納米光催化TiO2的應(yīng)用領(lǐng)域及現(xiàn)狀
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自1972 年， A.Fujishima和K. Honda在n型半導(dǎo)體TiO2電極上發(fā)現(xiàn)了水的光電催化分解作用之后，國內(nèi)外的研究人員對TiO2產(chǎn)生了深厚的興趣。TiO2氧化活性較高，化學(xué)穩(wěn)定性好，對人體無毒害，成本低，無污染，應(yīng)用范圍廣，因而最受重視，是目前應(yīng)用最廣泛的納米光催化材料，也是最具有開發(fā)前途的綠色環(huán)保型催化劑。
應(yīng)用領(lǐng)域
納米TiO2 能處理多種有毒化合物，包括工業(yè)有毒溶劑、化學(xué)殺蟲劑、木材防腐劑、染料及燃料油等，迄今詳細(xì)研究過的有機(jī)物達(dá)100種以上。此外，TiO2光催化技術(shù)也被用于無機(jī)污染物的處理。利用光催化法在檸檬酸根離子存在下，可以使Hg2+被還原成Hg而沉積在TiO2表面；此法同樣適用于鉛。TiO2光催化可能降解的無機(jī)污染物還有氰化物，SO2、H2S、NO和NO2等有害氣體也能被吸附在TiO2表面，在光的作用下轉(zhuǎn)化成無毒無害物質(zhì)。
1．空氣凈化
當(dāng)前解決空氣污染主要有物理吸附法(活性炭)、臭氧凈化法、靜電除塵法、負(fù)氧離子凈化法等，但是這些方法自身都有著難以克服的弊端，所以一直難以大范圍地推廣使用。與其相比，利用納米光催化TiO2凈化空氣則有如下優(yōu)點(diǎn)：降解有機(jī)物的最終產(chǎn)物是CO2和H2O，沒有其它毒副產(chǎn)物出現(xiàn)，不會造成二次污染；納米微粒的量子尺寸效應(yīng)導(dǎo)致其吸收光譜的吸收邊藍(lán)移，促進(jìn)半導(dǎo)體催化劑光催化活性的提高；納米材料比表面積很大，增強(qiáng)了半導(dǎo)體光催化劑吸附有機(jī)污染物的能力。
利用納米光催化TiO2治理空氣污染已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，國內(nèi)外都出現(xiàn)了很多產(chǎn)品，例如納米空氣凈化器、中央空調(diào)凈化模塊、光觸媒涂料等，市場前景非常廣闊。
2．水處理
傳統(tǒng)的水處理方法效率低、成本高、存在二次污染等問題，污水治理一直得不到好的解決。納米技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用很可能徹底解決這一難題。
研究表明，納米TiO2能處理多種有毒化合物，可以將水中的烴類、鹵代烴、酸、表面活性劑、染料、含氮有機(jī)物、有機(jī)磷殺蟲劑、木材防腐劑和燃料油等很快地完全氧化為CO2、H2O等無害物質(zhì)。此外，納米TiO2在降解毛紡染料廢水、有機(jī)溴（或磷）殺蟲劑等到方面也有一定效果。無機(jī)物在TiO2表面也具有光化學(xué)活性。例如，廢水中的Cr6＋具有較強(qiáng)的致癌作用，在酸性條件下，TiO2對Cr6＋具有明顯的光催化還原作用。在pH 值為2.5的體系中，光照1h 后，Cr6＋被還原為Cr3＋ 。還原效率高達(dá)85% 。迄今為止，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)有3000多種難降解的有機(jī)化合物可以在紫外線的照射下通過納米TiO2或ZnO而迅速降解，特別是當(dāng)水中有機(jī)污染物濃度很高或用其他方法很難降解時，這種技術(shù)有著明顯的優(yōu)勢。德國開發(fā)出了利用陽光和光催化劑對污水進(jìn)行凈化的裝置，每小時可凈化100-150升水。
