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室内空气的催化净化是什么原理?

作者:佚名    责任编辑:admin    更新时间:    2015-11-22 04:00:36


    光催化是以光为能量激活催化剂,反应在常温常压下就可以进行。光催化净化技术是光化学和催化剂二者的有机结合。在光催化反嘘中,用自然光或灯光为光源,激发产生的活性自由基与污染物反应,使有机物分解成为二氧化碳和水分子,而且也能降解部分无机化合物。
    一般的建筑材料、装饰材料及所用的化学药品中,都会释放出种类繁多的挥发性有机化合物,如甲醛、苯、丙酮、氨、二氧化氮、硫化氢、二氧化硫、一氧化碳等,经过催化剂的催化作用,这些有害气体绝大多数被完全分解破坏,达到无机化的要求,最终留下清洁空气。
    (一)光催化净化技术的原理
    光催化净化技术是一种利用新型的复合纳米高科技功能材料的技术,也是一种低温深度反应技术。光催化剂纳米粒子在一定波长的光线照射下受激生成电子空穴对,空穴分解催化剂表面吸附的水产生氢氧自由基,电子使其周围的氧还原成活性离子氧,从而具备极强的氧化还原作用,将光催化剂表面的各种污染物摧毁。
    (二)光催化净化技术的特点
    (1)低温深度反应。光催化氧化可在室温下将水、空气和土壤中有机污染物完全氧化成无毒无害的物质。而传统的高温焚烧技术则需要在极高的温度下才可将污染物摧毁,即使用常规的催化氧化方法亦需要几百摄氏度的高温。
    (2)净化彻底。它直接将空气中的有机污染物,完全氧化成无毒无害的物质,不留任何二次污染,目前广泛采用的活性炭吸附法不分解污染物,只是将污染源转移。
    (3)绿色能源。光催化可利用太阳光作为能源来活化光催化剂,驱动氧化还原反应,而且光催化剂在反应过程中并不消耗。从能源角度而言,这一特征使光催化技术更具魅力。
    (4)氧化性强。大量研究表明,半导体光催化具有氧化性强的特点,对臭氧难以氧化的某些有机物如三氯甲烷、四氯化碳、六氯苯、都能有效地加以分解,所以对难以降解的有机物具有特别意义,光催化的有效氧化剂是羟基自由基(HO·),HO·的氧化性高于常见的臭氧、双氧水、高锰酸钾、次氯酸等。
    (5)广谱性。光催化对从烃到羧酸的种类众多的有机物都有效,美国环保署公布的九大类114种污染物均被证实可通过光催化得到治理,即使对原子有机物如卤代烃、染料、含氮有机物、有机磷杀虫剂也有很好的去除效果,一般经过持续反应可达到完全净化。
    (6)寿命长。从理论上讲,催化剂的寿命是无限长的。
    (三)室内空气催化净化技术
    催化净化是在催化剂的作用下,将有害气体氧化分解成无害物质,可以大大延长净化器的使用寿命。目前室内空气催化净化主要有以下几种技术。
    1.非平衡等离子体净化技术
    20世纪80年代以来,等离子体应用于处理各类污染物成为国内外研究的热点之一。低温等离子体与化学技术结合形成崭新的领域——低温等离子体化学,低温等离子体化学反应涉及材料的浅表面,具有不损伤材料基质、节水、节能、降低成本、无公害等优点,而且有可能实现传统的化学反应所不能实现的反应,在太阳能光电池、大规模集成电路(LSI)等电子学领域的应用,金属氮化膜的制造、医用生体材料的表面改性、功能性薄膜的制造等领域的迅速发展及实用化效果引起广泛关注。
    等离子体技术也应用于烟道气的脱硫和脱硝,降解芳香烃及硫化氢等物质。等离子体技术应用于环境污染治理的研究取得了很多进展,在治理烟道气方面有了很大改进,获得了一些新的成果,但是单纯的低温等离子体技术存在一定的缺点,离大规模工业应用还有一定的距离,需要进行改进或者跟其他工艺有机地结合。
