紫外光凈化室內(nèi)空氣污染物研究

[摘要]本文以特定波長(zhǎng)（C波段）的紫外光為動(dòng)力，利用光催化劑降低分子鍵斷裂的能量，破壞苯、甲醛、TVOC等的分子結(jié)構(gòu)，使空氣中的苯、甲醛、TVOC等和臭氧反應(yīng)，生成二氧化碳和水，達(dá)到凈化室內(nèi)空氣污染的目的。

[關(guān)鍵詞]紫外光；催化氧化；空氣凈化

[中圖分類號(hào)]X51[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

目前，國(guó)內(nèi)外的室內(nèi)空氣凈化技術(shù)大致上可以分為三類[1]：第一類是物理吸附，如活性炭、過濾網(wǎng)、茶葉梗等；第二類是生物法，如利用吸毒草等植物對(duì)室內(nèi)空氣的凈化作用，這類方法的凈化效果不能說沒有，因?yàn)楹芏嘀参锉旧韺?duì)室內(nèi)空氣確實(shí)有凈化作用，但有限的幾棵植物對(duì)室內(nèi)空氣污染的凈化效果不見有明顯的作用；第三類是光催化氧化法[2]，如光觸媒，這類方法也可以稱為化學(xué)法，即利用化學(xué)反應(yīng)讓室內(nèi)空氣中污染物（苯、甲醛、TVOC等）在催化劑表面反應(yīng)，最終轉(zhuǎn)化為二氧化碳和水，以達(dá)到凈化室內(nèi)空氣的目的[3]。這類方法在室溫條件下就能進(jìn)行，不需要其他化學(xué)輔助劑，反應(yīng)條件溫和，二次污染小，運(yùn)行成本低，是目前最具發(fā)展前景的室內(nèi)空氣凈化技術(shù)。

1紫外光凈化室內(nèi)空氣技術(shù)

1.1紫外線波長(zhǎng)劃分

可見光的短波長(zhǎng)方向400 nm以下為紫外光（Ultraviolet radiation簡(jiǎn)稱UV）區(qū)域，波長(zhǎng)范圍10 nm～400 nm。根據(jù)國(guó)際照明委員會(huì)（CIE）和國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）規(guī)定，紫外光區(qū)域又可分為以下波段：

真空紫外線（Vacuum UV）：10 nm～200 nm

短波紫外線（UV-C）：200 nm～280 nm

中波紫外線（UV-B）：280 nm～315 nm

長(zhǎng)波紫外線（UV-A）：315 nm～400 nm

1.2紫外線凈化機(jī)理

根據(jù)光子能E=h/λ（h常數(shù)，λ光波長(zhǎng)）[4]，波長(zhǎng)越短光子能越高。能量較低的UV-A具有光化學(xué)作用，所以也稱化學(xué)線；UV-A用于有機(jī)物的合成、涂料或膠粘劑的UV固化等領(lǐng)域。UV-B對(duì)生物的作用效果大，能引起紅斑作用及色素沉淀等，所以也稱生物線。UV-C是遠(yuǎn)紫外波段；因?yàn)樵摬ǘ尾ㄩL(zhǎng)短、能量大，其能量足以斷開分子中大部分化學(xué)鍵，使分子解析為游離的自由基，甚至原子自由基，同時(shí)具有殺菌作用。對(duì)固體表面和水中污染物的光處理來說，只有UV-C具有強(qiáng)的作用效果。

1.3紫外光源及其光子能量

高壓水銀放電管發(fā)出的特征紫外線是365 nm，光子能量328 KJ/mol；而低壓水銀放電管發(fā)出的具有代表性的紫外線是253.7 nm及184.9 nm，光子能量分別為472 KJ/mol和647 KJ/mol。利用化學(xué)方法凈化室內(nèi)空氣中化學(xué)污染就是要破壞苯、甲醛、TVOC等分子的結(jié)構(gòu)，形成碳或氫的游離基（C4+、H+），在游離氧（02-）的作用下，最終形成二氧化碳（CO2）和水（H2O）。下表列出了大多數(shù)有機(jī)物分子內(nèi)原子結(jié)合方式（化學(xué)鍵）及其結(jié)合能（鍵能）。

依上所述，低壓水銀放電管發(fā)出的184.9 nm的紫外光光子能量647 KJ/mol，除了不能使C≡C、C≡N、C=O斷裂外，上表中其他的化學(xué)鍵都會(huì)斷開；而低壓水銀放電管發(fā)出的253.7 nm的紫外光光子能量472 KJ/ mol，除了不能使C≡C、C≡N、C=O、O=O、C= C斷裂外，基本上其他的化學(xué)鍵都會(huì)斷裂。

1.4紫外線方式臭氧、活性氧的產(chǎn)生

波長(zhǎng)在200 nm以下的紫外光照射，能使O2分解成兩個(gè)自由的單分子氧，單分子氧與氧氣碰撞生成臭氧。

UV（185 nm）+O2→O*+O*

O*+O2→O3（臭氧）

UV（254 nm）+O3→O*+O2

由此可知，只有低壓水銀放電管發(fā)出的184.9nm的紫外光既能斷開分子中大部分化學(xué)鍵，使分子解析為游離的自由基，甚至原子自由基，使室內(nèi)空氣中化學(xué)污染物分子降解、與氧自由基重組，最終生成CO2和H2O，同時(shí)具有殺菌作用。對(duì)室內(nèi)空氣、固體表面和水中污染物來說，只有UV-C具有強(qiáng)的作用效果。

