纳米 TiO2功能(néng)性空气滤料

1 纳米 TiO₂/ 功能(néng)性空气过滤材料的定义

   功能(néng)性空气过滤材料是近来兴起的空气过滤材料研究领域的一个热点。它具有(yǒu)某些特殊、不同于一般空气过滤材料所固有(yǒu)的性能(néng)，能(néng)满足特定行业和领域对空气过滤材料特殊功能(néng)的需求，如耐高温、耐腐蚀、抗静電(diàn)、拒水、拒油、阻燃、抗菌、抗病毒、清除有(yǒu)害气體(tǐ)等而开发的空气过滤材料，正越来越多(duō)地应用(yòng)于工业烟气和室内空气净化等领域。

   光催化净化技术是近年来兴起的一门前沿的高科(kē)技净化技术。半导體(tǐ)离子在紫外線(xiàn)照射下，半导體(tǐ)纳米离子能(néng)发生電(diàn)子跃迁，产生活跃的价带空穴和导带電(diàn)子，这种電(diàn)子、空穴对和周围的水、氧气发生作用(yòng)后，能(néng)产生有(yǒu)高氧化性能(néng)的自由基，将空气中的甲醛、苯、氨等污染物(wù)直接分(fēn)解成无害的小(xiǎo)分(fēn)子，如 CO₂、H₂O、N₂等，能(néng)将细菌、病毒等具有(yǒu)蛋白质结构的微生物(wù)杀死，并且将其分(fēn)解成无害的无极小(xiǎo)分(fēn)子，从而达到净化空气的目的。常见的光催化剂多(duō)為(wèi)金属氧化物(wù)或硫化物(wù)，如 TiO₂，ZnO，ZnS，PbS 等。但由于光腐蚀和化學(xué)腐蚀的原因，实用(yòng)性较好的有(yǒu)TiO₂和ZnO，其中TiO₂使用(yòng)最為(wèi)广泛，作為(wèi)光催化剂的 TiO₂具有(yǒu)无毒、化學(xué)性能(néng)稳定、氧化能(néng)力强、价格便宜、可(kě)以重复使用(yòng)而消耗很(hěn)少等优点，使光催化具有(yǒu)潜在的高效性和经济性,因此在环保领域获得了广泛应用(yòng)。而以提高稳定性和实用(yòng)性為(wèi)目的的光催化剂的固定化是多(duō)相光催化技术中的主要研究方向之一。

   单纯采用(yòng)纳米光催化技术降解有(yǒu)害气體(tǐ),当被降解气體(tǐ)的浓度较高时，其降解性能(néng)较好，而当被降解气體(tǐ)浓度较低时，光催化降解速率较慢，且有(yǒu)可(kě)能(néng)生成有(yǒu)害的中间产物(wù)，影响净化效果。因此，选择一种滤料基材与光催化技术结合,利用(yòng)基材对有(yǒu)害气體(tǐ)的吸附作用(yòng)，形成被降解气體(tǐ)在基材表面形成有(yǒu)害气體(tǐ)的聚集中心，有(yǒu)害气體(tǐ)在基材上得到多(duō)倍浓缩，从而弥补光催化对低浓度污染物(wù)降解效率低的缺点。有(yǒu)效地提高光催化效率，正是在这种需求下，纳米光催化技术与功能(néng)性过滤材料的有(yǒu)机结合便应运而生，而功能(néng)性空气过滤材料也由于对室内空气具有(yǒu)突出的净化功能(néng),近年来得到了飞速发展。2 纳米TiO₂/功能(néng)性空气过滤材料的研究现状

   美國(guó)、日本、德國(guó)是功能(néng)性空气过滤材料研究较早也是研究技术比较成熟的國(guó)家，并取得了一定的成就，到目前已经开发出了许多(duō)具有(yǒu)多(duō)种功能(néng)的空气净化材料和产品。國(guó)内对功能(néng)性空气过滤材料的研究主要體(tǐ)现在两个方面：一是开发功能(néng)性空气过滤材料和多(duō)功能(néng)空气净化器；二是分(fēn)析影响功能(néng)性空气过滤材料使用(yòng)效果的因素。研究单位主要有(yǒu)华东理(lǐ)工大學(xué)，天津工业大學(xué)，西安工程大學(xué)等高校以及其他(tā)科(kē)研单位和生产厂家。

   美國(guó)的Obee 等人专门研究了使用(yòng)纳米TiO₂材料光催化清除室内由建材、電(diàn)器、家具等散发出的有(yǒu)害气體(tǐ)的情况，探讨了空气湿度及有(yǒu)害气體(tǐ)初始浓度对氧化速率的影响。得出了两个结论：

  （1）普通问题建筑中的甲醛體(tǐ)积分(fēn)数為(wèi)0.5×10^{- 6}~2×10^{- 6}，在10×10^{- 6}以下通常的湿度范围（15%~60%）内，氧化速率与污染物(wù)浓度成正比。

