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這些強(qiáng)氧化性基團(tuán)可強(qiáng)效分解各種具有不穩(wěn)定化學(xué)鍵的有機(jī)化合物和部分無(wú)機(jī)物,并可破壞細(xì)菌的細(xì)胞膜和凝固病毒的蛋白質(zhì)載體。

2015年4月,日本研發(fā)最新的光觸媒凈水技術(shù),可望為全球28億人解渴。日本松下公司正開(kāi)發(fā)一種新型光觸媒粒子,可望解決水不足問(wèn)題。該粒子是由沸石粒子與二氧化鈦微粒所構(gòu)成,在紫外線照射下充分混合于污水中,可使污水凈化成可飲用的程度。新型光觸媒凈水設(shè)備相當(dāng)簡(jiǎn)便,且1天可凈化高達(dá)3噸的水,可供應(yīng)相當(dāng)于印度20戶家庭的每日用水,而凈化每噸水所需費(fèi)用約為500日元,約人民幣26元。

2002年,光觸媒傳入中國(guó)。

此技術(shù)是將特殊光觸媒粉末倒入污水中,照射紫外線即可分解水中有毒金屬,凈化成飲用水,此技術(shù)也可用于整治受污染河川,且對(duì)環(huán)境生態(tài)無(wú)害。

納米二氧化鈦(TiO2)是一種半導(dǎo)體,主要有銳鈦型(Anatase),金紅石型(Rutile)及板鈦型(Brookite)三種晶體結(jié)構(gòu),其中:板鈦型晶體穩(wěn)定性差,一般認(rèn)為不具備光催化活性。

金紅石型晶體具有比銳鈦型晶體更強(qiáng)的光催化性能,耐候性和附著性也很好,納米無(wú)機(jī)包覆穩(wěn)定,市場(chǎng)價(jià)格高于銳鈦型晶體。

納米氧化鋅(ZnO)粒徑介于1-100 nm之間,是一種面向21世紀(jì)的新型高功能精細(xì)無(wú)機(jī)產(chǎn)品,表現(xiàn)出許多特殊的性質(zhì),如非遷移性、熒光性、壓電性、吸收和散射紫外線能力等,利用其在光、電、磁、敏感等方面的奇妙性能,可制造氣體傳感器、熒光體、變阻器、紫外線遮蔽材料、圖像記錄材料、壓電材料、壓敏電阻、高效催化劑、磁性材料和塑料薄膜等。在橡膠、陶瓷、紡織、印染、國(guó)防工業(yè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。

納米二氧化鋯(ZrO₂)呈高純度白色粉末狀,無(wú)臭、無(wú)味。低溫時(shí)為單斜晶系,高溫時(shí)為四方晶型。具有高的折射率(折射率2.2)和耐高溫性。有良好的熱化學(xué)穩(wěn)定性、高溫導(dǎo)電性和較高的高溫強(qiáng)度和韌性,具有良好的機(jī)械、熱學(xué)、電學(xué)、光學(xué)性質(zhì)。其中HT-ZrO-01為單斜晶型,HT-ZrO-02為四方晶型。納米氧化鋯顆粒尺寸微小、是很穩(wěn)定的氧化物,具有耐酸、耐堿、耐腐蝕、耐高溫的性能,可用于功能陶瓷和結(jié)構(gòu)陶瓷,以及寶石材料。

截至2013年,還沒(méi)有用肉眼區(qū)分光觸媒優(yōu)劣的可靠方法,選擇光觸媒要謹(jǐn)記一點(diǎn):

全面性

光觸媒可以有效地降解甲醛、苯、甲苯、二甲苯、氨、TVOC等污染物,并具有高效廣泛的消毒性能,能將細(xì)菌或真菌釋放出的毒素分解及無(wú)害化處理。

持續(xù)性

在環(huán)境污染不嚴(yán)重的條件下,只要不磨損、不剝落,光觸媒本身不會(huì)發(fā)生變化和損耗,在光的照射下可以持續(xù)不斷的凈化污染物,具有時(shí)間持久、持續(xù)作用的優(yōu)點(diǎn)。

但如果環(huán)境污染比較嚴(yán)重時(shí),一些硫酸根和硝酸根離子會(huì)影響光觸媒的壽命和效果,會(huì)出現(xiàn)失活現(xiàn)象,可以通過(guò)相關(guān)技術(shù)工藝恢復(fù)活性。

