光觸媒技術(shù)在軌道交通車輛車廂內(nèi)空氣治理中的應(yīng)用

（南車洛陽機(jī)車有限公司，471002，洛陽∥高級工程師）

光觸媒技術(shù)在軌道交通車輛車廂內(nèi)空氣治理中的應(yīng)用

袁其剛

（南車洛陽機(jī)車有限公司，471002，洛陽∥高級工程師）

分析了軌道交通車輛車廂內(nèi)空氣污染的產(chǎn)生原因，介紹了光觸媒處理有害化學(xué)物質(zhì)、細(xì)菌和病毒的機(jī)理，以及治理污染的手段。對應(yīng)用光觸媒技術(shù)治理軌道交通車廂內(nèi)空氣污染的效果進(jìn)行了實(shí)車在線測試，結(jié)果表明，光觸媒能有效降低車廂內(nèi)甲醛和PM 2.5的含量，光觸媒處理的車廂細(xì)菌數(shù)明顯減少。

光觸媒技術(shù)；軌道交通車輛；空氣污染治理

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軌道交通車輛作為人群流動的載體，不僅承擔(dān)著繁重的運(yùn)輸任務(wù)，同時負(fù)擔(dān)著公共安全的重要責(zé)任。軌道交通車輛是一種特殊的交通工具，其強(qiáng)制通風(fēng)不足、缺少紫外線照射、相對封閉的空間等條件，均不利于空氣污染物的清除，在人員密集的情況下，極易造成對人體健康的隱患。故必須加強(qiáng)對車廂污染的治理。

1 軌道交通車輛污染物的種類和成因

（1）揮發(fā)性有機(jī)物（VOC）：VOC是車廂空氣的主要污染物之一，主要包括苯、甲醛、丙酮等有害物質(zhì)。VOC的濃度過高會直接刺激人的嗅覺和其它器官，使人出現(xiàn)頭痛、乏力等癥狀，長期吸入更會導(dǎo)致癌癥。軌道交通車輛為保證車體氣密性、保溫性及隔音減振等要求，選用了諸多裝飾材料、保溫材料，以及各種黏膠、工程塑材等，這些是揮發(fā)性有機(jī)物的成因。新車車廂內(nèi)的有毒氣體會揮發(fā)很長時間。夏日陽光的暴曬也會激發(fā)各種有機(jī)物揮發(fā)，造成車內(nèi)空氣的嚴(yán)重污染。同時，VOC也是PM 2.5的主要成分。在日本，PM 2.5成分中40%是來自汽車尾氣排放的有機(jī)物；在北京，60%的PM 2.5成分來自燃煤、機(jī)動車尾氣及工業(yè)使用燃料。來自運(yùn)營線路沿線的這些有機(jī)物也是車內(nèi)空氣污染的來源。

（2）細(xì)菌和病毒：車廂內(nèi)空氣中細(xì)菌的來源很多，必須選定一個指標(biāo)來反映空氣微生物的污染情況。室內(nèi)空氣細(xì)菌學(xué)的評價指標(biāo)技術(shù)一般多采用細(xì)菌總數(shù)。在上海軌道交通1號線所做的細(xì)菌檢測中，75%的測試點(diǎn)細(xì)菌總數(shù)超標(biāo)，最高超標(biāo)達(dá)3.5倍以上。隨著2003年北京SARS病毒以及后來的禽流感病毒爆發(fā)，在流感多發(fā)季節(jié)，病毒對密集人群的侵襲越來越受到國家和相關(guān)部門的關(guān)切。

（3）灰塵：各種原因產(chǎn)生，有軌道交通車輛運(yùn)行過程中從通風(fēng)系統(tǒng)中吸入的，有人群帶入的，也有車輛自身產(chǎn)生的。由于空調(diào)和通風(fēng)系統(tǒng)的自動過濾功能，灰塵產(chǎn)生的污染相對容易清除。

