活性炭—光催化納米TiO2技術的應用研究★

毛晨露 劉晶晶 周嬌娜 陶松壘

(浙江科技學院，浙江 杭州 310023)

·綠色環保·建筑節能·

活性炭—光催化納米TiO2技術的應用研究★

毛晨露 劉晶晶 周嬌娜 陶松壘

(浙江科技學院，浙江 杭州 310023)

為研究活性炭—納米TiO2復合光催化技術在汽車空調濾清器中的應用，了解其對PM2.5和TVOC的凈化效果，制作了以無紡布作為支撐體，活性炭和光催化劑納米二氧化鈦(TiO2)附著其上的復合材料濾芯，通過與一輛新乘用汽車自帶的普通活性炭濾芯的凈化實驗結果對比，指出該濾芯提高了對PM2.5和TVOC的凈化率，彌補了現有技術的不足，推動了空調濾清器濾芯的升級換代。

活性炭—納米TiO2復合光催化技術，汽車空調濾清器，空氣凈化

1 社會背景

近幾年來，霧霾在全國多地頻頻發生[1]。2015年年初，知名央視前記者柴靜的《穹頂之下》將此話題推上風口浪尖，PM2.5的大幅度增加已經嚴重威脅到人類的生活甚至生存，這引起民眾和有關專家的關注。

而據有關研究表明，車內空氣污染程度是城市空氣污染的10倍[2]。因車內裝飾物釋放的有毒污染物及車輛行駛過程中的諸多因素導致車內PM2.5，TVOC，甲醛等指標嚴重超標，而在車內，因其空間狹小，細菌和污染物極易傳播，會誘發各種潛在疾病，從而威脅到搭乘人員的健康。

目前市場上為大眾熟知的空調濾清器一般分為普通型空調濾清器和活性炭空調濾清器兩種。普通型空調濾清器，大多是采用無紡布或濾紙作為濾芯，無紡布和濾紙只能去除灰塵和顆粒物，基本為白色單層。活性炭空調濾清器，則是由微小顆粒活性炭附著在兩面無紡布的中間，再將其深度加工的一種空調濾清器。

而通過大量的實驗驗證，市場上認可度最高的幾種普通型空調濾清器的凈化效果并不如其宣傳時所言，尤其是PM2.5和TVOC等直徑較小的顆粒物。活性炭空調濾清器通過反復過濾，也只能濾掉60%～70%的PM2.5，更遑論對于人體威脅更大，更加難以通過一般方式去除的TVOC等物質。

2 技術基礎分析

濾芯是濾清器的關鍵，要想改善其凈化效果，如何提高濾網的過濾效率成為我們所要研究的問題所在。近年來國內外的專家和廠商也對此重視程度越來越高，大多數的研究著重在濾芯的關鍵——凈化材料，而自20世紀初活性炭被工業化發展到空氣凈化領域，它就被當做一種高效低耗的吸附材料廣泛運用[3]。

但活性炭的局限性在于其單一吸附，很容易會因物理飽和等原因而失去作用，為了彌補這一缺陷，這幾年，相關研究把解決室內空氣凈化的角度轉向多元化，現有的研究不單單依靠活性炭和活性炭纖維材料的吸附技術，還包括了活性炭與光催化材料、生態酶、氧化鋁及其靜電場等的復合技術，雖然凈化效果得到了較大的改善，但卻有著不可忽視的缺點，技術的不成熟性和成本太高致使該技術還未能被廣泛地運用[4]。

新一輪光催化的研究熱潮來自于1972年Fujishima等發現了受輻射的TiO2表面會發生持續的氧化還原反應[5]，由于活性炭表面負載有TiO2導致活性炭的孔隙被堵塞，理論上會降低活性炭的吸附能力，但根據實驗研究，發現在扣除光催化降解因素后活性炭的吸附能力反而呈上升趨勢，這是由于光照下的TiO2會加強活性炭的吸附，即增加活性炭的平衡吸附量[6]。

納米TiO2的光催化作用會使活性炭孔隙中的污染物遷移至表面，恢復其吸附能力，實現了活性炭的原位再生，延長使用周期；同時憑借活性炭的吸附作用，能促進對空氣中含量極低的污染物的快速富集以及凈化，加快了光催化降解反應的速率，抑制了中間產物的釋放，兩者協同反應，其凈化效率得到極大的提升。在眾多的技術中，這也成為我們解決該問題的側重點所在。

目前市場上最具前景的便是兼具殺滅微生物功能的空調濾清器，而用于光催化的納米TiO2就具有高效滅菌的功能[7]。

本論文以TiO2為主的光納米催化劑和活性炭復合吸附技術為研究點，進行一系列在汽車空調系統的應用實驗。

3 實驗部分

3.1 實驗材料

無紡布，使用的活性炭經過篩選，粒度在20目～80目之間，光催化劑納米TiO2。

3.2 實驗環境

場所：一輛靜止且封閉的普通用車(豐田凱美瑞2.0 L)。

標準：GB/T 18801—2008空氣凈化器標準。

車內溫度：(25±2)℃。

3.3 TiO2光催化劑—活性炭(TiO2-Ac)復合膜組件的制備

采用酚醛—氯丁橡膠膠粘劑在支撐體無紡布表面粘結形成吸附層，采用厚度約1 cm的維尼綸觸媒椰子殼活性炭，用超聲分散法將納米(6 nm～11 nm)TiO2分散于水中，得到含有大于100 nm的團聚體漿料，采用負漬浸載法將支撐體和活性炭形成的復合載體在形成的漿料中浸染3次，每次浸染后在高溫離心振蕩的烘箱(400 ℃)中烘4.5 h，最終得到活性炭表面附有納米TiO2的薄殼結構[8，9]。其型號大小與實驗所用車輛自帶的空調濾清器的濾芯大小相同。

