隨著近二十年中國經濟持續高速增長，煤炭為主的能源結構排放的巨量大氣污染物使得我國城市室外空氣污染指數高居不下，室內裝修材料的普遍使用也導致室內有害氣體大幅度超標，已嚴重危害人類健康。光催化氧化作為一種高級氧化技術，近年來在難降解污染物的處理方面得到了廣泛的研究。科學家們研究中發現，TiO2 半導體光催化能夠降解幾乎所有的有機物，生成CO2 或易被生物降解的小分子，且光催化劑穩定性較高。而如何將光催化技術廣泛應用于日常生活中，如何選擇最佳光催化效果產品，保障人類健康遠離危害，就成為了我們目前急需解決的實際問題。

　　一、 空氣污染嚴重危害人類健康

　　室外空氣污染形勢嚴峻，主要包括工業企業廢氣排放、汽車尾氣排放、土壤灰塵等。據有關部門數據顯示，由于中國以煤炭為主的能源結構(60～70%)，燃煤產生了90% 的SO2、85% 的CO2、67%的NOX和煙塵等大氣污染物，降低大氣可見度并造成酸性嚴重沉積，引發支氣管炎和哮喘等呼吸道疾病，嚴重危害了人類健康。

　　室內空氣污染嚴重危害人類健康，人的一生超過90%的時間是在室內度過，在我們每天生活、工作的室內空氣環境中普遍存在粉塵、煙霧、有害氣體、病菌病毒、異味臭味等各種污染物，由于室內空間相對密閉，空氣不流通，污染物漂浮在其中。室內空氣污染物主要分為可吸入顆粒物、生物活性粒子污染物和氣態化學污染物3類。

　　室內空氣污染物之一的有害氣體VOCs，主要包括甲醛(來源于室內裝飾材料及家具中的板材,如人造板、夾心板等)；苯、甲苯、二甲苯(來源于油漆、膠水、涂料等)；氨氣(如施工添加的防凍劑含有氨)；氡(來源于水泥、石材、地磚等)。

　　美國環境署(EPA)對VOC的定義是：除了二氧化碳，碳酸，金屬碳化物，碳酸鹽以及碳酸銨等一些參與大氣中光化學反應之外的揮發含碳化合物。VOC的主要來源在室外，主要來自燃料燃燒和交通運輸：而在室內則主要來自燃煤和天然氣等燃燒產物、吸煙、采暖和烹調等的煙霧，建筑和裝飾材料，家具，家用電器，清潔劑和人體本身的排放等。有近千種之多。在室內裝飾過程中，VOC主要來自油漆，涂料和膠粘劑。

　　室內VOC濃度通常在0.2～2mg/m3之間，當室內VOC濃度在0.16～0.3mg/m3時，對人體健康基本無害，而在不當裝修施工中，甚至可高出數十倍。由于VOC本身具有著極大的危害性，已經被社會喻為人類的“隱形殺手”。

　　VOCs常見降解方法：吸附法、熱催化燃燒(250-500 ℃)、紫外光降解(UV/O3)。

　　0.1wt% Pt/TiO2催化劑上光催化與熱催化氧化 氯乙烯的降解：光催化氧化不同于一般

　　三氯乙烯(500 ppm)效果比較；結果表明低于的光分解反應。在催化劑的作用下，其120℃時，光催化表現出明顯的催化氧化活性。 活性遠高于后者。

　　“不良建筑物綜合癥”是危害人類健康的10大殺手之一。世界上30%的建筑物存在有害的室內空氣，35.7%的呼吸道疾病，22%的慢性肺病，18%的氣管炎 支氣管炎和肺癌與室內空氣污染相關。

