光催化技術在工業通風領域的研究發展

(1.中國建筑第二工程局有限公司 河南 鄭州 450000；2.鄭州金融島建設發展集團有限公司 河南 鄭州 450000)

前言

工業通風技術幾千年以前在我國已有應用，孫平仲在《孔氏談苑》中詳細記載了在銅礦的開采過程中如何利用通風技術達到有效排除有害氣體的方法；宋應星在《天工開物》中詳細論述了古代勞動人民在煤礦等豎井工作中通過采取大竹筒排出瓦斯等有毒有害氣體的方法進行自身防護。現代工業中，人們對工業作業環境提出了更為嚴格的要求，世界各國均制定了嚴格的作業場所的衛生標準和排放標準，有效的防止了粉塵等有毒有害物質的傳播。愈加嚴格的標準及規范的制定，促進了工業通風技術的迅速發展，涌現了多種新型通風技術。

工業生產過程中不可避免的會產生多種類的有害物質，其中影響大氣品質的主要有以下幾種：溫室氣體、粉塵、余熱余濕、有毒有害氣體、蒸汽等。通風技術根據房間通風的范圍可以分為：局部通風(在污染區域直接捕集后凈化處理)和全面通風(對整個大空間進行整體通風換氣、凈化處理)；根據通風的動力不同可以分為：機械通風(不受室外氣象條件改變的影響)和自然通風(適用于會產生大量余熱余濕的車間，能夠達到巨大的通風換氣量)。

一、國內外發展動態和研究現狀分析

(一)工業通風技術在職業病防護上的應用

隨著我國國民經濟的高速發展以及人民生活水平的不斷提高，在各種新型材料、先進技術、嶄新工藝不斷出現的今天，新型的職業病和新型的職業危害風險也是層出迭見，給防治工作帶來很大的挑戰，現如今防治工作面臨重大的結構調整。近年來，我國政府監管部門通過不斷加強行政執法力度以及加大相關知識法規的宣傳，使從事工業生產的勞動者和經營者逐漸認識到了職業病的危害，從而越發重視自身的安全與防護，維護自身的權益。

然而，由于我國的生產裝備和工藝技術仍處于一個較低的水平，由于受到現有科技水平的局限，職業病在一級防護過程中，人們僅僅通過用新的原材料替代有毒原材料、改良現有的生產工藝來達到預防職業病的目的，在現今工業生產中很難做出大的改善；但是通過改進工業通風技術，應用在化工領域下的防塵防毒工程技術中，能夠在現今科技發展水平下有效降低工業生產中產生的化學有毒有害物質，從而成功的預防了職業病的發生。工業通風是通過不斷的加入新鮮空氣來改善工作環境中的空氣質量，也就是說通過注入新鮮氣流來使當前作業環境中的化學有害物質的含量下降，從而改良了作業環境中的空氣品質。工業通風技術現已經在職業病危害因素預防和控制領域得到廣泛應用。局部通風裝置被廣泛采用，是因其使用過程和建造的成本低、能量小、效果好。但是局部通風也有一定的局限性，對于毒物揮發性強、毒物釋放源分散的作業環境只依靠局部通風無法達到凈化空氣和消除污染空氣的目的，還需要有效的結合全面通風和氣流組織的方式[1]。

(二)工業通風在有害氣體凈化上的應用

化石等不可再生能源的不合理利用是致使二氧化碳濃度持續增長的主要原因，為了有效的降低溫室氣體對大氣環境造成的影響，維持或降低大氣中二氧化碳的含量，必須以合理分配化石能源為出發點。迄今為止，化石燃料和自然環境是人類文明進步的主要依靠，例如：化石燃料包括石油、煤、天然氣等；自然環境包括水、空氣、土地等。直至今日，化石能源主要應用在工業生產中，因此，從工業生產的源頭控制污染物是控制溫室氣體的關鍵。目前，在工業生產中，通風技術將工業生產中產生的污染物集中到凈化裝置，通過現有的凈化技術進行凈化處理，達到從源頭控制污染物、保護生態環境的目的。

有害氣體種類繁多，其物理、化學性質也各不相同，不同種類對應的有多種凈化方法，凈化處理排入大氣中的有毒有害氣體的方法主要有：催化凈化、吸附凈化、燃燒凈化、冷凝凈化、吸收凈化等；針對室內的空氣污染物的凈化方式主要有：光催化凈化、吸附凈化、離子體凈化等。

1.燃燒與冷凝凈化

燃燒凈化是利于燃燒的方法來將煙塵、蒸汽、有害氣體等轉變成無害物質，分為三種類型：催化燃燒、熱力燃燒、直接燃燒。在工業生產過程中，有害物質在勞動生產環境中的濃度較低，不足以直接作為燃料使用，達到凈化的目的，同時工業通風系統為了經濟性都要盡可能的對凈化設備燃燒過程中產生的熱量進行利用與回收。

冷凝凈化是將具有可回收價值的有機氣態污染物經過冷凝的物理處理過程進行直接回收利用，分為接觸冷凝和表面冷凝。

2.吸收凈化

化學吸收和物理吸收是吸收凈化的兩種方式，吸收凈化一般選用低濃度、大風量的通風排氣方式，所使用的氣體吸收設備主要有： 噴淋塔(適用于含塵氣體的吸收凈化)、填料塔(適用于耐腐蝕材料制造)、湍球塔、板式塔(造價低)、文丘里吸收器(適用于處理大體積量氣體)、噴射吸收器等。