1.5光催化劑

所謂光催化劑（也稱光觸媒）[5]，是在光的照射下能改變其他物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)速率、促進(jìn)反應(yīng)進(jìn)行、且其本身質(zhì)量和化學(xué)性質(zhì)在反應(yīng)前后都沒有發(fā)生改變的物質(zhì)。

半導(dǎo)體光催化劑大多是n型半導(dǎo)體材料（當(dāng)前以為TiO2使用最廣泛）都具有區(qū)別于金屬或絕緣物質(zhì)的特別的能帶結(jié)構(gòu)[7]，即在價(jià)帶（ValenceBand，VB）和導(dǎo)帶（Conduc？ tion Band，CB）之間存在一個(gè)禁帶（Forbid？ den Band，Band Gap）。由于半導(dǎo)體的光吸收閾值與帶隙具有式K=1 240/Eg（eV）的關(guān)系，因此常用的寬帶隙半導(dǎo)體的吸收波長(zhǎng)閾值大都在紫外區(qū)域。當(dāng)光子能量高于半導(dǎo)體吸收閾值的光照射半導(dǎo)體時(shí)，半導(dǎo)體的價(jià)帶電子發(fā)生帶間躍遷，即從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，從而產(chǎn)生光生電子（e-）和空穴（h+）。此時(shí)吸附在納米顆粒表面的溶解氧俘獲電子形成超氧負(fù)離子，而空穴將吸附在催化劑表面的氫氧根離子和水氧化成氫氧自由基。而超氧負(fù)離子和氫氧自由基具有很強(qiáng)的氧化性，能將絕大多數(shù)的有機(jī)物氧化至最終產(chǎn)物CO2和H2O，甚至對(duì)一些無機(jī)物也能徹底分解。

2實(shí)驗(yàn)部分

2.2.2實(shí)驗(yàn)條件

為使測(cè)試評(píng)價(jià)結(jié)果最大限度的模擬未來室內(nèi)空氣污染凈化的實(shí)際，選用未經(jīng)任何特殊裝飾的自然通風(fēng)的房間為試驗(yàn)用樣板間。分別對(duì)室內(nèi)空氣中的甲醛、苯及TVOC進(jìn)行紫外光催化氧化凈化實(shí)驗(yàn)。樣板房?jī)?nèi)溫度、濕度、污染物本底濃度、實(shí)驗(yàn)儀器與設(shè)備。

2.2.3實(shí)驗(yàn)過程及方法

在該房間內(nèi)釋放一定量的污染物（甲醛、苯及TVOC），封閉門窗后，定時(shí)檢測(cè)房間內(nèi)空氣中污染物的濃度，繪制污染物濃度隨時(shí)間變化的曲線，以測(cè)定該房間在自然狀態(tài)下污染物被吸附或滲漏情況；試驗(yàn)完畢后，打開門窗，用風(fēng)扇將房間吹掃干凈，備用。

利用統(tǒng)計(jì)方法比較使用凈化設(shè)備前后兩條曲線的變化情況，評(píng)價(jià)利用凈化設(shè)備治理室內(nèi)空氣中污染的效果。

2.2.4數(shù)據(jù)分析

在上述測(cè)試條件下，10小時(shí)內(nèi)，該凈化設(shè)備對(duì)室內(nèi)空氣中甲醛的最大凈化效率為81.6%，平均凈化效率為71.4%；對(duì)室內(nèi)空氣中苯的最大凈化效率為99.18%，平均凈化效率為82.83%；對(duì)室內(nèi)空氣中TVOC的最大凈化效率為98.12%，平均凈化效率為91.44%。

2.3利用紫外光凈化原理設(shè)計(jì)制造的室內(nèi)空氣凈化器使用條件

實(shí)踐表明，利用紫外光催化氧化原理設(shè)計(jì)制造的室內(nèi)空氣凈化器對(duì)于治理室內(nèi)空污染具有明顯的效果。但是，由于設(shè)備功率較大，單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生臭氧量較大，噪聲較大，僅適用于新裝修的房間，主要目標(biāo)是凈化由于裝飾裝修產(chǎn)生的靜態(tài)污染；對(duì)于日常活動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)污染只能經(jīng)過專業(yè)培訓(xùn)的人員操作、采取集中治理，不能隨時(shí)開啟、即時(shí)凈化。

3結(jié)論

3.1在室內(nèi)使用光觸媒（當(dāng)前以為TiO2使用最廣泛），由于缺乏紫外光的照射，不可能起到凈化室內(nèi)空氣中污染物的作用。

3.2普通意義上的紫外光，即高壓水銀放電管發(fā)出的紫外光（特征波長(zhǎng)365 nm，光子能量328 KJ/mol）不可能起到凈化室內(nèi)空氣中污染物的作用。

3.3單純使用臭氧，基本不能起到凈化室內(nèi)空氣中污染物的作用。因?yàn)殡m然臭氧具有強(qiáng)氧化性，但在空氣中污染物分子被破壞前，O3和空氣中污染物分子都可以相安無事。

3.4只有將低壓水銀放電管發(fā)出的184.9 nm的紫外光、臭氧、光催化劑三者科學(xué)地結(jié)合起來，利用184.9 nm的紫外光使室內(nèi)空氣中污染物分子在催化劑存在下迅速分解并與氧自由基重組為水和二氧化碳，才能真正實(shí)現(xiàn)凈化室內(nèi)空氣的目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：李云龍（1967-），男，高級(jí)工程師，研究方向：室內(nèi)環(huán)境研究。