納米 TiO2功能性空氣濾料

1 納米 TiO₂/ 功能性空氣過濾材料的定義

   功能性空氣過濾材料是近來興起的空氣過濾材料研究領域的一個熱點。它具有某些特殊、不同于一般空氣過濾材料所固有的性能，能滿足特定行業和領域對空氣過濾材料特殊功能的需求，如耐高溫、耐腐蝕、抗靜電、拒水、拒油、阻燃、抗菌、抗病毒、清除有害氣體等而開發的空氣過濾材料，正越來越多地應用于工業煙氣和室內空氣凈化等領域。

   光催化凈化技術是近年來興起的一門前沿的高科技凈化技術。半導體離子在紫外線照射下，半導體納米離子能發生電子躍遷，產生活躍的價帶空穴和導帶電子，這種電子、空穴對和周圍的水、氧氣發生作用后，能產生有高氧化性能的自由基，將空氣中的甲醛、苯、氨等污染物直接分解成無害的小分子，如 CO₂、H₂O、N₂等，能將細菌、病毒等具有蛋白質結構的微生物殺死，并且將其分解成無害的無極小分子，從而達到凈化空氣的目的。常見的光催化劑多為金屬氧化物或硫化物，如 TiO₂，ZnO，ZnS，PbS 等。但由于光腐蝕和化學腐蝕的原因，實用性較好的有TiO₂和ZnO，其中TiO₂使用最為廣泛，作為光催化劑的 TiO₂具有無毒、化學性能穩定、氧化能力強、價格便宜、可以重復使用而消耗很少等優點，使光催化具有潛在的高效性和經濟性,因此在環保領域獲得了廣泛應用。而以提高穩定性和實用性為目的的光催化劑的固定化是多相光催化技術中的主要研究方向之一。

   單純采用納米光催化技術降解有害氣體,當被降解氣體的濃度較高時，其降解性能較好，而當被降解氣體濃度較低時，光催化降解速率較慢，且有可能生成有害的中間產物，影響凈化效果。因此，選擇一種濾料基材與光催化技術結合,利用基材對有害氣體的吸附作用，形成被降解氣體在基材表面形成有害氣體的聚集中心，有害氣體在基材上得到多倍濃縮，從而彌補光催化對低濃度污染物降解效率低的缺點。有效地提高光催化效率，正是在這種需求下，納米光催化技術與功能性過濾材料的有機結合便應運而生，而功能性空氣過濾材料也由于對室內空氣具有突出的凈化功能,近年來得到了飛速發展。2 納米TiO₂/功能性空氣過濾材料的研究現狀

   美國、日本、德國是功能性空氣過濾材料研究較早也是研究技術比較成熟的國家，并取得了一定的成就，到目前已經開發出了許多具有多種功能的空氣凈化材料和產品。國內對功能性空氣過濾材料的研究主要體現在兩個方面：一是開發功能性空氣過濾材料和多功能空氣凈化器；二是分析影響功能性空氣過濾材料使用效果的因素。研究單位主要有華東理工大學，天津工業大學，西安工程大學等高校以及其他科研單位和生產廠家。

   美國的Obee 等人專門研究了使用納米TiO₂材料光催化清除室內由建材、電器、家具等散發出的有害氣體的情況，探討了空氣濕度及有害氣體初始濃度對氧化速率的影響。得出了兩個結論：

  （1）普通問題建筑中的甲醛體積分數為0.5×10^{- 6}~2×10^{- 6}，在10×10^{- 6}以下通常的濕度范圍（15%~60%）內，氧化速率與污染物濃度成正比。

  （2）氧化速率與 TiO₂對水蒸汽及污染物吸收緊密性有關，還與氫氧根基團的作用機理有很大的關系。

   美國的一個公司推出了納米銀和納米二氧化鈦的空氣潔凈材料。該材料具有良好的殺菌、殺病毒、除異味、防霉的功能，并且效力長達半年。德國開發的一種多層的拒水的聚合物空氣過濾材料。該材料具有良好的拒水能力，粘附在空氣過濾材料上的細菌由于失去水分，沒有營養物質，而導致了死亡。