3.吸附凈化

吸附凈化裝置種類繁多，大量使用的吸附裝置有：固定床吸附裝置(適用于有害氣體濃度較高的情況)、移動床吸附器(處理氣量大，適用于量大、連續、穩定的氣體凈化)、流化床吸附器(適用于治理排放量大且連續排的污染源)等。吸附凈化對凈化NOX、SO2有著顯著效果。

4.催化與光催化凈化

催化轉化法對不同濃度的污染物都有著顯著的成效。有效的應用于脫硫 、脫硝、汽車尾氣凈化處理和有機廢氣凈化處理中。現如今，利用催化轉化技術凈化氣態污染物已成為處理回收氣態污染物的重要手段。

去除包括甲烷，一氧化二氮和消耗臭氧層的鹵化碳在內的非二氧化碳類溫室氣體比去除大氣中的二氧化碳，能夠更快更有效地減緩全球變暖。甲烷的光催化是將其氧化成二氧化碳，能夠有效地降低全球變暖潛能；一氧化二氮可通過光催化技術還原成氮氣和氧氣；同時鹵烴可以通過紅氧光催化反應被鹵化物和二氧化碳礦化[8]。光催化技術避免了先將這些大氣成分分別捕獲和隔離再處理的過程。

(1)二氧化鈦光催化技術應用在太陽能煙囪發電廠上

De Richter R和Ming T[8]研究團隊將二氧化鈦光催化技術與太陽能煙囪發電廠相結合，通過二氧化鈦催化技術去除大氣中的非二氧化碳溫室氣體，該團隊提出將二氧化鈦光催化技術與太陽能煙囪發電廠(SCPPs)結合起來，通過氣體的流動，在達到凈化大氣中的非二氧化碳溫室氣體的同時，在一個包含軸流式渦輪機的太陽上升氣流塔中利用可再生能源發電技術進行發電[7]。

SCPP-PCR是一種負排放技術，可能有助于對抗全球變暖，通過防止或消除近1600千克當量二氧化碳當量(每個200兆瓦的電廠)來應對氣候變化。光催化科學技術以及工業應用的進展指出了光催化降低大氣中溫室氣體的潛力，對氣候變化的影響具有積極影響。

(2)中央空調系統空氣凈化裝置

中央空調系統空氣凈化裝置，是指與中央空調系統配套的空氣凈化設備，是全新的產品。凈化裝置可以分為三類：1、光催化、過濾與電子集塵技術組合的空氣凈化裝置；2、活化活性炭吸附和電子集塵凈化組合的空氣凈化裝置；3、納米光催化、活性炭吸附及等離子體凈化組合的中央空調空氣凈化裝置。這三種凈化裝置主要目的是去除室內空氣中的有害氣體物質、殺滅細菌和病毒等污染物。

對已有的中央空調系統空氣凈化裝置分析，光催化空氣凈化技術是利用光催化原理，將來自有機質腐敗分解，工業污染擴散，涂料、塑料、建筑材料等釋放到室內空氣中的有害氣體，以及寵物和人體排除的氣體(如：H2S、SO2、NH3、CO、醛類及苯系物等)等綜合催化處理，光解為無害、無臭便于回收處理的物質。光催化劑對H2、NH3、CO、SO2的光解率依次為：96%、83%、78%、72%(22平方米的密閉房間中運轉1小時)[8]。可以有效地應用在家庭、醫院、賓館、車站等場所進一步優化空氣質量，以及化工、冶煉、制藥、印染等高污染作業場所。該技術可與空調制冷技術相結合，用于空調機上，更增加了它的競爭力。

二、未來發展趨勢

光催化材料納米TiO2在各領域已得到了普遍的使用。利用納米TiO2在光照的條件下可以分解氮氧化物的特性，人們把其應用到道路材料上，來有效的分解汽車尾氣中的碳氧化物。納米TiO2還可以應用在光催化水泥基復合材料[9]、光催化涂層技術[12]以及其他各種光催化材料[10]等。

2009年我國抗菌及水凈化站占光觸媒產品市場份額的10%，自我清潔類產品占比是抗菌及水凈化站的2倍，空氣凈化器占比是抗菌及水凈化站的七倍，而日本建筑外裝飾材料占光觸媒產品市場份額的58%，類比說明在我國建筑外裝飾材料也將占據光觸媒產品很大的市場，有很大的發展空間。

三、結論

基于此，作者認為，工業通風技術有很廣闊的發展前景，將光催化技術廣泛應用在工業通風領域中，可以為在中國氣候條件下控制和回收溫室氣體，提供堅實的理論支撐體系。將光催化自潔涂料應用在工業通風系統中，在風量循環過程中，使風道具備自潔性的同時，治理PM2.5、解決溫室效應和分解有害有毒氣體。作者認為，將光催化材料在工業通風技術中被廣泛應用之前，以下問題需要解決：1、降低光催化材料的生產成本；2、提高光催化劑的光轉化效率及其穩定性；3、光催化材料與工業通風技術的最佳耦合關系的選取。