  （2）氧化速率与 TiO₂对水蒸汽及污染物(wù)吸收紧密性有(yǒu)关，还与氢氧根基团的作用(yòng)机理(lǐ)有(yǒu)很(hěn)大的关系。

   美國(guó)的一个公司推出了纳米银和纳米二氧化钛的空气洁净材料。该材料具有(yǒu)良好的杀菌、杀病毒、除异味、防霉的功能(néng)，并且效力長(cháng)达半年。德國(guó)开发的一种多(duō)层的拒水的聚合物(wù)空气过滤材料。该材料具有(yǒu)良好的拒水能(néng)力，粘附在空气过滤材料上的细菌由于失去水分(fēn)，没有(yǒu)营养物(wù)质，而导致了死亡。

   日本的大金公司成功地把活性炭空气过滤材料和TiO₂材料结合起来，开发了一种新(xīn)型的空气过滤材料。这种空气过滤材料不仅能(néng)捕捉空气中的微粒，还能(néng)去掉空气中的异味，杀死空气中的细菌。实验表明，经过6 h 后，大肠杆菌数由初始的190000减少到10个。

   Jong Ho Lee, Misook Kang等人研究了使用(yòng)纳米TiO₂材料光催化的杀菌的性能(néng)。实验研究表明，在紫外線(xiàn)的辐射照度24 W/m²的情况下，照射60 min后杀菌率细菌的存活率是 0.4%。香港中文(wén)大學(xué)利用(yòng)TiO₂材料研制出空气过滤产品，应用(yòng)在空气净化处理(lǐ)系统中。该产品与比传统紫外線(xiàn)照射相比，具有(yǒu)更好的杀菌效果。

   郑州工业大學(xué)的陶跃武等人研究了TiO₂对空气中微量丙酮和乙醛的光催化降解，分(fēn)析了其降解影响因素。

   同济大學(xué)于慧俐、茅清希等对纳米 TiO₂覆膜滤料光催化降解甲醛特性及其影响因素进行了实验研究。

   清华大學(xué)的张寅平、杨瑞等人研究了纳米TiO₂材料的紫外光强对氧化速率的影响和温度对氧化速率的影响得出了：（1）当光强大于一个太阳常数（1353 W/m²）时，氧化速率正比于光强的平方根；反之，氧化速率正比于光强。（2）在一般空调温度范围（13℃~60℃）内，甲苯与 1,3 - 丁二烯的氧化速率与温度呈同向变化关系，而甲醛则相反。

华东理(lǐ)工大學(xué)采用(yòng)浸涂法在复合载體(tǐ)上形成纳米TiO₂光催化剂薄壳层,制备出可(kě)用(yòng)于室内空气净化的活性炭-纳米TiO₂光催化净化网。以功率為(wèi)6W、波長(cháng)為(wèi) 254 nm 的紫外杀菌灯照射 3 h 后，其甲苯净化率為(wèi) 98.8%，三氯乙烯（TCE）净化率為(wèi)99.5%，硫化氢净化率為(wèi) 99.6%，氨气净化率為(wèi)96.5%，甲醛净化率為(wèi) 98.5%，一氧化碳净化率為(wèi)60.1%。通过对比试验还表明，所研制的复合型空气净化网具有(yǒu)单纯活性炭、单纯光催化剂TiO₂、活性炭与 TiO₂简单混合等净化网所不具备的综合优势，通过复合提高了光催化效率，同时达到活性炭原位再生的目的。

   重庆大學(xué)黄海燕等人采用(yòng)涂抹法制备了TiO₂/VACF 光催化层，考察了含湿量、紫外灯功率等因素对吸附光催化降解甲醛的影响。结果表明，水蒸汽的存在对甲醛的降解具有(yǒu)促进作用(yòng)；TiO₂/ACF光催化层对甲醛的降解率并不随含湿量单一变化，存在着最佳的水蒸汽含量值；当紫外灯功率由20 W 增加到61 W 时，TiO₂/ACF 光催化层对甲醛的净化率随着功率的增加而增。

   西安工程大學(xué)黄翔、杨建忠等人把活性炭纤维技术和微弱光源纳米光催化技术结合起来，开发一种复合型功能(néng)性空气过滤材料。这个课题获得了國(guó)家自然科(kē)學(xué)基金委员会的资助（项目编号：50343 020）。

   西安工程大學(xué)顾群等人采用(yòng)集防污、抗菌功能(néng)為(wèi)一體(tǐ)的液相单分(fēn)散纳米防污、抗菌涂层整理(lǐ)剂对针刺毡进行处理(lǐ)，实现了纳米TiO₂与空气过滤材料的结合。经过纳米整理(lǐ)剂处理(lǐ)后的针刺毡滤料涂层柔软光滑，不影响空气过滤材料的其他(tā)物(wù)理(lǐ)机械性能(néng)，其拒水、拒油性能(néng)得到显著提高，按照GB12799-91 和 FZ/T01067-1999 标准进行性能(néng)检测，拒油性能(néng)达到 6 级，拒水性能(néng)达到 4 级。在静态和动态条件下分(fēn)别对处理(lǐ)后的针刺毡滤料进行甲醛净化测试，实验结果表明，在相同的实验条件下，静态实验中针刺毡空气滤料整理(lǐ)样相对于原样对甲醛的降解率提高18.88%；动态实验中经过 1h后针刺毡空气滤料整理(lǐ)样相对于原样对甲醛的降解率提高了20.40%。