   日本的大金公司成功地把活性炭空氣過濾材料和TiO₂材料結合起來，開發了一種新型的空氣過濾材料。這種空氣過濾材料不僅能捕捉空氣中的微粒，還能去掉空氣中的異味，殺死空氣中的細菌。實驗表明，經過6 h 后，大腸桿菌數由初始的190000減少到10個。

   Jong Ho Lee, Misook Kang等人研究了使用納米TiO₂材料光催化的殺菌的性能。實驗研究表明，在紫外線的輻射照度24 W/m²的情況下，照射60 min后殺菌率細菌的存活率是 0.4%。香港中文大學利用TiO₂材料研制出空氣過濾產品，應用在空氣凈化處理系統中。該產品與比傳統紫外線照射相比，具有更好的殺菌效果。

   鄭州工業大學的陶躍武等人研究了TiO₂對空氣中微量丙酮和乙醛的光催化降解，分析了其降解影響因素。

   同濟大學于慧俐、茅清希等對納米 TiO₂覆膜濾料光催化降解甲醛特性及其影響因素進行了實驗研究。

   清華大學的張寅平、楊瑞等人研究了納米TiO₂材料的紫外光強對氧化速率的影響和溫度對氧化速率的影響得出了：（1）當光強大于一個太陽常數（1353 W/m²）時，氧化速率正比于光強的平方根；反之，氧化速率正比于光強。（2）在一般空調溫度范圍（13℃~60℃）內，甲苯與 1,3 - 丁二烯的氧化速率與溫度呈同向變化關系，而甲醛則相反。

華東理工大學采用浸涂法在復合載體上形成納米TiO₂光催化劑薄殼層,制備出可用于室內空氣凈化的活性炭-納米TiO₂光催化凈化網。以功率為6W、波長為 254 nm 的紫外殺菌燈照射 3 h 后，其甲苯凈化率為 98.8%，三氯乙烯（TCE）凈化率為99.5%，硫化氫凈化率為 99.6%，氨氣凈化率為96.5%，甲醛凈化率為 98.5%，一氧化碳凈化率為60.1%。通過對比試驗還表明，所研制的復合型空氣凈化網具有單純活性炭、單純光催化劑TiO₂、活性炭與 TiO₂簡單混合等凈化網所不具備的綜合優勢，通過復合提高了光催化效率，同時達到活性炭原位再生的目的。

   重慶大學黃海燕等人采用涂抹法制備了TiO₂/VACF 光催化層，考察了含濕量、紫外燈功率等因素對吸附光催化降解甲醛的影響。結果表明，水蒸汽的存在對甲醛的降解具有促進作用；TiO₂/ACF光催化層對甲醛的降解率并不隨含濕量單一變化，存在著最佳的水蒸汽含量值；當紫外燈功率由20 W 增加到61 W 時，TiO₂/ACF 光催化層對甲醛的凈化率隨著功率的增加而增。

   西安工程大學黃翔、楊建忠等人把活性炭纖維技術和微弱光源納米光催化技術結合起來，開發一種復合型功能性空氣過濾材料。這個課題獲得了國家自然科學基金委員會的資助（項目編號：50343 020）。

   西安工程大學顧群等人采用集防污、抗菌功能為一體的液相單分散納米防污、抗菌涂層整理劑對針刺氈進行處理，實現了納米TiO₂與空氣過濾材料的結合。經過納米整理劑處理后的針刺氈濾料涂層柔軟光滑，不影響空氣過濾材料的其他物理機械性能，其拒水、拒油性能得到顯著提高，按照GB12799-91 和 FZ/T01067-1999 標準進行性能檢測，拒油性能達到 6 級，拒水性能達到 4 級。在靜態和動態條件下分別對處理后的針刺氈濾料進行甲醛凈化測試，實驗結果表明，在相同的實驗條件下，靜態實驗中針刺氈空氣濾料整理樣相對于原樣對甲醛的降解率提高18.88%；動態實驗中經過 1h后針刺氈空氣濾料整理樣相對于原樣對甲醛的降解率提高了20.40%。

