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纳米光催化TiO2的应用领域及现状

供稿人:杨莺歌  供稿时间:2005-11-18   关键字:纳米  光催化  TiO2  应用  空气净化  水处理  杀菌  
自1972 年, A.Fujishima和K. Honda在n型半导体TiO2电极上发现了水的光电催化分解作用之后,国内外的研究人员对TiO2产生了深厚的兴趣。TiO2氧化活性较高,化学稳定性好,对人体无毒害,成本低,无污染,应用范围广,因而最受重视,是目前应用最广泛的纳米光催化材料,也是最具有开发前途的绿色环保型催化剂。
 
应用领域
 
纳米TiO2 能处理多种有毒化合物,包括工业有毒溶剂、化学杀虫剂、木材防腐剂、染料及燃料油等,迄今详细研究过的有机物达100种以上。此外,TiO2光催化技术也被用于无机污染物的处理。利用光催化法在柠檬酸根离子存在下,可以使Hg2+被还原成Hg而沉积在TiO2表面;此法同样适用于铅。TiO2光催化可能降解的无机污染物还有氰化物,SO2、H2S、NO和NO2等有害气体也能被吸附在TiO2表面,在光的作用下转化成无毒无害物质。
 
1.空气净化
 
当前解决空气污染主要有物理吸附法(活性炭)、臭氧净化法、静电除尘法、负氧离子净化法等,但是这些方法自身都有着难以克服的弊端,所以一直难以大范围地推广使用。与其相比,利用纳米光催化TiO2净化空气则有如下优点:降解有机物的最终产物是CO2和H2O,没有其它毒副产物出现,不会造成二次污染;纳米微粒的量子尺寸效应导致其吸收光谱的吸收边蓝移,促进半导体催化剂光催化活性的提高;纳米材料比表面积很大,增强了半导体光催化剂吸附有机污染物的能力。
 
利用纳米光催化TiO2治理空气污染已经得到广泛应用,国内外都出现了很多产品,例如纳米空气净化器、中央空调净化模块、光触媒涂料等,市场前景非常广阔。
 
2.水处理
 
传统的水处理方法效率低、成本高、存在二次污染等问题,污水治理一直得不到好的解决。纳米技术的发展和应用很可能彻底解决这一难题。
 
研究表明,纳米TiO2能处理多种有毒化合物,可以将水中的烃类、卤代烃、酸、表面活性剂、染料、含氮有机物、有机磷杀虫剂、木材防腐剂和燃料油等很快地完全氧化为CO2、H2O等无害物质。此外,纳米TiO2在降解毛纺染料废水、有机溴(或磷)杀虫剂等到方面也有一定效果。无机物在TiO2表面也具有光化学活性。例如,废水中的Cr6具有较强的致癌作用,在酸性条件下,TiO2对Cr6具有明显的光催化还原作用。在pH 值为2.5的体系中,光照1h 后,Cr6被还原为Cr3 。还原效率高达85% 。迄今为止,已经发现有3000多种难降解的有机化合物可以在紫外线的照射下通过纳米TiO2或ZnO而迅速降解,特别是当水中有机污染物浓度很高或用其他方法很难降解时,这种技术有着明显的优势。德国开发出了利用阳光和光催化剂对污水进行净化的装置,每小时可净化100-150升水。
 
虽然利用纳米光催化TiO2进行水处理目前还未得到广泛应用,但我们可以看出它未来的应用前景必将非常广阔。
 
3.杀菌消毒
 
纳米TiO2的杀菌作用是利用光催化产生的空穴和形成于表面的活性氧类与细菌细胞或细胞内的组成成分进行生化反应,使细菌头单元失活而导致细胞死亡,并且能使细菌死亡后产生的内毒素分解。研究表明:将TiO2涂覆在陶瓷、玻璃表面,经室内荧光灯照射1小时后可将其表面99%的大肠杆菌、绿脓杆菌、金黄色葡萄球菌等杀死。
 
目前国外新型无机抗菌剂的开发与抗菌加工技术进展较快,已经形成系列化产品,其中TiO2高催化活性纳米抗菌剂是市场前景最好的品种。日本在TiO2光催化抗菌材料研究与应用起步较早,日本东陶等多家公司开发的光催化TiO2抗菌瓷砖和卫生洁具已经大量投放市场。日本将今后发展的目光投向欧美国际抗菌产品市场,预计海外市场将是其国内市场的10倍,他们也极其关注中国抗菌塑料近年来的迅猛发展,纷纷抢滩中国市场。
 