   西安工程大學(xué)赵丽宁等人以钛酸丁酯為(wèi)原料，采用(yòng)溶胶2凝胶法制备纳米TiO₂溶胶，并采用(yòng)浸渍法分(fēn)别对 AC 滤网和 ACF 滤料进行了光催化整理(lǐ)。对AC 滤网原样和整理(lǐ)样、ACF 滤料原样和整理(lǐ)样分(fēn)别进行了光催化氧化甲醛测试。结果表明，AC 滤网整理(lǐ)样和ACF滤料整理(lǐ)样分(fēn)别相对于AC 滤网原样和 ACF 滤料原样的阻力没有(yǒu)明显增加。纳米TiO₂在紫外光的照射下和弱光源下均可(kě)以发生光催化反应，降解空气中的甲醛。在紫外光照射下，AC 滤网整理(lǐ)样对甲醛的降解率比原样提高6.7%；ACF 滤料整理(lǐ)样对甲醛的降解率比原样提高 10.6%。弱光源时，ACF 滤料整理(lǐ)样对甲醛的降解率比原样提高6.3%；AC滤网整理(lǐ)样和ACF滤料整样降解甲醛的规律基本符合抛物(wù)線(xiàn)函数关系，即整理(lǐ)样在一定时间后可(kě)以完全降解实验系统内的甲醛。

   西安工程大學(xué)申祚飞等人以氟钛酸氨、硼酸、ACF 為(wèi)主要原料,采用(yòng)液相沉积法制备了基于ACF 的纳米 TiO₂/ACF 复合滤料，并对制备的纳米TiO₂/ACF 复合滤料进行了净化甲醛的测试。测试结果表明，制备的纳米TiO₂/ACF复合滤料比ACF滤料原样对甲醛的净化率提高 10% 以上。通过实验测试了复合滤料对甲醛的净化率和滤料断面风速的关系，结果表明，风速在 0.2 m/s ~2.6 m/s 范围内，纳米TiO₂/ACF复合滤料对甲醛的净化效果表现為(wèi)随着风速的增加,净化速率先升高后逐渐降低。

   西安工程大學(xué)王与娟等人选用(yòng)羊毛纤维為(wèi)基材，采用(yòng)浸轧法制备了功能(néng)性空气过滤材料，对制备的纳米TiO₂/羊毛功能(néng)性滤料进行了阻力测试和降解室内低浓度甲醛的测试。结果表明，羊毛滤料光催化整理(lǐ)样相对羊毛滤料原样阻力增加了10%，羊毛滤料整理(lǐ)样的阻力增加与滤料原样的面密度成反比，3 种羊毛滤料的阻力变化与过滤速度成抛物(wù)線(xiàn)函数关系。当温度為(wèi) 24℃、风速為(wèi) 0.3m/s、甲醛初始质量浓度為(wèi) 0.6 m/m³时，羊毛滤料原样和羊毛滤料整理(lǐ)样对甲醛的净化率分(fēn)别為(wèi)41.56% 和 68.74%。他(tā)们还在动态条件下测试了温度和甲醛的初始浓度对制备的纳米 TiO₂/ 羊毛功能(néng)性滤料净化甲醛效果的影响。测试结果表明，当温度在 20℃~28℃范围内时，纳米 TiO₂/ 羊毛功能(néng)性滤料对甲醛的净化率随着温度的升高而降低；而甲醛的初始浓度越大，净化效果越好。

3 问题及今后的研究方向

   新(xīn)型功能(néng)性空气过滤材料以其优良的性能(néng)而备受关注，其在室内空气净化中的应用(yòng)目前尚处于理(lǐ)论研究和实验室小(xiǎo)样处理(lǐ)研究阶段。还有(yǒu)许多(duō)问题有(yǒu)待于进一步深入研究，如进一步研究功能(néng)性空气过滤材料净化有(yǒu)害气體(tǐ)过程中产生的中间副产物(wù)以及反应的终产物(wù)；建立功能(néng)性空气过滤材料处理(lǐ)有(yǒu)害气體(tǐ)的理(lǐ)论模型，并分(fēn)析各种因素综合作用(yòng)下对有(yǒu)害气體(tǐ)降解效果的影响，為(wèi)该类产品的设计和性能(néng)优化提供理(lǐ)论指导;而开发高性能(néng)、低成本、長(cháng)寿命的多(duō)功能(néng)复合滤料将是未来空气滤料的一个发展的一个大方向。