用于治理室內(nèi)空氣污染的光催化仿生植物的設(shè)計(jì)

摘 要：文章介紹了一種基于光催化技術(shù)降解室內(nèi)空氣污染物的仿生植物的設(shè)計(jì)。對(duì)仿生植物的設(shè)計(jì)思路、設(shè)計(jì)原理、以及仿生植物各組成部分所采用的材料及作用進(jìn)行了詳細(xì)介紹，并對(duì)該新型光催化產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域與前景進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：空氣污染；光催化；降解；仿

引言

室內(nèi)空間主要包括家庭住宅、工作單位、學(xué)校商場(chǎng)等公共場(chǎng)所以及汽車(chē)、火車(chē)及飛機(jī)等交通工具等環(huán)境。對(duì)于現(xiàn)代都市居民而言，日常生活中大部分時(shí)間是在室內(nèi)度過(guò)的，其中兒童和老人在室內(nèi)時(shí)間更長(zhǎng)，在北方嚴(yán)冬及南方酷暑季節(jié)，人們?cè)谑覂?nèi)的時(shí)間可高達(dá)達(dá)90%以上。隨著人們收入的增加以及生活水平不斷提高，人們對(duì)自己家居、工作、生活?yuàn)蕵?lè)等環(huán)境的條件要求不斷提高，近年來(lái)，室內(nèi)裝修不斷升級(jí)，但由于裝飾施工材料以及裝飾施工等各方面原因，在精心裝修后的室內(nèi)環(huán)境里，甲醛、苯等污染物超標(biāo)現(xiàn)象十分普遍，這些室內(nèi)空氣污染物對(duì)人們的身體造成了不同程度的損傷，不僅可以引起人體的不舒適、慢性呼吸道疾病，嚴(yán)重時(shí)還可以引發(fā)白血病等癌癥[1-2]。

如何防止室內(nèi)空氣污染，凈化室內(nèi)空氣，已經(jīng)成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。目前來(lái)看，去除室內(nèi)空氣污染比較常用的處理方法有以下幾種：微生物處理法、物理吸附法以及化學(xué)氧化法。盡管上述這些方法雖然對(duì)甲醛、苯等空氣污染有一定的治理效果，但也存在以下主要缺點(diǎn)：一是能耗偏高，二是效率低，三是污染物去除不夠徹底，容易帶來(lái)二次污染，這些缺點(diǎn)使得這些方法的應(yīng)用和推廣收到限制。人們迫切要求研制開(kāi)發(fā)綠色環(huán)保，低耗高效的新型污染去除材料以及室內(nèi)污染處理技術(shù)。

部分綠色植物如綠蘿，吊籃，龜背竹，具有吸收有毒氣體的功能，但天然植物的種植需要合適的溫度、水分、陽(yáng)光、雨露及肥料，如果在密閉的商場(chǎng)內(nèi)，汽車(chē)內(nèi)等室內(nèi)場(chǎng)合，很容易死亡。

納米TiO2是一種新型環(huán)保的功能納米材料，它無(wú)毒無(wú)害，具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性以及優(yōu)異的光催化活性。作為光催化劑，納米TiO2在水處理，空氣污染物處理，殺菌消毒等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用[3]。為了適應(yīng)日常生活的需要，也開(kāi)發(fā)了不同形式的納米TiO2光催化劑，比如可以接受日照凈化空氣得光催化劑窗簾、光催化劑涂料等，但這些產(chǎn)品都是固定在一個(gè)位置，也不具備美化環(huán)境的效果。而本設(shè)計(jì)是將納米TiO2光催化性能應(yīng)用到空氣凈化領(lǐng)域的一個(gè)新思路。文章介紹了一種基于光催化技術(shù)降解室內(nèi)空氣污染物的仿生植物的設(shè)計(jì)，從移動(dòng)性，美觀性及實(shí)用性角度來(lái)看，都是一種具有廣闊應(yīng)用前景及市場(chǎng)的光催化產(chǎn)品。

1 仿生光催化植物的空氣凈化原理

光催化是指在光照條件下，光催化劑可以借助光能把有機(jī)污染物降解成為CO2以及H2O等無(wú)機(jī)小分子的一種方法。降解過(guò)程中利用太陽(yáng)光的能源，光催化劑本身不消耗，可重復(fù)使用，并且沒(méi)有二次污染，是高效、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的綠色處理方法。近幾十年來(lái)，光催化技術(shù)得到不斷發(fā)展，從最初的TiO2一種，已經(jīng)發(fā)展到氧化物、硫化物、復(fù)雜氧化物等多種不同光響應(yīng)能力的系列和產(chǎn)品。光催化鍋中中，光催化劑能夠?qū)⑺蛘呶降娜芙庋蹀D(zhuǎn)化成羥基自由基（·OH）和超氧離子（·O2-），而這些基團(tuán)都具有非常強(qiáng)的氧化性，能夠降解大部分有機(jī)污染物，甚至能夠降解無(wú)機(jī)物。

目前的研究發(fā)現(xiàn)，室內(nèi)空氣污染物主要有：甲醛、苯系物、氨氣、氡氣等。通過(guò)光催化技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)快速分解多種氣相有機(jī)污染，其中包括醛、醇、酮、烴、等等，在室內(nèi)空氣污染中，甲醛和苯系污染物最多，危害也十分嚴(yán)重，是最需要凈化的兩類(lèi)污染物。