　　由此可見，室內外空氣污染嚴重危害人類健康的客觀現實情況，已經成為我們應當予以考量的重大的、急迫的問題。

　　二、光催化理論發展與應用

　　通說認為，光催化(光觸媒)，即為“以光為催化劑，在吸收光的能量后，能夠發揮觸媒特性的物質”。亞洲以日本、韓國、臺灣為代表的學術界及產業界也稱之為“光觸媒”。雖然早在1930年便有以氧化鋅(ZnO)為反應素材的光觸媒被記載于文獻 ，但自1972年日本多相光催化研究學者，藤島昭和本多健一在n-型半導體二氧化鈦(TiO2)電極上發現了水的光電催化分解作用特性以來，制作光催化都采用半導體二氧化鈦為反應材料。現在學術上對光催化的定義為：“以二氧化鈦為反應材所制成的一種半導體應用材料。”

　　我們認為，TiO2 光催化劑表面在紫外燈照射下產生氧化性極強的氫氧自由基，能分解空氣中的有機物，破壞細胞膜，氧化細胞核，使病毒細菌喪失活性。

　　TiO2二氧化鈦的能隙(即令電子發生躍遷所需的能量，換言之就是激活光觸媒的能量)為3.2eV，通過換算可知，只有波長小于388nm的光能才可以激活二氧化鈦，而這部分波長的光正好是紫外線。

　　光催化的氧化還原反應：TiO2 光催化劑一經光照，原料中二氧化鈦的電子便會從價電帶躍遷至導電帶，在光觸媒表面形成電子(e-)電子空穴(h+)對，帶負電的電子與氧結合產生負氧離子(O2- )，帶正電的電子空穴與水結合產氫氧自由基(.OH)，這兩者在化學上都是極不穩定的物質，當有機物質(碳氫化合物)接觸到光觸媒表面時，便會分別和負氧離子及氫氧自由基結合，重新組合成二氧化碳(CO2)和水(H2O)。 這一連串的反應，學理上稱為“氧化還原反應”。

        透過氧化還原反應，當將光催化應用在生活、工作空間中時，便能有效分解氣味分子和細菌、病毒等微生物，達到潔凈室內環境、創造清新空氣的效果，因此近十年來在日本，光催化已被廣泛應用于居家環境和醫療院所中，此外經光觸媒加工的各類產品也成為醫療院所的最新選擇。

　　概言之，光催化氧化分解有害氣體VOCs操作條件溫和，是一種易于實用化的污染物降解技術，可殺滅大腸桿菌、綠膿桿菌、金黃葡萄球菌、霉球菌、空氣中的浮游細菌等。因此可以將各種有害化學物質、惡臭物質分解或無害化處理，達到凈化空氣、抗污除臭的作用。 最終產物為二氧化碳、水等無害物質。在反應過程中，光觸媒本身不會發生變化和損耗，在光的照射下可以持續不斷的凈化污染物，具有時間持久、持續作用的優點。

　　三、光催化反應因素

　　光催化反應影響因素中，除催化劑特性已普遍被人們所關注、研究之外，光源、有機物濃度、pH值、反應溫度皆有關聯，其中UV光源的選擇極為重要。

　　其中，催化劑特性因素包含粒徑、比表面積、表面羥基、結晶度(混晶)、吸光度(光譜響應范圍)等；光源因素包含黑光燈(250～320nm)、高壓汞燈(365nm)、碘鎢燈(可見區)、氙燈(可見區)等；有機物濃度因素中的高濃度下，由于有機物對紫外光也有一定程度的吸收，反而會抑制光催化氧化的速度；反應溫度因素中光催化反應是光化學過程和熱化學過程的結合，因此熱化學過程會影響光催化速度。

　　通常，將半導體TiO2和配合物Ru(bpy)2+3被稱為光催化劑。習慣上，常把包括金屬配合物在內的均相光催化體系視為廣義的，而把僅以半導體作為光催化劑的多相體系視為狹義的。光催化反應通常都是由若干個基元反應組合而成，最為人們熟知的有自然界的光合作用：CO2 + H2O → (CH2O) + O2。綠色植物通過葉綠素吸收陽光，由CO2和H2O光合成碳水化合物及其他化合物，同時向大氣中放出O2，這是一個相當復雜的光催化過程。整個過程能在有光和無光情況下進行，故可將它分成光反應和暗反應。光反應是形成“活化”物種的過程，暗反應是由活化物種將CO2還原的過程。