安全性

研究者動(dòng)物實(shí)驗(yàn)表明對(duì)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的肝、肺、心臟、腎等器官有生物毒性。

納米二氧化鈦可能對(duì)人體有害 可通過(guò)下面途徑進(jìn)入人體:一、通過(guò)呼吸系統(tǒng);二、通過(guò)皮膚接觸;三、其他方式,如食用、注射之類。納米材料污染物通過(guò)上述途徑進(jìn)入人體,與體內(nèi)細(xì)胞起反應(yīng),會(huì)引起發(fā)炎、病變等;污染物在人體組織內(nèi)停留也可能引起病變,如停留在肺部的石棉纖維會(huì)導(dǎo)致肺部纖維化 。

2018年1月24日,歐盟委員會(huì)(EC)消費(fèi)者安全科學(xué)委員會(huì)(SCCS)發(fā)布文件,宣布對(duì)于二氧化鈦(納米形式)作為紫外線(UV)過(guò)濾組分的應(yīng)用安全性研究結(jié)果依然存疑,在防曬和個(gè)人護(hù)理用噴霧型產(chǎn)品中用作紫外線過(guò)濾劑時(shí),納米鈦白粉的安全性問(wèn)題依然沒(méi)有得到解決,SCCS警告說(shuō),對(duì)于市場(chǎng)上已有的含有納米鈦白粉的噴霧型產(chǎn)品,"這種使用需要仔細(xì)評(píng)估,以避免通過(guò)吸入消費(fèi)者的肺部接觸造成有害影響的可能性"。

2007年中國(guó)河北承德的一家印刷廠7名女工2名死亡的案例,引起了一場(chǎng)關(guān)于納米疾病的探討并引起了學(xué)界的廣泛爭(zhēng)論。

2007年1月到2008年4月間,一家印刷廠制版車間的7名女工因呼吸困難,陸續(xù)被送進(jìn)朝陽(yáng)醫(yī)院治療。經(jīng)檢查,患者心臟和肺部有嚴(yán)重的胸腔變色積液和胸膜異物肉芽腫。其中2人后因胸腔積液惡化,經(jīng)搶救無(wú)效死于呼吸衰竭。經(jīng)過(guò)治療,另5名女工病情趨穩(wěn),但肺纖維化的過(guò)程無(wú)法逆轉(zhuǎn),盡管她們已停止工作。

為弄清病因,醫(yī)生用電子顯微鏡對(duì)死者的肺部積液和組織切片進(jìn)行觀察,在肺部上皮細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)了直徑約30納米的微小顆粒。隨后的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn),制版車間內(nèi)的粉塵和聚丙烯酸酯涂料中含有類似顆粒物。

盡管納米顆粒對(duì)于人體的致病機(jī)制尚未有明確報(bào)道,但已有動(dòng)物實(shí)驗(yàn)提示,納米顆粒能直接對(duì)生物體造成損傷。因此,女工們罹患的更像是一種"納米物質(zhì)相關(guān)疾病"。

以市面最多的光觸媒納米二氧化鈦為例:

純凈的納米二氧化鈦粉末,只能吸收400nm以下的紫外光,在自然環(huán)境下,紫外光占有比例較低,不足自然光的10%,因而純凈的納米二氧化鈦基本沒(méi)有光觸媒的功效。

所以,為使二氧化鈦可以吸收可見(jiàn)光,甚至吸收遠(yuǎn)紅外光,必須采用特殊材料的配制摻雜技術(shù)。

比如采用固相合成、過(guò)渡金屬離子和非金屬離子摻雜、金屬-有機(jī)絡(luò)合物、表面敏化、半導(dǎo)體復(fù)合等多種方法,對(duì)光觸媒進(jìn)行可見(jiàn)光誘導(dǎo)。二〇〇〇年以來(lái),還發(fā)現(xiàn)納米貴金屬(鉑、銠、鈀等)與光觸媒材料進(jìn)行配位螯合后,會(huì)極大提高光生載流子的分離效率和抑制電子-空穴的重新復(fù)合,從而進(jìn)一步拓寬了二氧化鈦的光波吸收范圍,這些納米貴金屬也被稱為"光觸媒的維生素"。日本汽車尾氣凈化裝置已大量使用納米貴金屬制成的催化劑。