（4）其他：諸如二氧化碳、二氧化硫等，由于含量很小，正常情況下不是車廂污染的主要原因。

2 現(xiàn)有治理空氣污染的方式比較

目前，治理室內(nèi)空氣污染主要采用濾網(wǎng)式、靜電集塵式、臭氧和負(fù)氧離子等空氣凈化器，以及光觸媒等技術(shù)，其性能比較見表1。

表1 各種空氣凈化器及技術(shù)的性能對比

3 光觸媒的工作原理

光觸媒是一種以二氧化鈦為主要成分的具有光催化功能的半導(dǎo)體材料。依據(jù)能帶理論為基礎(chǔ)的電子理論，半導(dǎo)體的基本能帶結(jié)構(gòu)由一系列的滿帶（最上面的滿帶稱為價帶）和一系列的空帶（最下面的空帶稱為導(dǎo)帶），以及價帶和導(dǎo)帶之間的禁帶組成。當(dāng)能量等于或者大于禁帶寬度的光照射時，半導(dǎo)體價帶上的電子就會被激發(fā)躍遷到導(dǎo)帶，此時在價帶便產(chǎn)生了空穴，于是半導(dǎo)體內(nèi)部就產(chǎn)生了電子（e-）和空穴（h+）對。半導(dǎo)體能帶具有不連續(xù)性，電子和空穴的壽命很長，在電場的作用下，電子與空穴發(fā)生分離，遷移到粒子表面的不同位置，與吸附在半導(dǎo)體催化劑粒子表面上的物質(zhì)發(fā)生氧化或者還原反應(yīng)。

光觸媒分解有害化學(xué)物質(zhì)的原理如圖1所示。光觸媒對有機(jī)物的處理機(jī)理為：光觸媒膜層受到太陽光或紫外線光譜的照射后，光觸媒基體的二氧化鈦會生成電穴和游離電子，實(shí)現(xiàn)離子化；這些電穴和游離電子跟空氣中的水和氧氣發(fā)生反應(yīng)，生成具有超氧陰離子自由基和氫氧自由基，具有強(qiáng)氧化性；超氧陰離子自由基和氫氧自由基將自然環(huán)境中的有機(jī)化合物（有害物質(zhì)）進(jìn)行分解，形成水、二氧化碳及無機(jī)物。

光觸媒對細(xì)菌的處理機(jī)理為：光激發(fā)二氧化鈦后，首先破壞細(xì)胞壁和細(xì)胞膜，隨后與細(xì)胞內(nèi)的組成部分發(fā)生生化反應(yīng)，導(dǎo)致功能元失活而使細(xì)胞死亡；光激發(fā)二氧化鈦與細(xì)胞發(fā)生間接反應(yīng)，即光生電子或光生空穴與水或者水中的溶解氧反應(yīng)，形成氫氧自由基等活性氧類。活性羥基、超氧離子、過羥基和雙氧水都可以與生物大分子如脂類、蛋白質(zhì)、酶類以及核酸大分子反應(yīng)，直接損害或者通過一系列氧化鏈?zhǔn)椒磻?yīng)對生活細(xì)胞結(jié)構(gòu)引起廣泛的損傷性破壞。國外實(shí)驗(yàn)證明，光觸媒不僅對破壞細(xì)菌結(jié)構(gòu)有效，而且對破壞病毒如流感病毒、薩斯病毒、禽流感病毒（含H1N1，H5N7）等結(jié)構(gòu)也非常有效。

圖1 光觸媒分解有害化學(xué)物質(zhì)的原理

光觸媒主要成分二氧化鈦的催化作用取決于很多條件，如礦相、粒徑大小、溶液酸堿度、吸收光波長等。在其他條件不變的情況下，二氧化鈦的粒子越小，即其表面積越大，光吸收效率越高，越有利于催化活性和反應(yīng)物的吸附，增大反應(yīng)概率。因此，納米量級的二氧化鈦是最佳的光觸媒形態(tài)。新舊光觸媒技術(shù)的對比見表2。