　　有部分學說認為，影響TiO2光催化活性的主要是TiO2晶體結構、TiO2表面結構、催化劑顆粒直徑、pH值、反應溫度因素，光源、光強僅是一般因素。我們認為，這是一種片面的認識。第一，分析TiO2晶體結構因素，高活性的銳鈦礦，具有較高的禁帶寬度使其電子空穴對具有更正或更負的電位，因而具有較高的氧化能力，決定發生的光催化過程強弱；第二，分析TiO2表面結構因素，充分接受光照的表面積、對光子的吸收能力、對光生電子和空穴捕獲并使其有效分離的能力、電荷在表面向底物轉移的能力，決定催化劑表面發生的光催化過程強弱；第三，分析催化劑顆粒直徑因素，催化劑粒子的粒徑越小，單位質量的粒子數越多，比表面積越大，這樣產生兩種效應：①半導體禁帶明顯變寬，電子-空穴對的氧化還原能力增強。②半導體電荷遷移速率增加，電子與空穴的復合幾率降低。對外表現為催化活性越高。從上述分析中，我們不難發現所有因素都需要最為重要的反應條件：TiO2吸收光能并轉化為電化學能產生氧化還原反應。在其它反應因素恒定條件下，依據能量守恒定律，光催化氧化還原反應強弱，與UV光源傳遞的光能強弱成正比例關系。

　　我們認為，無論是自然界中的CO2還原反應還是人工的水還原(產H2)和氧化(產O2)反應，都是通過多電子途徑發生的。在其它光催化反應因素恒定條件下，UV光源輻照強度決定光催化反應效能。輻照強度愈大，傳遞光能愈大，光催化效果愈佳。

　　四、高輻照度UV光源選擇

　　一般而言，UV光源分兩種：熱陰極低壓水銀弧光放電燈和冷陰極低壓水銀輝光放電燈。燈管采用玻璃吹制成為真空放電管，與常見的日光燈、節能燈燈管所采用的普通玻璃不同，參照GB標準生產的產品通常采用高純度石英玻璃材料。

　　1. 紫外線的分類

　　名稱紫外區可見光區紅外區

　　超紫外遠紫外中紫外近紫外紫光等近紅外區中紅外區遠紅外區

　　波普劃分真空紫外

　　10~200nmC波段

　　200~275nmB波段

　　275~320nmA波段

　　320~400nm380~780780~14001400~30003000~1000000

　　生物效應生成臭氧滅菌紅斑效應黑斑效應

　　根據生物效應的不同，將紫外線按照波長劃分為四個波段：①UVA波段，波長320～400nm，又稱為長波黑斑效應紫外線 。它有很強的穿透力，可以穿透大部分透明的玻璃以及塑料；②UVB波段，波長275～320nm，又稱為中波紅斑效應紫外線，中等穿透力，它的波長較短的部分會被透明玻璃吸收；③UVC波段，波長100～275nm，又稱為短波滅菌紫外線；④UVD波段，波長小于200nm，又稱為真空紫外線。

　　光催化通常采用365 nm UVA波段紫外線作電化學為氧化還原反應光源。

　　2. UV光源燈管材料品質差異

　　普通玻璃與石英玻璃紫外線透光率差異。就玻璃成分而言，有鈉鈣玻璃、石英玻璃、硼硅酸接耐熱玻璃、硼硅酸玻璃以及非堿性玻璃(Non-alkali glass)等。玻璃產品中，除石英玻璃外，幾乎所有的普通na硅玻璃都可以過濾或吸收大部分紫外線(200～360nm)，但可以透過可見光(360～1000nm)；石英玻璃可以完全透過紫外光和可見光(200～1000nm)。