純凈光觸媒技術(shù)只能在紫外光下作用,這已經(jīng)是二〇〇〇年前的技術(shù)了。21世紀(jì)國(guó)際光觸媒技術(shù)的發(fā)展方向是化學(xué)配位鍵螯合功能元素?fù)诫s技術(shù),使用這種技術(shù)可以極大增強(qiáng)光觸媒材料的光催化協(xié)同效應(yīng),從而可以吸收可見(jiàn)光,甚至可以吸收遠(yuǎn)紅外光。

2003年,中國(guó)首先發(fā)明遠(yuǎn)紅外光觸媒技術(shù),標(biāo)志著在光觸媒的光波吸收技術(shù)上,已經(jīng)超出世界水平�！疽�(jiàn)中國(guó)化工信息中心《查新報(bào)告(2003-021)》】

耐候性

光觸媒產(chǎn)品經(jīng)受氣候的考驗(yàn),如物理磨損、冷熱、自身晶格缺陷等造成的綜合破壞,其耐受能力叫耐候性。

純凈的光觸媒粉末不具有實(shí)用性,很簡(jiǎn)單,風(fēng)一吹就沒(méi)了,所以必須做成粘合型的溶液,而且溶液干燥后會(huì)吸附在各類家具表面,不容易磨損及掉落。要實(shí)現(xiàn)這個(gè)性能,不添加黏合劑是做不到的,所以不含黏合劑的光觸媒溶液產(chǎn)品要么是炒作,要么就是干燥后會(huì)大量掉落。

純凈光觸媒在光照射下,除了能發(fā)生光催化反應(yīng)外,還會(huì)發(fā)生光化學(xué)活性反應(yīng),這種光化學(xué)活性反應(yīng)是由光觸媒內(nèi)在晶格缺陷引起的,這種反應(yīng)會(huì)釋放新生態(tài)氧[O],新生態(tài)氧通過(guò)物質(zhì)遷移,與光觸媒本身及家具表面材料進(jìn)行反應(yīng),會(huì)導(dǎo)致物質(zhì)有機(jī)聚合物氧化、降解,最終造成涂膜的粉化和失光,縮短其使用壽命,造成家具表面失色或斑駁。所以,必須要對(duì)光觸媒進(jìn)行特殊工藝的無(wú)機(jī)包覆,從根本上解決光觸媒的光化學(xué)活性反應(yīng)問(wèn)題。

由上兩條可知,將光觸媒產(chǎn)品是否純凈,是否含有分散劑作為評(píng)價(jià)光觸媒性能是否優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)是不科學(xué)的。
純凈的光觸媒只能吸收紫外光,可吸收可見(jiàn)光甚至遠(yuǎn)紅外光的光觸媒必然螯合了其他活性催化材料。

有效濃度

光觸媒本身是一種催化劑,不直接參與降解反應(yīng),它通過(guò)吸收光能把水或氧氣轉(zhuǎn)化成強(qiáng)氧化活性基團(tuán),而強(qiáng)氧化活性基團(tuán)使空氣污染物降解,所以必須直接接觸到水分子或氧分子。

因而,在濃度因素中,決定光觸媒性能的是有效接觸濃度,即可以與水或空氣接觸的光觸媒濃度,而不是某一種產(chǎn)品的濃度。比如一塊二氧化鈦瓷磚,如果大量的二氧化鈦被封閉在瓷磚內(nèi)部,就算濃度再高,又有什么意義呢?

在噴涂產(chǎn)品中,有效接觸濃度不僅與溶液中光觸媒濃度有關(guān),而且與噴涂工具、噴涂手法等現(xiàn)場(chǎng)工藝有關(guān)。另外,與產(chǎn)品附著性也直接相關(guān),如果干燥后出現(xiàn)大量剝落,就算初始"濃度"再高,又有什么意義?

而且一般光催化反應(yīng)都是多相光催化過(guò)程,反應(yīng)過(guò)程都在界面發(fā)生。光催化反應(yīng)效率由催化劑自身的量子效率和反應(yīng)過(guò)程條件兩個(gè)方面決定。光催化材料表面的微觀結(jié)構(gòu)也很重要,它直接影響了光催化反應(yīng)的效率。好的光催化材料微觀表面應(yīng)該是粗糙的、凹凸不平的(以原子力顯微鏡微觀結(jié)構(gòu)照片為準(zhǔn)就像遍布隕石坑的月球表面),這樣可以增加捕捉甲醛、VOC等有機(jī)物氣體分子的機(jī)率,產(chǎn)生納米界面材料的二元協(xié)同效應(yīng)進(jìn)而增強(qiáng)降解凈化能力。