    (1)非平衡等离子体技术的原理  对非平衡等离子体反应器,施加交流、直流或脉冲高压到电极上,在极不均匀电场的作用下,反应器的气隙中产生稳定的电晕放电,但不会击穿反应器。被污染的室内空气,在常温常压就能获得非平衡等离子体,在高压放电的作用下,由受到大量高能电子的轰击,产生O一和OH一等活性粒子,一系列反应使有机物分子最终降解为CO2和H2O。
    由此可知,非平衡等离子体净化技术(PPCP)去除气体污染物的基本原理是:通过电子束照射或高电压放电形式获得的非热平衡等离子体内,有大量的高能电子及高能电子激励产生活性粒子,将有害气体污染物氧化成无害物或低毒物。由于低温较平衡等离子体易于产生,在生态、环保领域有着广泛的应用前景。
    (2)与光催化相结合的非平衡等离子体空气净化装置  研究结果充分表明,非平衡等离子体与催化剂联用技术治理废气,在减少能耗和提高降解率等方面存在显著的优势,成为当今废气治理的发展方向之一。
    将二氧化钛(TiO2)光催化剂放在外加高压的线一板放电区,被污染的室内空气被等离子化,与板极等电位的二氧化钛(TiO2)光催化剂加速反应。
    等离子体产生的紫外光可激发催化剂,气体放电在产生低温等离子的同时,能产生较强的紫外线,可用于激发催化剂TiO2进行光催化。此外,TiO)e光催化剂起到一定的电介电作用,可以增强局部电场。同时,有的研究结果表明,从TiO2光催化剂中激发产生的导带电子,可以增强等离子电离区域的自由电子供应,从而提高等离子体的电离度。并能降低气体放电的的起始电压,这样有利于能源利用率,这已被许多研究证实。
    在等离子体中,除了有光子以外,还有电子、激发态分子、活性基团等高能量物质颗粒产生。其中电子的平均能量可达到5eV左右,而由电子与分子碰撞产生的激发态寿命长达数秒的亚稳态N2分子则有6.2eV的平均能量。这些粒子均可以激活表面的TiO2光催化剂,促进有害气体的光催化降解。
    有的学者对低气压条件下单独低温等离子体作用、等离子体与TiO2光催化剂结合、紫外线灯与TiO2光催化剂结合、等离子和T iO2光催化剂及紫外线灯结合,这四种条件进行了CH分解对比试验研究,试验结果表明,最后一一种结合条件下降解速率显著高于其他三种情况。
    2.纳米材料光催化技术
    室内空气环境净化的措施很多,但由于存在成本费用、可行性、技术成熟情况以及是否带来二次污染等问题,近年来国内外开发了一些绿色环保治理技术,如20世纪90年代开发的纳米光催化剂技术,其在环保中所起的作用是很突出的,能把氯代芳烃、农药、大气污染气体、室内异味等通过光催化氧化去除,而不带来二次污染,被誉为“绿色环保型催化剂”。
    光催化技术是一种高级氧化技术,即利用光生强氧化剂将有机污染物彻底氧化成H2O、CO2等小分子的技术,反应条件温和,设备简单。易于操作,且对低浓度污染物或气相污染物有很好的去除效果;另外,催化剂材料易得,运行成本低,太阳光可作为催化光源等优点,是一种非常有前景的污染治理技术。
    纳米材料光催化技术原理是采用纳米级材料(如TiO2)进行光催化,直接利用包括太阳光在内的各种来源的紫外光,在常温下对各种有机和无机污染物进行分解或氧化。经过三十多年的努力.科学家们对TiO2的光催化效果进行了大量的研究,光催化材料的理论和应用研究取得了长足的进步。由于纳米TiO2具有催化活性高、稳定性较好、氧化能力强、廉价且无毒、易制备成透明薄膜等特点,并具有较好的净化空气、抗菌、污水处理、自清洁等光催化效应,因此在环境净化方面展现了广泛的应用前景,已成为新一代室内空气净化的重要技术。为在室内空气净化中尽快推广应用,将在第三节中重点进行介绍。

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