雖然利用納米光催化TiO2進(jìn)行水處理目前還未得到廣泛應(yīng)用，但我們可以看出它未來的應(yīng)用前景必將非常廣闊。
3．殺菌消毒
納米TiO2的殺菌作用是利用光催化產(chǎn)生的空穴和形成于表面的活性氧類與細(xì)菌細(xì)胞或細(xì)胞內(nèi)的組成成分進(jìn)行生化反應(yīng)，使細(xì)菌頭單元失活而導(dǎo)致細(xì)胞死亡，并且能使細(xì)菌死亡后產(chǎn)生的內(nèi)毒素分解。研究表明：將TiO2涂覆在陶瓷、玻璃表面，經(jīng)室內(nèi)熒光燈照射1小時后可將其表面99％的大腸桿菌、綠膿桿菌、金黃色葡萄球菌等殺死。
目前國外新型無機(jī)抗菌劑的開發(fā)與抗菌加工技術(shù)進(jìn)展較快，已經(jīng)形成系列化產(chǎn)品，其中TiO2高催化活性納米抗菌劑是市場前景最好的品種。日本在TiO2光催化抗菌材料研究與應(yīng)用起步較早，日本東陶等多家公司開發(fā)的光催化TiO2抗菌瓷磚和衛(wèi)生潔具已經(jīng)大量投放市場。日本將今后發(fā)展的目光投向歐美國際抗菌產(chǎn)品市場，預(yù)計海外市場將是其國內(nèi)市場的10倍，他們也極其關(guān)注中國抗菌塑料近年來的迅猛發(fā)展，紛紛搶灘中國市場。
應(yīng)用現(xiàn)狀
在當(dāng)今世界性的環(huán)境污染問題越來越受到各國政府重視的情況下，利用納米材料進(jìn)行環(huán)境治理已經(jīng)成為各國高科技競爭中的一個熱點(diǎn)。在納米光催化方面日本、美國等國家均投入巨資開展研究與開發(fā)工作，并大力推動其產(chǎn)業(yè)化，目前已有多種產(chǎn)品出現(xiàn)，其中所使用的納米光催化材料絕大多數(shù)都是TiO2。
1．日本
日本對于納米TiO2光催化的研究較早，現(xiàn)在已有多家日本公司生產(chǎn)出了多種納米光催化的實(shí)用產(chǎn)品，見表1：
表1 日本前十大催化公司及其主要產(chǎn)品
公司名稱 | 主要產(chǎn)品 | 公司名稱 | 主要產(chǎn)品 |
東芝 | 有除臭作用之光催化材料 | 松下電器 | 光催化空氣凈化器 |
隧道照明防污燈具 | 具抗菌功能照明燈具 | ||
應(yīng)用于照明燈具防污光催化膜 | 除臭凈化設(shè)備 | ||
具光催化功能的高壓鈉燈管 | 低折射率且具光催化功能薄膜 | ||
透光率好且平面光滑的照明燈具 | 用于空氣凈化的光催化劑 | ||
三菱紙業(yè) | 具除臭效能的紙箱 | 東陶機(jī)器 | 汽車用防污用光催化膜 |
空氣凈化器 | 光催化親水性薄膜復(fù)合材料 | ||
具除臭效能的熱風(fēng)干燥器 | 防污抗菌陶瓷器 | ||
具除臭抗菌作用的冷藏柜 | 空氣凈化系統(tǒng) | ||
適用于高溫高濕下除臭板 | 油性防污材料 | ||
防臭抗菌面罩 | 光催化防污導(dǎo)電建材 | ||
石川島播磨重工業(yè) | 密室環(huán)境的凈化設(shè)備 | 大慶工業(yè) | 空氣凈化器 |
貨車與船舶防污 | 建筑物空調(diào)系統(tǒng) | ||
儲柜內(nèi)部的凈化設(shè)備 | 車用空氣凈化設(shè)備 | ||
土壤凈化方法與器具 | 光催化凈化設(shè)備 | ||
抗菌功能食品儲藏柜 | 匯豐汽車 | 小型化空氣清潔機(jī) | |
短時間內(nèi)分析光催化機(jī)能的設(shè)備 | 具有濕度調(diào)節(jié)極高清潔能力的設(shè)備 | ||
密閉空間空氣凈化機(jī) | 合金半導(dǎo)體復(fù)合光催化劑 | ||
氣體凈化設(shè)備 | 應(yīng)用于燃燒室內(nèi)防污光催化劑 | ||
三菱 | 大氣NOx分解且防污應(yīng)用 | 日立 | 光催化劑附著光源 |
