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纳米TiO2陶瓷粉体在环保领域的应用

胡一
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楼主 发表于:2019-01-03 09:16:31
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纳米TiO2 由于粒径小、比表面积大, 除了具有与普通TiO2 一般的性能外, 还有许多自身的特性, 如表面的清洁 、良好的抗紫外线性能、白度高 、消色力强 、遮盖力大, 以及良好的化学耐腐蚀性 、耐热性和很高的化学活性。更为突出的是光催化效率高, 因此可作为一种很好的光催化剂。目前, 人们已发现TiO2陶瓷粉体具有净化空气、杀菌 、除臭等功能, 可广泛的应用于环境治理、水处理 、无污染化学反应及抗菌净化等方面。


污水处理


随着现代工业的发展, 人类原有的水资源受到日益严重的污染, 清除水体中的有毒有害化学物质, 如卤代烃 、农药 、表面活性剂等已成为环保领域的一项重要工作。目前, 废水处理方法可分为 3 种类型, 即分离处理、稀释处理、转化处理。


分离处理是将污染物从一相转移到另一相, 但不能使污染物得到彻底分解或无害化, 甚至还存在着二次污染的问题。稀释处理是通过稀释废水来减轻水体 的污染, 同时把污染物分离开, 但其不会改变污染物的化学性质。转化处理则是通过化学或生化的作用改变 污染物的化学本性, 使其转化为无害的或可分离的物质, 这是较理想的处理方法。但转化处理方法大多是针对排放量大、浓度较高的污染物 , 对于水体中浓度较低, 难以转化的污染物的净化还无能为力。


近年来发展起来的纳米 TiO2 光催化降解技术就为这一问题的解决提供了良好的途径。有关文献报道, 对水中 34 种有机污染物的光催化分解进行了系统的研究, 结果表明, TiO2 光催化氧化法可将水中的烃类、卤代物 、羟酸 、表面活性剂、含氮有机物 、有机磷杀虫剂等较快的完全氧化为CO2 、H2O 等无害物质。


气体净化


环境有害气体可分为 2 类:室内有害气体和大气污染气体。室内有害气体主要有装饰材料等放出的甲醛及生活环境中产生的甲硫醇 、硫化氢 、氨气等 , 这些气体在百万分之几时即能使人产生不适感。TiO2 陶瓷粉体通过光催化作用可将吸附于其表面的这些物质分解氧化, 从而使空气中的有害物浓度降低, 减轻或消除环境不适感。


大气污染气体主要指汽车、摩托车尾气及工业废气等向空气中排放NOx  等有毒气体。尤其在交通密集区 、两旁有高大建筑物的狭窄街道 、高速公路 、地下停车场、隧道 、都市商业区等场所 NOx 等有毒气体最易富集。空气中较高浓度的NOx 会严重影响人体健康, 将纳米TiO2 陶瓷粉体涂敷在建筑物、广告牌等表面, 利用TiO2 光催化剂的高氧化活性和空气中的 O2 可直接实现NOx 等有毒气体的光催化氧化作用, 形成蒸汽压低的硝酸或硫酸, 这些酸类物质在降雨过程中除去, 从而达到了降低大气污染的目的。


治理有机污染物


纳米TiO2 陶瓷粉体的光催化剂能有效的降解有机污染物, 其机理是通过催化剂表面产生强氧化性的OH 致使有机物氧化分解, 最终使之矿化。因为这种氧化作用无选择性, 且有较高的分解效率, 所以多种有机污染物均可被氧化分解而消除。


半导体多相光催化法是近年来日益受重视的有机污染治理新技术。纳米TiO2陶瓷粉体以其优异的光催化性能对卤代脂肪烃、卤代芳烃 、有机酸类 、燃料 、酚类、醇 、酮 、醛、胺 、取代苯胺、多环芳烃、杂环化合物 、烃类、表面活性剂 、农药等都能有效的进行光催化反应, 达到除毒、脱色、矿化, 以及最终消除有害物质对环境的污染。


防污(表面自洁)


