光催化技術(shù)在建筑環(huán)境與設(shè)備中的應(yīng)用及研究現(xiàn)狀

摘 要：簡(jiǎn)要概括了光催化方法運(yùn)用在建筑和設(shè)備里的應(yīng)用與探究，如今進(jìn)行研究最重要的就是怎么使用光催化措施對(duì)室內(nèi)空氣的質(zhì)量進(jìn)行改善、使用光催化的材料進(jìn)行殺菌、使用光催化的自潔與防霧的作用、使用光催化的材料對(duì)空調(diào)制冷傳熱性能的強(qiáng)化作用；仔細(xì)的研究了其狀況，同時(shí)對(duì)其接下來(lái)需要研究的問(wèn)題進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：光催化技術(shù)；建筑環(huán)境與設(shè)備；應(yīng)用現(xiàn)狀

引言

利用光進(jìn)行催化的方式是新型的能源性的技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)是：消耗低、過(guò)程簡(jiǎn)單、使用后反應(yīng)溫和、降低再次污染、能夠持續(xù)性的進(jìn)行工作，越來(lái)越被人們所重視。從二十世紀(jì)五十年代開(kāi)始，就開(kāi)始利用光進(jìn)行催化的研究，那個(gè)時(shí)候是要解決因?yàn)闊o(wú)機(jī)的化合物而造成的光的分解反應(yīng)，也是因?yàn)槿剂显斐赏苛系睦匣F(xiàn)象的問(wèn)題。在二十世紀(jì)六十到七十年代，研究者對(duì)其進(jìn)行研制出的傳真復(fù)印的技術(shù)與各種新型的光電技術(shù)的時(shí)候，針對(duì)有光刺激與應(yīng)答作用的半導(dǎo)體的氧化物的材料分析，并且深入探討。一九七二年藤島昭等研究人員進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，突然發(fā)現(xiàn)了一種使用二氧化鈦的單晶式的半導(dǎo)體作為電極，有光的照射的條件下降水電進(jìn)行電解成為氧與氫，同一時(shí)間，研究者找到了水中一些被成功降解的有機(jī)物質(zhì)，這是利用光進(jìn)行催化的歷史上的一個(gè)重要的突破。在這以后，研究人員將二氧化鈦負(fù)載在金屬質(zhì)地的載體上研制出了微電池，這樣就證實(shí)了二氧化鈦是能夠利用光進(jìn)行催化形成反應(yīng)的事實(shí)。在之后的二十多年內(nèi)，藤島昭等研究人員在日本進(jìn)行納米二氧化鈦的研制與開(kāi)發(fā)的工作。對(duì)二氧化鈦進(jìn)行研制與技術(shù)開(kāi)發(fā)運(yùn)用，這也是史上的光潔凈的革命事件。多國(guó)的研究者也都陸續(xù)的對(duì)其進(jìn)行研究，不過(guò)將光催化方法運(yùn)用在建筑與設(shè)備之中的研究也是在最近這十年左右的事。在建筑與設(shè)備里，使用光催化方法對(duì)室內(nèi)的空氣質(zhì)量進(jìn)行提高，同時(shí)也有著殺菌的功能，利用這項(xiàng)技術(shù)制成的材料使用在玻璃與建筑內(nèi)的裝飾上也有清潔與防霧的效果，如今國(guó)內(nèi)外進(jìn)行研究與開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)問(wèn)題就在運(yùn)用納米進(jìn)行空調(diào)的強(qiáng)化與制冷及傳熱功能上。

1 光催化技術(shù)在室內(nèi)空氣凈化中的應(yīng)用

TiO2光催化材料在受到紫外線光照射時(shí)，鈦原子上的電子被光激發(fā)，形成電子空穴對(duì)，空氣中的水、氧氣會(huì)被分解為具有極強(qiáng)氧化力的O2-和氫氧根自由基OH-，能使有機(jī)物分解成CO2和H2O，也能降解部分無(wú)機(jī)化合物，從而達(dá)到凈化空氣的效果。光催化空氣凈化的本質(zhì)是在光電轉(zhuǎn)換過(guò)程中進(jìn)行氧化還原反應(yīng)。表1列出了各種氧化劑的氧化電位。光催化空氣凈化技術(shù)不同于傳統(tǒng)的過(guò)濾吸附方法。傳統(tǒng)的過(guò)濾吸附方法只起到使污染物轉(zhuǎn)移的作用，并不能對(duì)污染物徹底根除，且存在濾芯的吸附飽和問(wèn)題，需要定期更換濾芯。納米光催化空氣凈化技術(shù)可以直接利用包括太陽(yáng)光在內(nèi)的各種途徑的紫外線光，在室溫條件下就能將室內(nèi)病毒、各種揮發(fā)性有機(jī)污染物光解消除。用納米尺度TiO2作為催化劑，以吸附介質(zhì)為載體形成高活性TiO2催化劑膜研制成的納米光催化氧化空氣凈化器，可以在一定程度上解決室內(nèi)空氣污染問(wèn)題。將納米尺度TiO2做成涂料，噴涂在建筑物內(nèi)墻上，可以改善室內(nèi)空氣質(zhì)量。采用光催化空氣凈化技術(shù)，還可以減少通過(guò)增加建筑物通風(fēng)換氣帶來(lái)的能量消耗，從而達(dá)到節(jié)能的目的。

