郑州椰岛环保科技有限公司
光氧光解技术您当前所在位置:主页 > 光氧光解技术
前言
        二氧化钛光触媒材料自从1970年代日本东京大学的Akira Fujishima教授所发表之光触媒电极分解水以产生氢气与氧气之研究成果,从此开启了光触媒反应研究的趋势,而在1980年代中期,Fujishima教授将光触媒之研究转向利用光激发后产生电子与电洞之氧化还原能力,用来进行化学物质的光催化氧化还原反应,以拉近光触媒之实用化时程。光触媒材料与应用技术的开发就在日本东京大学、产业技术总合研究所为首的带动下,促成日本产学研三方的通力合力,积极发展技术外,还广泛申请各类专利,专利申请的范围涵盖光触媒材料、固定化技术与应用技术,所拥有的相关专利占了全球90%以上的比重。整体而言,光触媒材料的应用范围大都集中在环境应用方面,至于产氢与化学品合成等应用也有学者努力开发相关技术。以下将介绍光触媒在自我洁净与空气净化之应用技术原理与发展现况。

一.自我洁净应用
(一)自我洁净的作用原理

        自我洁净指物质本身具特殊性质,有能保持表面洁净之功能。奈米光触媒之是借助光能与雨水来达成自我洁净效果。在此,另一个相关性的奈米技术议题为莲花效应(Lotus effect)(Barthlott and Neinhuis, 1997),其为利用表面奈米级的纤维结构来产生超疏水性,使雨水、灰尘不易附着其上,再利用水滴将污染物沾附带离物体表面,达到自我洁净效果。其作用示意图如图1所示。相对地,奈米光触媒材料则是运用光源使涂层表面具备超亲水性(superhydrophilicity)与分解污染物能力,使附着于光触媒材料表面污染物,易被雨水冲刷掉落。因此,前者是属于超疏水性的作用,而光触媒则是属于超亲水性的作用。

        光触媒自我洁净原理为两种机制作用而成:一是化学性的表面污染物分解作用,利用光触媒吸收光线所产生的高氧化力的氢氧自由基等活性物质,分解表面污染物,使污染物附着能力变弱而易被雨水带走,达到清洗的效果清洗;二是物理性的除污作用,利用光触媒吸收光线所产生的超亲水性,使水容易进入污染物与底材间隙之中,而使污染物易被雨水冲刷掉落。一般而言,奈米光触媒的『除污』功能系指化学性作用除污,例如:表面上的有机污染物在日光与光触媒长时间作用下,可被分解为水与二氧化碳,而从物质表面逸散消失。但在很多情况下,污染物尚未被分解至水与二氧化碳时,就已经被雨水自表面冲刷掉落,达成自我洁净功能。其作用如图2所示。

(二)自我洁净的应用范围
        许多建筑物外观,需定期清洗维持洁净,如歌剧院、铁塔等,清理作业需要投入大量人力、金钱与时间,并包含一定风险,使用酸性或碱性清洁剂造成环境水质污染问题,使用环境友善性光触媒涂布于建筑物外层,可利用自然日光与雨水保持外观洁净,并减少清洗次数与清洁剂使用量,因此光触媒自我洁净功能兼具经济价值与环保意义。另外,在纺织品的自我洁净方面也有不少业者投入此方面的开发研究,利用光触媒的氧化能力来减少布料表面的污物附着。在此,举几个应用案例来说明光触媒自我洁净的功能。

1. 光触媒道路隔音墙:
        道路隔音墙之应用是目前光触媒在日本最大规模的实施例,在关东有青叶县、东京、川崎;关西部分有名古屋、大阪和滨户等地。主要目的在于降低交通要道空气污染物浓度与维持隔音墙之整洁,光触媒去除空气污染物会在后续几节详述。图3为日本大阪的实施例,此隔音墙为多孔复合型材料,可以具有隔音、及去除空气污染物功效。其自我洁净的功效很好,可以长期保持其外观洁净,以大阪市的测试报告为例,一年后光泽度几乎没有改变;没有涂过光触媒的隔音墙,光泽度则大为降低,在图中可以看出明显的差异性,也可以证实适当的光触媒涂层会具有良好的自我洁净效果。

2. 光触媒建物外墙应用:
        光触媒材料在外墙的应用亦具有十分庞大的市场潜力,在此,以Fujishima教授的住宅做为实例,如照片图4所示,Fujishima教授主持日本曹达公司的一项光触媒涂料应用计划,光触媒涂布的施工时间是在1999年7月,而照相是2004年5月,即施工期间到拍照时间有5年时间,拍摄工作人员有实际去表面摸过,外墙表面没有任何光触媒脱落现象,固定化效果相当好,窗沿部分也没有水垢等脏污,也证实此部分的光触媒涂料具有良好的自我洁净功效。