納米細(xì)度

根據(jù)不同光觸媒材質(zhì)不同而不同,一般認(rèn)為,納米細(xì)度大于50納米的光觸媒基本不具備光活性,30納米以下較佳。純凈光觸媒的納米細(xì)度可以做到5納米左右,但只能在紫外光條件下作用。螯合了活性催化元素的光觸媒一般分子直徑較大,因?yàn)轵�合元素越�?直徑自然越大,當(dāng)然,螯合越多,光波吸收范圍也越寬,螯合型光觸媒產(chǎn)品的最佳納米細(xì)度為8~10納米。

一般情況下,在相同光波吸收范圍下,光觸媒納米細(xì)度越小,催化性能越強(qiáng),但納米細(xì)度也不可能無(wú)限降低,一是細(xì)度越小,制作成本越高,性價(jià)比不高,二是光具有波粒二象性,當(dāng)材料納米細(xì)度少于一定程度后,會(huì)降低粒子性光能的吸收率,三是細(xì)度越小,后期越容易團(tuán)聚。故優(yōu)質(zhì)光觸媒一般納米細(xì)度均為5~10納米。

負(fù)氧離子

光觸媒在進(jìn)行光催化反應(yīng)的時(shí)候,會(huì)產(chǎn)生超氧陰離子自由基(O₂·),伴生負(fù)氧離子。

但可以達(dá)到最佳的負(fù)氧離子釋放功效的光觸媒,必須是可吸收遠(yuǎn)紅外光譜,只有這樣,白天、晚上及無(wú)光的櫥柜里,才可全天候釋放負(fù)氧離子。

空氣凈化

對(duì)甲醛、苯、氨氣、二氧化硫、一氧化碳、氮氧化物等影響人類身體健康的有害有機(jī)物起到凈化作用。

負(fù)氧離子

釋放負(fù)氧離子,中科院理化技術(shù)研究所對(duì)國(guó)內(nèi)某光觸媒進(jìn)行檢測(cè)后發(fā)現(xiàn),使用優(yōu)質(zhì)遠(yuǎn)紅外光觸媒噴涂100平米建筑面積的房間,相當(dāng)于種了25棵白樺樹(shù)的凈化效果。

殺菌

對(duì)大腸桿菌、金黃色葡萄球菌等具有殺菌功效。在殺菌的同時(shí)還能分解由細(xì)菌死體上釋放 出的有害復(fù)合物。

除臭

對(duì)香煙臭、廁所臭、垃圾臭、動(dòng)物臭等具有除臭功效。

防污

防止油污、灰塵等產(chǎn)生。對(duì)浴室中的霉菌、水銹、便器的黃堿及鐵銹和涂染面褪色等 現(xiàn)象同樣具有防止其產(chǎn)生的功效。

凈化

具有水污染的凈化及水中有機(jī)有害物質(zhì)的凈化功能,且表面具有超親水性,有防霧、易洗、易干的效能。

紡織品或多或少都含有微量的甲醛或者其它有害物質(zhì),經(jīng)過(guò)光觸媒處理后的紡織品不僅可以有效的降低甲醛等有害物質(zhì)的含量,而且紡織品在使用過(guò)程中也容易清洗。

地板

傳統(tǒng)地板精油只是養(yǎng)護(hù)地板的作用,而通過(guò)添加光觸媒,制作成光觸媒木質(zhì)精油,實(shí)現(xiàn)了對(duì)地板保養(yǎng)的同時(shí),還起到凈化空氣除甲醛的作用,尤其是地板見(jiàn)光性好,光觸媒作用更強(qiáng)。

陶瓷衛(wèi)浴

陶瓷、衛(wèi)浴在給人們帶來(lái)生活便利的同時(shí),也附帶產(chǎn)生了一個(gè)問(wèn)題——衛(wèi)生清潔,這是一直以來(lái)困擾了人們的問(wèn)題,尤其是馬桶,洗漱盆等,長(zhǎng)期使用后都會(huì)產(chǎn)生一定的異味或者污垢,普通清潔有很難去除,在經(jīng)過(guò)多年實(shí)踐應(yīng)用后,光觸媒被很好的融合到了陶瓷、衛(wèi)浴的生產(chǎn)工藝,通過(guò)在陶瓷表面負(fù)載一層光觸媒,不僅易于清潔,而且還有助于分解異味,防止污垢附著,極大的提高了陶瓷產(chǎn)品的清潔容易度。