甲醛為一種有強(qiáng)烈刺激性氣味、無(wú)色有毒氣體，是制造樹(shù)脂、油漆、塑料等產(chǎn)品的原料，也是裝飾用人造板中粘合劑的重要原材料。甲醛的釋放過(guò)程可能長(zhǎng)達(dá)數(shù)年甚至數(shù)十年。甲醛的吸入不僅可以引起人體呼吸道疾病等一系列疾病，對(duì)人體的神經(jīng)系統(tǒng)以及免疫系統(tǒng)也有明顯毒害，嚴(yán)重時(shí)可致畸、致癌。苯系污染物主要為苯、甲苯以及二甲苯，是一種無(wú)色或淺黃色透明液體，容易揮發(fā)，具有強(qiáng)烈芳香氣味，易燃燒有毒性，它主要來(lái)源于裝飾用涂料、油漆、粘合劑等等。空氣中苯系污染物的吸入可導(dǎo)致頭痛頭昏、貧血以及感染等癥狀，長(zhǎng)期大量吸入可影響生殖系統(tǒng)，嚴(yán)重時(shí)可引起白血病等重大疾病。

甲醛以及苯的光催化降解機(jī)理主要是：在光照條件下，光生電子和空穴可以將催化劑表面的吸附的氧氣和微量水還原或氧化為·O2-和·OH，然后在空穴、·O2-和·OH這些具備強(qiáng)氧化性的基團(tuán)作用下，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)甲醛以及苯的深度氧化，最終變?yōu)镃O2和H2O，達(dá)到空氣凈化的作用[4]。

2 仿生光催化植物的主要結(jié)構(gòu)

針對(duì)上述現(xiàn)狀，文章設(shè)計(jì)了一種仿生TiO2光催化植物，植物主要包括有害氣體的吸附體系，紫外及可見(jiàn)光吸收體系以及光催化降解體系。圖1是文章所設(shè)計(jì)的仿生光催化植物示意圖，光催化降解體系主要有以下幾部分組成。

（1）有毒氣體吸附系統(tǒng)：有毒氣體降解的第一步是有毒氣體的吸附，本設(shè)計(jì)主要是利用活性炭與泡沫鎳的優(yōu)良吸附功能。仿生植物主干枝條采用泡沫鎳材料制備，中空部分采用活性炭顆粒填充，葉片部分以泡沫鎳為支撐材料，將活性碳?xì)峙c泡沫鎳粘結(jié)。（2）有毒氣體光催化系統(tǒng)：植物葉片表層進(jìn)行光催化劑TiO2的包覆。TiO2的包覆可以通過(guò)水解沉淀法以及溶膠-凝膠法來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)活性炭與泡沫鎳吸附到仿生植物表面的有毒氣體再經(jīng)過(guò)與TiO2光催化劑反應(yīng)，在光照條件下，進(jìn)行光催化作用，將有毒氣體分解，實(shí)現(xiàn)空氣凈化。

仿生光催化植物與已有光催化技術(shù)相比較，主要優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在以下兩點(diǎn)：（1）實(shí)現(xiàn)了有毒氣體吸附與降解的一體化。目前已有一些活性炭材料用于有毒氣體吸附，但通常只是用其吸附功能，很容易達(dá)到飽和而失去活性，另外吸附飽和的活性炭在遇到光照或者溫度升高的情況下，也會(huì)產(chǎn)生脫附的現(xiàn)象，不能從根本上解決污染問(wèn)題。而仿生光催化植物的設(shè)計(jì)，不僅解決了有毒氣體的吸附，而且實(shí)現(xiàn)了有毒氣體的進(jìn)一步光催化降解為無(wú)毒氣體。（2）實(shí)現(xiàn)了美化環(huán)境與凈化空氣的一體化。目前的一些光催化劑都是以粉末、塊體之類(lèi)出現(xiàn)。仿生光催化植物可以做成多種形式，如圣誕樹(shù)，闊葉植物，針狀植物等。通過(guò)大小、形狀以及顏色等變化，植物可以設(shè)計(jì)成多種形式，適合于各種室內(nèi)空間，如商場(chǎng)，會(huì)議室、汽車(chē)、家庭、飯店等，不僅可以凈化空氣，還可以起到裝飾作用。與天然植物相比，無(wú)需進(jìn)行種植，可長(zhǎng)時(shí)間重復(fù)使用，并且，光催化植物移動(dòng)位置也十分方便。

3 結(jié)束語(yǔ)

文章設(shè)計(jì)了一種日光響應(yīng)的室內(nèi)空氣凈化光催化仿生植物及其制備方法，其中日光響應(yīng)的室內(nèi)空氣凈化光催化仿生植物是由泡沫鎳金屬?gòu)?fù)合活性炭仿生植物以及包覆在葉片表面的納米TiO2光催化劑構(gòu)成。該仿生光催化植物不僅可以美化室內(nèi)環(huán)境，還可以利用日光，降解空氣中有毒污染物，如甲醛，苯等。該仿生植物具有較高的反應(yīng)活性，在日光照射下，可以有效去除空氣中有機(jī)污染物，凈化室內(nèi)空氣的目的，在室內(nèi)空氣凈化方面具有廣闊應(yīng)用前景。

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