二 空气净化应用
(一)空气净化的作用原理
        空气污染以所处区域分为室内与室外的空气污染。室外空气污染来源为氮氧化物、硫氧化物、挥发性有机化合物、悬浮微粒、臭氧为主,会导致大气温室效应、呼吸道系统疾病、酸雨等问题,以汽机车与工厂排放的废气为主。室内空气污染来源,以卫浴与厨房等日常生活所制造的臭气为主。使用光触媒技术可降低空气污染程度,目前国内外已有多家厂商积极投入此范围,商品化的趋势也以空气净化的应用最快最广。

空气污染物可以大略再分成有机(VOC等)与无机(NOx、SOx与O3等)污染气体。光触媒分解有机与无机气相污染物的作用可分为以下两类:

1.有机气相污染物:
可分为下列步骤:
(1).光触媒受到光线激发表面附近的水气与氧气转换为活性物质,即氢氧自由基、超氧离子与双氧水等具氧化力的活性物质。
(2).有机气相污染物接触到活性物质后,污染物被活性物质破坏其分子结构(键结)分解成水与二氧化碳,或是被分解成更小的有机分子,以利于被微生物分解或吸收。


2.无机气相污染物:
可分为下列步骤:
(1).光触媒受到光线激发表面附近的水气与氧气转换为活性物质,氢氧自由基、超氧离子与双氧水等具氧化力的活性物质。
(2).无机气相污染物接触到活性物质后,污染物被活性物质氧化成转变为水溶性的分子,而暂时附着于光触媒表面,进而被水洗冲走,可以被微生物与植物吸收,或由弱碱性水溶液中和后放流至环境中。


(二)光触媒空气净化的应用范围
         空气中含有多种具有异味的分子,而在不同的场合中所含有的种类也不相同,例如:甲醛(福尔马林)、硫化氢、异丙醇、氨气等等,都是常见的臭味来源,而其浓度含量很低就可被察觉,例如:甲醛的嗅觉阈值为0.05~1.0ppm,有时虽不致于危害人体健康,但是会造成人体的不悦感,以公共场所与密闭空间内最需要改善臭味的问题。因此,光触媒温和而长效性的分解能力很适合用于解决低浓度的异味分子,达成除臭的效果。传统上一般处理空气污染物质时,常使用活性碳与沸石等具吸附力物质来集中污染物,但吸附剂不容易再生,须不断更新,含高浓度污染物吸附剂更需固定化后掩埋或高温燃烧处理,会产生二次公害与浪费资源等问题。此外,有部分种类的气相污染物,也不易被吸附剂集中吸附,因此,传统处理方式有时会有其限制与困难之处。

        光触媒可利用室内或日光光源来达成长期空气净化的目的,且可以利用雨水达成污染物收集与再生光触媒的作用,减少吸附剂的使用与二次污染的问题。在工业制程中所产生高浓度的空气污染物,比较不适合使用光触媒技术来处理,因为光触媒是属于温和而持续性的作用,特别适用处理低浓度的范围,如臭味去除可达成良好效果。但也有研究单位与业者开发将光触媒与吸附剂结合的技术,可以达成吸附与光催化的效果