防污功能又被称为自清洁功能。在TiO2 表面钛原子之间通过桥氧连接, 这种结构是疏水性的。在紫外光照射条件下TiO2 表面的氧和羟基间发生置换, 使其表面形成了均匀分布的纳米尺度分离的亲水微区和 亲油微区, 从而使表面具有了油水双重亲和性。在光照条件下空气中的水, 解离吸附在氧空位中, 成为化学吸附水, 即在氧空位缺陷周围形成亲水微区, 而表面剩余区域仍保持亲油性, 这样就在表面构成了亲水性和疏水性相间的微区, 类似于二维的毛细管现象。


由于水或油液滴尺寸远远大于亲水或亲油区面积, 宏观上TiO2 表面表现出亲水或亲油的特性。停止紫外光照时, 化学吸附的羟基被空气中的氧取代, 重新回到疏水性状态。将吸附性材料添加到TiO2 当中, 在提高亲水性的同时, 可使化学吸附水对氧的置换变慢, 从而延长了其超亲水性的持续时间。由于超亲水作用会在材料的表面产生表层水膜, 使得油污不能与材料表面牢固结合, 从而易于清洗。


利用TiO2 表面的超亲水特性可使其表面具有防污、防雾 、易洗 、易干的特点 。例如, 在汽车挡风玻璃、后视镜表面镀上TiO2 薄膜, 可防止镜面结雾。实验表明, 镀有 TiO2 薄膜的表面与未镀 TiO2 薄膜的表面相比, 显示出高度的自清洁效应, 一旦这些表面被油污等污染, 因其表面具有超亲水性, 污物不易在表面附着, 附着的污物在外部风力、水淋冲力 、自重等作用下, 会自动从TiO2 表面剥离下来, 阳光中的紫外线足以维持TiO2 薄膜表面的亲水特性, 从而使其表面具有长期的自洁去污效果。


除臭


除臭、除怪味是目前工业生产和日常生活中经常遇到的问题。以前普遍采用活性炭驱除这些臭气, 随着气体在活性炭表面的富集, 其吸附力明显降低, 不仅脱臭能力低, 寿命短, 而且不易再生, 使其应用受到限制。然而利用TiO2 陶瓷粉体的光催化剂除臭装置可吸附这些臭气, 再经紫外光照射气体分解后, 又可恢复其新鲜表面, 不影响吸附效果还可反复使用。近年来, 日本等国采用TiO2 陶瓷粉体光催化剂和气体吸附剂制成混合型除臭吸附剂已得到实际应用。该方法利用气体吸附剂来吸附臭气, 经表面扩散与TiO2 陶瓷粉体光催化剂接触后, 可氧化分解, 既不会降低吸附剂的吸附活性, 又解决了TiO2 陶瓷粉体光催化剂对臭气吸附性较差的缺点, 可显著提高臭气的光降解效率。


杀菌


在人们的居住环境中存在着各种各样的有害微生物, 它对人类生活产生不良影响。家居环境中一些潮湿的场合(如厨房、卫生间等)其微生物容易繁殖, 导致空气中细菌浓度和物品表面细菌浓度增大, 对人体带来严重的危害。


细菌型微生物都是由有机复合物构成, 通常用一般的杀菌剂(如硝酸银、硝酸铜等)可使细菌失去活性, 但细菌被杀死后, 可释放出致热和有毒的组分(如内毒素)。内毒素是致命的物质, 可引起伤寒 、霍乱等疾病, 而利用TiO2陶瓷粉体光催化剂不仅能杀死细菌, 同时能降解由细菌释放出的有毒复合物。即TiO2陶瓷粉体的光催化作用不仅能消灭细菌, 而且能攻击细菌的外层细胞, 穿透细胞膜, 破坏细菌的细胞膜结构, 从而彻底的杀死细菌。可见, 利用纳米TiO2 陶瓷粉体作为抗菌材料的应用领域越来越广泛, 其囊括农业、纺织、水处理 、卫生洁具 、空气净化技术、抗菌材料和抗菌涂料等各个方面。


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