利用光催化技術(shù)進(jìn)行空氣凈化，我國(guó)很多學(xué)校與研究院都對(duì)其進(jìn)行了研究，在利用光催化技術(shù)進(jìn)行建筑與設(shè)備方面，清華、福州、清華等高校是具有研究標(biāo)志，所研究的結(jié)果已經(jīng)對(duì)我國(guó)這項(xiàng)技術(shù)研究的空白地進(jìn)行了填充。

在光催化技術(shù)凈化空氣方面，光催化空氣凈化器的研究最為活躍。日本在光催化技術(shù)的理論研究方面一直處于世界領(lǐng)先地位，在應(yīng)用方面也取得突破性進(jìn)展，產(chǎn)業(yè)化程度高、速度快、產(chǎn)品種類多（應(yīng)用光催化技術(shù)的產(chǎn)品有數(shù)十種）。目前，僅日本就有數(shù)百家公司進(jìn)行研發(fā)和生產(chǎn)。另外，德國(guó)、美國(guó)、韓國(guó)等國(guó)正在積極進(jìn)行光催化空氣凈化器的研究。圖1為光催化空氣凈化器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。

如今，中國(guó)的很多相應(yīng)的廠家還是進(jìn)行機(jī)械過(guò)濾、空氣的負(fù)離子感應(yīng)器與活性炭的吸附生產(chǎn)，利用光催化方法的很少，一些產(chǎn)品還是存在著多多少少的質(zhì)量問(wèn)題。圖2，圖3是北京的工業(yè)大學(xué)研究成果。圖2展示的是空氣凈化設(shè)備放置在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，室內(nèi)有濃度較低的甲醛，分別測(cè)試了室內(nèi)在三種不同的狀態(tài)下甲醛的濃度轉(zhuǎn)變的情況：1）實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)的空氣凈化器未啟動(dòng)，甲醛濃度自然衰減；2）啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)空氣凈化器，過(guò)濾層和光催化層同時(shí)作用；3）將凈化器內(nèi)過(guò)濾層取出，保留光催化層，啟動(dòng)艙內(nèi)凈化器。測(cè)試時(shí)間為30min。從圖2可以看出光催化層幾乎對(duì)甲醛沒(méi)有任何降解作用。圖3是相同的實(shí)驗(yàn)艙，帶有活性炭吸附層和光催化層的某空氣凈化器放在實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)，艙內(nèi)有低濃度的甲醛，分別在三種情況下實(shí)測(cè)艙內(nèi)甲醛濃度的變化情況：1）實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)的空氣凈化器未啟動(dòng)，甲醛濃度自然衰減；2）啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)空氣凈化器，活性炭吸附層和光催化層同時(shí)作用；3）將凈化器內(nèi)活性炭吸附層取出，保留光催化層，啟動(dòng)艙內(nèi)凈化器。從圖3可以看出，對(duì)甲醛降解起主要作用的是活性炭吸附層，光催化層的作用微乎其微。

2 光催化技術(shù)在殺菌方面的應(yīng)用

一九九七年納米二氧化鈦被涂在玻璃上，在光進(jìn)行照射三小時(shí)之后，大腸桿菌就能夠完全被消滅掉，后來(lái)經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，證明了納米二氧化鈦不光是對(duì)大腸桿菌有效果，對(duì)多種給菌類與藻類都能夠完全去除，不過(guò)利用二氧化鈦進(jìn)行殺菌通常都是需要有光照的條件下才能展現(xiàn)效果。以往的無(wú)機(jī)種類的殺菌劑都包含著鋅、銅、銀等粒子，并不要通過(guò)光射來(lái)反應(yīng)就能夠去除細(xì)菌，不過(guò)在去除細(xì)菌之后，會(huì)釋放出毒素，內(nèi)毒素是一種能夠致命的物質(zhì)，不過(guò)納米二氧化鈦就能夠?qū)⒍舅厝咳コ１仨氝M(jìn)行說(shuō)明的就是二氧化鈦?zhàn)陨韺?duì)各種微生物并不具有毒性，形成毒性的條件就是大面積聚集。如今北京的工業(yè)大學(xué)與新加坡名校進(jìn)行合作，對(duì)這項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行了研究其去除塔內(nèi)細(xì)胞，已經(jīng)出現(xiàn)了效果。日本富士化水工業(yè)株式會(huì)社、國(guó)立環(huán)境研究所、成蹊大學(xué)、筑波大學(xué)正在對(duì)利用光催化技術(shù)防止冷卻塔藻類的生成和殺菌進(jìn)行深入研究。

3 結(jié)束語(yǔ)

光催化的方法是目前我們研制出的新型能源方式，利于我國(guó)的可持續(xù)性發(fā)展，在建筑與設(shè)備之中的應(yīng)用有非常廣大的平臺(tái)。這項(xiàng)技術(shù)在進(jìn)行研究時(shí)需要運(yùn)用到多種交叉性的學(xué)科內(nèi)容，至如今還是有很多技術(shù)方面的問(wèn)題未解決。不過(guò)只要在研究時(shí)堅(jiān)持求真務(wù)實(shí)與以人為本的概念，將科技、學(xué)科知識(shí)、市場(chǎng)相結(jié)合，這項(xiàng)技術(shù)就會(huì)讓我們?cè)诰幼≈踩⒔】怠⑹孢m的環(huán)境之下，同時(shí)大力的發(fā)展我國(guó)的建筑業(yè)。