1.室内空气净化应用实例:
        目前因为人口密集的关系,都市内的建筑日渐密集拥挤,再加上工业与交通繁忙的原因,使得户外空气质量不佳,开窗的比例很低。因此,在室内的空气流动不如农业社会,低换气率造成室内的空气质量不良,也会出现所谓大楼症候群(sick building syndrome),这是由于近二十年来在一般非工业用的建筑物当中,有愈来愈多的非特异性的症状盛行,盛行率有逐渐升高的趋势。其中主要原因之一就是室内的污染源,如地毯、复印机、二手烟、微生物暴露、挥发性有机物等都属于室内的污染源,光触媒可以针对这些污染源进行分解去除或降低的功效。因此,目前在市面上出现了许多标榜具有光触媒功能的室内空气净化产品,常见的可分为主动式与被动式系统两类:
(1).主动式系统:
        因为空调相关设备通常都有提供送风装置或照光的光源,所以把它分类为主动式系统。如:空气清静机、冷气机、电风扇等,所用方法主要是在风道中装设光触媒滤网与紫外灯管,使光触媒材料能接触到室内空气中的污染分子,而发挥净化的效果。光源方面,紫外灯管有使用UV-A范围的捕虫灯管、黑灯管以及UV-C范围的杀菌灯管。
(2).被动式系统:
        主要是指像光触媒涂料、光触媒建材与灯具,因为没有提供送风系统或光源,所以定义为被动式系统。以便利性来看,光触媒涂料因为使用方便而且应用范围很广,所以是光触媒业者极力开发的产品,它的优点是在室内具有抗菌及空气净化功效,在户外除了具有空气净化功效以外,还具有自我洁净功效,可大幅节省房屋的粉刷或清洁费用。但是一般涂料主要成分为树脂,虽然初期固定化效果不错,但长期照光下,光触媒会将之分解,涂层容易脱落。所以其施工必须分为多道程序,含有涂料、保护隔离层与光触媒层,整个程序较一般传统工法繁复。涂料方面的实例商品如图5,而图4中Fujishima教授的住宅即是使用日本曹达公司的涂料商品NRC-350A来施工。在光触媒室内建材方面,有光触媒涂布的磁砖或陶板材料,可以具有自我洁净、抗菌及空气净化的功能,国外以日本东陶公司最具有代表性,而国内和隆兴业公司、罗马磁砖等公司目前也已经投入研发与生产此类产品,其外观实例如图6所示。另外,国内亦有业者开发光触媒照明产品,一般光触媒灯管主要在灯管外面套上一层光触媒玻璃纤维网、灯衣或直接在灯管表面涂布一层光触媒薄膜。其主要的要求点在与良好通风系统搭配时,具有室内除臭的功效,但是灯管寿命有限,而价格偏高,所以一般市场推广较不易。图7为一般坊间经常看到的光触媒灯管,图上是套了光触媒玻璃纤维的套管,图下是直接在灯管表面涂布一层光触媒薄膜,其部分外观可以看出二氧化钛薄膜的虹光色彩。国内有东亚、旭光、菲利浦、阿密里照明与尚缘等公司有开发相关产品。
2.环境大气空气净化应用实例:
        在根据2002年资料,台湾地区的环境负荷,在人口数部份达到2,252万人,国民年成长率约在0.5~0.9%;车辆数目在1,791万辆,年成长率4~7%;能源消耗量9,996万公秉当量,年成长率4~7%。而在台湾属于地小人稠的区域,因此,空气质量并不理想,根据环保署数据目前空气质量现况以臭氧(O3)及悬浮粒状物(PM10)为主要问题。且以臭氧问题最为严重,由民国87年由54%增加到91年78%。而臭氧产生的机制为大气环境里的有机化合物与空气里面的氮氧化物经过紫外线照射以后,就会产生臭氧或多环芳香氨化合物(PAN),此两者会对呼吸道产生危害。光触媒可在将臭氧的产生源如氮氧化物与有机化合物加以分解降低,来达成降低臭氧的浓度。在前小节所提到的道路隔音墙,是目前光触媒在日本最大规模的实施例,主要目的除前节所述的自我洁净功用外,也在于降低交通要道空气污染物浓度,特别是氮氧化物,而道路隔音墙除阻挡车辆噪音,也阻挡车道空气循环,车辆排放废气容易积蓄在隔音墙附近区域,造成高浓度空气污染物,以光触媒与日光来处理环境大气中氮氧化物有很好效果,且无须提供光源,偶尔的雨水可再生光触媒功效,维持光触媒活性。在国内,工研院的前环安中心(现为绿能所)曾经在台北市与新竹市的交通要道测试过光触媒处理氮氧化物的效果,其去除的效果都十分不错。其选在台北车站附近的测试地点,因为其周围有建筑物阻挡,风速也不快,此地点这个位置全天候车辆都很多,图8为测试结果,蓝色部分是路旁浓度,经过光触媒处理后是比较下面虚线的位置,当有光照的部分,去除率大约都在九成左右,也说明在有光照时光触媒处理功效非常好,去除率约都在九成。其余环境大气的应用产品还有光触媒路面材料,其因为最接近污染源,将光触媒有效固定在柏油或水泥路面,因为它最接近污染源,可以将车辆所排放的废气,像是氮氧化物、硫氧化物、总碳氢化合物...等,都可以加以氧化分解,可以有效降低车辆排放废气对环境的冲击。其作用示意图与日本东京近郊的光触媒实施例外观照片如图9所示。光触媒处理氮氧化物会让转换成硝酸,下雨后硝酸可以就被水洗移除,可以再生光触媒活性。

结论
        二氧化钛光触媒无疑地为奈米科技中最能快速地展现成果的材料之一,因其用途广泛且具有环境友善性,目前也在各种民生化工的产品中渐渐占有重要的位置,也为许多传统产业创造产业升级的机会。在光触媒的应用方面,主要的环境应用技术的领先国目前仍为日本,在需多方面的专利布局方面也有成熟的表现,在国内学术界也有许多学者积极地的投入光触媒的基础与应用研究。而以目前国内的环境情况而言,室内的空气质量(除异味与抗菌)与大气环境的净化应为光触媒最实时的应用目标。在国内目前许多业者也已经积极投入产品营销与技术开发,而顺势成立台湾光触媒产业发展协会,但领先国日本的光触媒技术与专利在未来国内光触媒产业发展时,将会成为产业界的限制,因此,国内目前仍需要积极地投入技术开发与专利申请布局,以顺利达成产业升级与提升国内环境生活质量的目标。
版权所有归 郑州椰岛环保科技有限公司所有 技术支持:华威网络
手机:15538339800 李经理 网址:http://www. 邮箱:15538339800@qq.com
地址:河南省郑州市金水区红专路64号 网站地图 XML