防帶電效果光催化膜 | 利用光催化的配水系統(tǒng) | ||
有機(jī)襯底光催化機(jī)制備方法 | 光催化除臭器 |
2．韓國
韓國從1999年開始有光催化方面的專利出現(xiàn)，近年成倍增長，起初重點(diǎn)為納米光催化材料，近年開始涉及水處理和空氣凈化領(lǐng)域。目前韓國納米光催化商品規(guī)模仍較小，產(chǎn)品以LG電子利用光催化生產(chǎn)空氣凈化式空調(diào)系統(tǒng)與Dohabu Cleantech的海水凈化裝置最受好評。下表為韓國部分光催化相關(guān)產(chǎn)品資料。
表2 韓國部分光催化相關(guān)產(chǎn)品
公司名稱 | 產(chǎn)品 |
Batu Enginnering | 污水處理機(jī)、薄膜材料 |
Enpion | 光催化材料、防污材料 |
G2K | 二氧化鈦光催化劑 |
Hanlimtech | 污水處理機(jī) |
Nano | 光催化劑 |
Nano Pac | 光催化劑 |
Pepcon | 空氣凈化器、除臭系統(tǒng) |
3．美國
美國環(huán)保署(EPA)是美國納米光催化研發(fā)的主要支持單位，其重點(diǎn)著重于水處理方面；包括地下水質(zhì)的改善、廢水處理以及河川污染等。河川污染除了針對因農(nóng)藥造成污染的研究外，對油污的研究(包含原油)也有相當(dāng)不錯的成果。
4．英國
英國倫敦和安大略核子技術(shù)環(huán)境公司開發(fā)了一種新的常溫光催化技術(shù)，利用納米二氧化鈦催化劑，能將工業(yè)廢液和被污染地下水中的多氯聯(lián)苯類分解為CO2和水。
英國皮爾金頓公司生產(chǎn)出了自潔凈玻璃。在玻璃表面鍍一層具有光催化作用的納米二氧化鈦薄膜，經(jīng)紫外線照射后可有效降解附著在玻璃表面的有機(jī)污染物，同時具有親水性，使玻璃長期保持自潔凈效果。
市場前景
據(jù)BCC(商業(yè)通訊)咨詢公司報道，2004～2009年間，納米催化劑市場預(yù)計年均增長6.3％，預(yù)計2009年全球納米催化劑市場可達(dá)50億美元。過渡金屬氧化物、非對稱(手性)化合物、碳納米管和其他納米催化劑的增長率預(yù)計由2004年的2％上升到2009年的6.8％。納米催化劑的消費(fèi)在較小型終端用戶領(lǐng)域里，特別是在聚合物方面增長最快，2004～2009年間年均增長率將達(dá)23％，能源使用預(yù)計年均增長率將為34.5%，納米技術(shù)使用預(yù)計年均增長率將為90.4％，其他方面(如親水性涂料)預(yù)計年均增長率為35.7％。
在我國每年僅居室的凈化市場就超過200 億元的需求。 據(jù)中國工程院權(quán)威專家預(yù)計，光催化在中國每年有100 億元的市場容量，其經(jīng)濟(jì)效益在環(huán)境產(chǎn)業(yè)中將占10%。到2010 年，每年平均以13%的增長速度發(fā)展，預(yù)計5-10年后的國內(nèi)市場能達(dá)到數(shù)百億元。
編者注:摘譯自：
http://www.homesite.com.au/products/renovate/windows/glass/glass/80157
http://www.ctci.org.tw/public/Attachment/562714282071.doc
http://www.tidynet.com.cn/company/news.asp?ALId=387
http://www.giichinese.com.cn/chinese/bc21463_nanocatalysts_toc.html
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