3.4 實驗內容

1)關閉車輛，定量注入模擬污染物使得車內PM2.5和TVOC的量上升，待穩定下來，記錄其PM2.5和TVOC測試儀表上記錄顯示出的初始數據。每隔30 s記錄下PM2.5和TVOC的濃度值，通過溫度計讀出車內溫度。

2)快速放入車輛空調濾清器，開啟鼓風機正對濾清器，每隔30 s記錄下PM2.5和TVOC的濃度值，重復實驗3次，取平均值。

3)其他條件不變，將車輛空調濾清器換成泡沫陶瓷基光催化組件實驗，同樣重復實驗3次，取平均值。

3.5 空氣凈化器性能評價方法

參照日本工業標準JIC 9615提出的空氣凈化器性能評價方法，將去除率作為判斷空氣凈化實驗效果的重要指標。去除率是空氣凈化器連續運行一段時間后，室內空氣中某污染物被去除的相對量。

其中，y為去除率，%；CA為同時間內空白實驗組內的污染物濃度值；CB為同時間內每個樣品組內的污染物濃度值。

4 結果與討論

普通濾芯和光催化組件對TVOC濃度的影響數據見表1。

表1 普通濾芯和光催化組件對TVOC濃度的影響數據

普通濾芯和光催化組件對TVOC的去除曲線見圖1。

普通濾芯和光催化組件對PM2.5濃度的影響數據見表2。普通濾芯和光催化組件對PM2.5的去除曲線見圖2。

5 結語

1)在活性炭上負載光催化劑，可以提高組件對PM2.5和TVOC的降解效果，光催化劑在光照的作用下，可以將吸附在微孔中的PM2.5和TVOC徹底分解，起到活化再生的作用，克服了單一活性炭的缺點，延長了組件的使用壽命，具有很好的應用前景。

2)納米TiO2的光催化作用會使活性炭孔隙中的污染物遷移至表面，恢復其吸附能力，同時憑借活性炭的吸附作用，能加快對空氣中含量極低的污染物的快速富集以及凈化，兩者協同反應，其凈化效率得到極大的提升。

表2 普通濾芯和光催化組件對PM2.5濃度的影響數據

3)市售普通組件和我們研制的濾芯對TVOC和PM2.5均有一定的去除效果，但通過對比普通市售濾芯，我們所研制的光催化組件在相同條件下，能夠去除78.21%的TVOC和95.40%的PM2.5，效果更好。因此，推薦使用品質更好的空氣濾清器，更為經濟且凈化效果更為顯著。

[1] 石芳芳.室內空氣凈化技術及產品綜述[J].制冷學報，2014(29)：108-109.

[2] 殷光遠.21世紀汽車駕駛技術600問[M].北京：人民郵電出版社,2006:53.

[3] Jo Wan-kuen,Park Jung-hoon,Chun Hee-dong.Photo-catalytic destruction of VOCsforin-vehicle air cleaning[J].Journal of Photochemistry and Photobiology A:Chemistry，2002(148):109-119.

[4] 汪嚴明，楊 敏，鄭少奎.用酵母菌處理油田鉆井廢水的研究[J].環境科學，2002，23(5):72-75.

[5] 湯華民，李江存，舒一蘭.活性炭材料在空氣凈化中的應用[A].公共安全中的化學問題研究進展(第二卷)[C].中國化學會,2011:5.

[6] 陳孝云.可見光響應TiO2與TiO2/活性炭復合材料的合成及表征[D].哈爾濱：東北林業大學,2007.

[7] 馬曉敏，王怡中.二氧化鈦光催化殺菌的研究及進展[J].環境污染治理技術與設備，2002，3(5):15-18.

[8] 吳忠標，趙偉榮.室內空氣污染及凈化技術[M].北京:化學工業出版社，2000.

[9] Tsuksa T,Norihiko T,Yoneyama.Effect of Activated Carbon Contention TiO2Loaded Activated Carbon on Photo Degradation Behavior of Dichlorimethane[J].JPhotobio Photochem A Chem，1997，103(3):153-157.

Activated carbon, nanometer TiO2photocatalysis technology application research★

Mao Chenlu Liu Jingjing Zhou Jiaona Tao Songlei

(ZhejiangUniversityofScienceandTechnology,Hangzhou310023,China)

Objective to study the activated carbon, nanometer TiO2composite photocatalytic technology application in the automobile air conditioner filter, understand its purification effect of PM2.5 and TVOC. Method to non-woven fabric as a supporting body, activated carbon and catalyst on the nanometer titanium dioxide(TiO2) attached to the composite filter, with a new passenger car with common active carbon filter purification experiment results of contrast. Point out the filter improves the purification rate of PM2.5 and TVOC, make up for the deficiency of the existing technology, promote upgrading of the air conditioning filter cartridge.

activated carbon nanometer TiO2composite photocatalytic technology, car air conditioner filter, air purification

2015-03-10★：國家級大學生創新創業訓練計劃資助項目(項目編號：11919)

毛晨露(1993- )，女，在讀本科生； 劉晶晶(1993- )，女，在讀本科生； 周嬌娜(1992- )，女，在讀本科生； 陶松壘(1957- )，男，教授級高級工程師

1009-6825(2015)12-0193-03

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