　　一般UV光源燈管都采用石英玻璃制作，因為石英玻璃對紫外線各波段都有很高的透過率，達80%～90%，是做UV光源的最佳材料。

　　也有較多產品采用成本很低、紫外線穿透率<50%的高硼砂玻璃管代替石英玻璃，但它在性能上遠比不上石英UV管。高硼類燈管的紫外光強度很容易衰減，點燈數百小時后紫外線強度就大幅下降到初始時的50%～70%；而石英類燈管在點燃2000～3000小時后，紫外線強度只減到初始時的80%～70%，光衰程度遠遠小于高硼類燈管。

　　3. 熱陰極紫外燈與冷陰極紫外燈差異

　　熱陰極紫外燈具有以下特點：陰極位降小(10V左右)、大電流(80mA～2000mA)、紫外輻射強度通常是冷陰極的5～10倍、壽命4000小時左右；冷陰極紫外燈則具有陰極位降大(幾十伏～幾百伏高電壓)、小電流(2mA～100mA)、紫外輻射強度小、壽命高達20000小時。

　　4. UV光源燈存在的問題

　　①以高硼砂玻璃管替換高純石英玻璃管。因石英玻璃燈工藝特殊、制造困難、價格較高，使得殺菌燈的生產不能規模化，造成石英殺菌燈的成本較高；②光衰較大、壽命不長一般僅3000～4000小時左右。一般廠家生產的紫外線殺菌燈點燃數百小時后，它的紫外光強度衰減很快，最高達到30%。

　　5. 采用GB19258-2003《紫外線殺菌燈》國家標準制作的UV燈特征

　　①采用高純度石英玻璃管，羥基含量&le;8ppm；主要雜質含量之和&le;50ppm；紫外線透過率&ge;90%

        ①熱陰極平均壽命&ge;8000小時，冷陰極平均壽命&ge;12000小時；

　　目前，廣州約克，廣東美的，深圳康鴻，廈門萬利達，卡舒等國內外著名廠商選用了雪萊特UV燈管作為光催化光源。

　　綜上所述，我們認為，光催化氧化技術可以在空氣氣氛中實現大部分有機污染物的降解，光催化作為一種自然現象， 已在電化學、光化學、催化化學、生物化學等學科領域內有過廣泛的應用。但是具有類似雪萊特高穩定輻照度特性的UV燈是構成光催化的重要因素之一，而選擇不同品質UV光源對光催化效能具有較大影響。

　　參考文獻

　　[1] 許宜銘. 環境污染物的光催化降解:活性物種與反應機理 [J].化學進展,2009(21 )524-533.

　　[2] 每周質量報告.都是空調惹的病 [J].中央電視臺.北京:2套,2008-2009(2).

　　[3] 張彭義, 余剛, 蔣展鵬. 半導體光催化劑及其改性技術進展[ J] . 環境科學進展, 1997, 5( 3) : 1- 10.

　　[4] Wang R, Hashimato K, Fujishima A, et al. Light Induced Amphiphilic Surface[ J] . Nature, 1997, 388( 6640) : 431 -32.

　　[5]汪玲,王莉紅,邵瓊,蘭堯中.納米TiO2的光催化機理及其應用[ J] .濕法冶金,2004,6(23):57-60.

　　[6]鹿院衛.光催化空氣凈化的技術的基礎研究與應用開發[ R] 北京工業大學博士后研究工作報告,2003

　　[7]Zhao J uan,Yang Xudong. Photocatalytic oxidation for indoor air purification : a literature review [ J ] .Building and Environment , 2003 ,38 :645 654

　　作者簡介：黃愛軍(1971- )，男，漢族，湖南長沙人，廣東雪萊特光電科技股份有限公司紫外線事業部。