   西安工程大學趙麗寧等人以鈦酸丁酯為原料，采用溶膠2凝膠法制備納米TiO₂溶膠，并采用浸漬法分別對 AC 濾網和 ACF 濾料進行了光催化整理。對AC 濾網原樣和整理樣、ACF 濾料原樣和整理樣分別進行了光催化氧化甲醛測試。結果表明，AC 濾網整理樣和ACF濾料整理樣分別相對于AC 濾網原樣和 ACF 濾料原樣的阻力沒有明顯增加。納米TiO₂在紫外光的照射下和弱光源下均可以發生光催化反應，降解空氣中的甲醛。在紫外光照射下，AC 濾網整理樣對甲醛的降解率比原樣提高6.7%；ACF 濾料整理樣對甲醛的降解率比原樣提高 10.6%。弱光源時，ACF 濾料整理樣對甲醛的降解率比原樣提高6.3%；AC濾網整理樣和ACF濾料整樣降解甲醛的規律基本符合拋物線函數關系，即整理樣在一定時間后可以完全降解實驗系統內的甲醛。

   西安工程大學申祚飛等人以氟鈦酸氨、硼酸、ACF 為主要原料,采用液相沉積法制備了基于ACF 的納米 TiO₂/ACF 復合濾料，并對制備的納米TiO₂/ACF 復合濾料進行了凈化甲醛的測試。測試結果表明，制備的納米TiO₂/ACF復合濾料比ACF濾料原樣對甲醛的凈化率提高 10% 以上。通過實驗測試了復合濾料對甲醛的凈化率和濾料斷面風速的關系，結果表明，風速在 0.2 m/s ~2.6 m/s 范圍內，納米TiO₂/ACF復合濾料對甲醛的凈化效果表現為隨著風速的增加,凈化速率先升高后逐漸降低。

   西安工程大學王與娟等人選用羊毛纖維為基材，采用浸軋法制備了功能性空氣過濾材料，對制備的納米TiO₂/羊毛功能性濾料進行了阻力測試和降解室內低濃度甲醛的測試。結果表明，羊毛濾料光催化整理樣相對羊毛濾料原樣阻力增加了10%，羊毛濾料整理樣的阻力增加與濾料原樣的面密度成反比，3 種羊毛濾料的阻力變化與過濾速度成拋物線函數關系。當溫度為 24℃、風速為 0.3m/s、甲醛初始質量濃度為 0.6 m/m³時，羊毛濾料原樣和羊毛濾料整理樣對甲醛的凈化率分別為41.56% 和 68.74%。他們還在動態條件下測試了溫度和甲醛的初始濃度對制備的納米 TiO₂/ 羊毛功能性濾料凈化甲醛效果的影響。測試結果表明，當溫度在 20℃~28℃范圍內時，納米 TiO₂/ 羊毛功能性濾料對甲醛的凈化率隨著溫度的升高而降低；而甲醛的初始濃度越大，凈化效果越好。

3 問題及今后的研究方向

   新型功能性空氣過濾材料以其優良的性能而備受關注，其在室內空氣凈化中的應用目前尚處于理論研究和實驗室小樣處理研究階段。還有許多問題有待于進一步深入研究，如進一步研究功能性空氣過濾材料凈化有害氣體過程中產生的中間副產物以及反應的終產物；建立功能性空氣過濾材料處理有害氣體的理論模型，并分析各種因素綜合作用下對有害氣體降解效果的影響，為該類產品的設計和性能優化提供理論指導;而開發高性能、低成本、長壽命的多功能復合濾料將是未來空氣濾料的一個發展的一個大方向。