4 實(shí)車在線測試

2012年6月，在某鐵路局的的配合下，對光觸媒技術(shù)改善車廂內(nèi)環(huán)境的效果進(jìn)行了實(shí)車測試。

表2 新舊光觸媒對比

4.1 光觸媒施工

車廂內(nèi)光觸媒施工的設(shè)備擺放見圖2和圖3。

圖2 車廂內(nèi)光觸媒設(shè)備擺放橫向圖

圖3 車廂內(nèi)光觸媒設(shè)備擺放縱向圖

光觸媒施工的步驟為：

（1）關(guān)閉車廂車門，形成完全密閉的空間；

（2）打開噴霧機(jī)開關(guān)，噴霧5 min后確認(rèn)導(dǎo)管始終接觸容器底部；

（3）施工人員撤離車廂；

（4）噴霧45 min后分別檢查2臺噴霧容器的光鈦量，補(bǔ)足原液，直至所有原液消耗完畢；

（5）繼續(xù)讓噴霧器工作，以使光鈦微粒繼續(xù)在車廂內(nèi)有效地循環(huán)，充分地完成覆膜涂層；

（6）繼續(xù)保持車廂密閉狀態(tài)，時間為2 h，其間不得打開車廂車門和各種通風(fēng)口。

4.2 光觸媒施工效果測試

2013年3月，對相鄰兩節(jié)車廂（一節(jié)做過光觸媒處理，另一節(jié)沒有經(jīng)過光觸媒處理）進(jìn)行測試。在9個月的運(yùn)營中，這兩節(jié)車廂的運(yùn)營環(huán)境高度一致。

（1）測試前，車廂門窗全封閉12 h。

（2）分別進(jìn)行兩節(jié)車廂內(nèi)空氣的甲醛（代表VOC）含量測試、可吸入顆粒物PM 2.5（代表有機(jī)物）測試，以及抗菌測試。

（3）測試標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 17095-1997《中國室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，甲醛不得超過0.1 mg/m3；PM 2.5不得超過0.15 mg/m3。

（4）測試儀器見表3。

表3 測試儀器

4.2.1 甲醛測試

測試點(diǎn)見圖4，測點(diǎn)高度為0.52 m。測試結(jié)果見表4。

圖4 車廂內(nèi)甲醛測試點(diǎn)

表4 甲醛測試結(jié)果

測試結(jié)論為：光觸媒產(chǎn)品將車廂內(nèi)甲醛含量從超標(biāo)25%降低到國家標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值的1/4，車廂內(nèi)甲醛含量降低了80%。

4.2.2 PM 2.5測試

測試點(diǎn)為過道處，高度為1.1 m（見圖5）。測試結(jié)果如表5所示。

圖5 PM 2.5測試點(diǎn)

表5 PM 2.5測試結(jié)果

測試結(jié)論為：光觸媒產(chǎn)品將車廂內(nèi)PM 2.5含量降低了近85%，車廂內(nèi)PM 2.5含量從超標(biāo)2.4倍降低到國家標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值的1/3。

4.2.3 抗菌測試

測試點(diǎn)為窗戶上方側(cè)墻，高度為1.4 m（見圖6）。在60 mm×80 mm的面積內(nèi)涂抹細(xì)菌（酸奶），60 s后測試。測試結(jié)果見表6。

圖6 抗菌測試點(diǎn)

表6 抗菌測試結(jié)果

測試結(jié)論為：60 s內(nèi)，光觸媒處理的車廂細(xì)菌數(shù)明顯減少，光觸媒處理車廂的殺菌數(shù)是未進(jìn)行光觸媒處理車廂的3倍。

5 結(jié) 語

光觸媒是目前國際領(lǐng)先的室內(nèi)空氣污染處理手段，將其應(yīng)用于軌道交通車輛車廂的空氣環(huán)境污染治理是一個有益的嘗試。希望通過這個嘗試，讓乘客更安全更舒適地乘坐軌道交通。

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Application of Photocatalytic Technology for Air Cleaning in Rail Transit Vehicles

Yuan Qigang

Volatile organic compounds（VOC）and virus are the major pollutants inside rail transit vehicles，which significantly reduce air quality and influencepassengers' health.The technical and economic feasibility of the photocatalytic technology has been demonstrated for air quality control in rail transit vehicles.In this article，the new photocatalytic technology is introduced.In a practical case，the formaldehyde，PH 2.5 content and the number of bacteria are obviously reducedby adopting this method.

photocatalytic technology；rail transit vehicle；pollutant disposal

U 270.38+3；TU 834.8

2013-05-08）