应用现状
 
在当今世界性的环境污染问题越来越受到各国政府重视的情况下,利用纳米材料进行环境治理已经成为各国高科技竞争中的一个热点。在纳米光催化方面日本、美国等国家均投入巨资开展研究与开发工作,并大力推动其产业化,目前已有多种产品出现,其中所使用的纳米光催化材料绝大多数都是TiO2
 
1.  日本
 
日本对于纳米TiO2光催化的研究较早,现在已有多家日本公司生产出了多种纳米光催化的实用产品,见表1:
表1 日本前十大催化公司及其主要产品
 
公司名称
主要产品
公司名称
主要产品
东芝
有除臭作用之光催化材料
松下电器
光催化空气净化器
隧道照明防污灯具
具抗菌功能照明灯具
应用于照明灯具防污光催化膜
除臭净化设备
具光催化功能的高压钠灯管
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灯具
用于空气净化的光催化剂
三菱纸业
具除臭效能的纸箱
东陶机器
汽车用防污用光催化膜
空气净化器
光催化亲水性薄膜复合材料
具除臭效能的热风干燥器
防污抗菌陶瓷器
具除臭抗菌作用的冷藏柜
空气净化系统
适用于高温高湿下除臭板
油性防污材料
防臭抗菌面罩
光催化防污导电建材
石川岛播磨重工业
密室环境的净化设备
大庆工业
空气净化器
货车与船舶防污
建筑物空调系统
储柜内部的净化设备
车用空气净化设备
土壤净化方法与器具
光催化净化设备
抗菌功能食品储藏柜
汇丰汽车
小型化空气清洁机
短时间内分析光催化机能的设备
具有湿度调节极高清洁能力的设备
密闭空间空气净化机
合金半导体复合光催化剂
气体净化设备
应用于燃烧室内防污光催化剂
三菱
大气NOx分解且防污应用
日立
光催化剂附着光源
防带电效果光催化膜
利用光催化的配水系统
有机衬底光催化机制备方法
光催化除臭器
 
来源:http://www.ctci.org.tw/public/Attachment/562714282071.doc
 
2.  韩国
 
韩国从1999年开始有光催化方面的专利出现,近年成倍增长,起初重点为纳米光催化材料,近年开始涉及水处理和空气净化领域。目前韩国纳米光催化商品规模仍较小,产品以LG电子利用光催化生产空气净化式空调系统与Dohabu Cleantech的海水净化装置最受好评。下表为韩国部分光催化相关产品资料。
表2 韩国部分光催化相关产品
公司名称
产品
Batu Enginnering
污水处理机、薄膜材料
Enpion
光催化材料、防污材料
G2K
二氧化钛光催化剂
Hanlimtech
污水处理机
Nano
光催化剂
Nano Pac
光催化剂
Pepcon
空气净化器、除臭系统
来源:http://www.ctci.org.tw/public/Attachment/562714282071.doc
 
3.  美国
 
美国环保署(EPA)是美国纳米光催化研发的主要支持单位,其重点着重于水处理方面;包括地下水质的改善、废水处理以及河川污染等。河川污染除了针对因农药造成污染的研究外,对油污的研究(包含原油)也有相当不错的成果。
 
4.  英国
 
英国伦敦和安大略核子技术环境公司开发了一种新的常温光催化技术,利用纳米二氧化钛催化剂,能将工业废液和被污染地下水中的多氯联苯类分解为CO2和水。
 
英国皮尔金顿公司生产出了自洁净玻璃。在玻璃表面镀一层具有光催化作用的纳米二氧化钛薄膜,经紫外线照射后可有效降解附着在玻璃表面的有机污染物,同时具有亲水性,使玻璃长期保持自洁净效果。
 
市场前景
 
据BCC(商业通讯)咨询公司报道,2004~2009年间,纳米催化剂市场预计年均增长6.3%,预计2009年全球纳米催化剂市场可达50亿美元。过渡金属氧化物、非对称(手性)化合物、碳纳米管和其他纳米催化剂的增长率预计由2004年的2%上升到2009年的6.8%。纳米催化剂的消费在较小型终端用户领域里,特别是在聚合物方面增长最快,2004~2009年间年均增长率将达23%,能源使用预计年均增长率将为34.5%,纳米技术使用预计年均增长率将为90.4%,其他方面(如亲水性涂料)预计年均增长率为35.7%。
 
在我国每年仅居室的净化市场就超过200 亿元的需求。 据中国工程院权威专家预计,光催化在中国每年有100 亿元的市场容量,其经济效益在环境产业中将占10%。到2010 年,每年平均以13%的增长速度发展,预计5-10年后的国内市场能达到数百亿元。
 
参考文献:
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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