣降解甲醛的規(guī)律基本符合拋物線函數(shù)關(guān)系，即整理樣在一定時(shí)間后可以完全降解實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)內(nèi)的甲醛。

   西安工程大學(xué)申祚飛等人以氟鈦酸氨、硼酸、ACF 為主要原料,采用液相沉積法制備了基于ACF 的納米 TiO₂/ACF 復(fù)合濾料，并對(duì)制備的納米TiO₂/ACF 復(fù)合濾料進(jìn)行了凈化甲醛的測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，制備的納米TiO₂/ACF復(fù)合濾料比ACF濾料原樣對(duì)甲醛的凈化率提高 10% 以上。通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試了復(fù)合濾料對(duì)甲醛的凈化率和濾料斷面風(fēng)速的關(guān)系，結(jié)果表明，風(fēng)速在 0.2 m/s ~2.6 m/s 范圍內(nèi)，納米TiO₂/ACF復(fù)合濾料對(duì)甲醛的凈化效果表現(xiàn)為隨著風(fēng)速的增加,凈化速率先升高后逐漸降低。

   西安工程大學(xué)王與娟等人選用羊毛纖維為基材，采用浸軋法制備了功能性空氣過濾材料，對(duì)制備的納米TiO₂/羊毛功能性濾料進(jìn)行了阻力測(cè)試和降解室內(nèi)低濃度甲醛的測(cè)試。結(jié)果表明，羊毛濾料光催化整理樣相對(duì)羊毛濾料原樣阻力增加了10%，羊毛濾料整理樣的阻力增加與濾料原樣的面密度成反比，3 種羊毛濾料的阻力變化與過濾速度成拋物線函數(shù)關(guān)系。當(dāng)溫度為 24℃、風(fēng)速為 0.3m/s、甲醛初始質(zhì)量濃度為 0.6 m/m³時(shí)，羊毛濾料原樣和羊毛濾料整理樣對(duì)甲醛的凈化率分別為41.56% 和 68.74%。他們還在動(dòng)態(tài)條件下測(cè)試了溫度和甲醛的初始濃度對(duì)制備的納米 TiO₂/ 羊毛功能性濾料凈化甲醛效果的影響。測(cè)試結(jié)果表明，當(dāng)溫度在 20℃~28℃范圍內(nèi)時(shí)，納米 TiO₂/ 羊毛功能性濾料對(duì)甲醛的凈化率隨著溫度的升高而降低；而甲醛的初始濃度越大，凈化效果越好。

3 問題及今后的研究方向

   新型功能性空氣過濾材料以其優(yōu)良的性能而備受關(guān)注，其在室內(nèi)空氣凈化中的應(yīng)用目前尚處于理論研究和實(shí)驗(yàn)室小樣處理研究階段。還有許多問題有待于進(jìn)一步深入研究，如進(jìn)一步研究功能性空氣過濾材料凈化有害氣體過程中產(chǎn)生的中間副產(chǎn)物以及反應(yīng)的終產(chǎn)物；建立功能性空氣過濾材料處理有害氣體的理論模型，并分析各種因素綜合作用下對(duì)有害氣體降解效果的影響，為該類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化提供理論指導(dǎo);而開發(fā)高性能、低成本、長壽命的多功能復(fù)合濾料將是未來空氣濾料的一個(gè)發(fā)展的一個(gè)大方向。