隨著(zhù)人民群眾物質(zhì)生活水平的提高, 室內裝潢裝飾、多種日用化學(xué)品、大量電器產(chǎn)品和空調的使用, 導致居室的密閉程度增加和室內產(chǎn)生大量的物理、化學(xué)、生物以及放射性污染因素, 從而造成室內空氣質(zhì)量嚴重下降。污染因素包括有刺激作用的有害氣體( 甲醛、氨) , 致癌作用的物質(zhì)( 苯、氡) , 致敏作用的揮發(fā)性有機物和微生物等, 人體長(cháng)期暴露于這些污染因素下會(huì )產(chǎn)生不良影響, 甚至發(fā)生各種疾病, 室內空氣污染與健康已經(jīng)成為世界各國政府和公眾關(guān)注的重要環(huán)境問(wèn)題。
近30 年來(lái)興起的納米TiO2 光催化技術(shù), 具有化學(xué)穩定性高, 耐光腐蝕, 較深的價(jià)帶能級, 可使一些吸熱的化學(xué)反應在被光輻射的納米TiO2 表面得到實(shí)現和加速, 并且對人體無(wú)毒等特點(diǎn), 已經(jīng)成為環(huán)境凈化涂料研究中的熱點(diǎn)課題, 備受材料和環(huán)境科研工作者的關(guān)注。
一、環(huán)境凈化涂料研究現狀
20 世紀80 年代環(huán)境凈化涂料的研究與應用迅速發(fā)展, 尤其是光催化環(huán)境凈化涂料發(fā)展更為迅猛。如日本, 光催化環(huán)境凈化涂料幾乎應用于任何場(chǎng)合, 特別是用于衛浴室內的自潔凈涂料使用更加廣泛。多年以來(lái), 國內主要針對納米TiO2光催化技術(shù)進(jìn)行研究, 在開(kāi)發(fā)光催化環(huán)境凈化涂料的研究和工業(yè)化應用方面取得引人注目、卓有成效的成果。
1. 1 環(huán)境凈化涂料的機理
二氧化鈦光催化原理圖
1. 2 環(huán)境凈化涂料存在的問(wèn)題
盡管納米T iO2 在環(huán)境凈化涂料中的應用取得了引人注目、卓有成效的成果, 但依然存在有某些不利于實(shí)際推廣的問(wèn)題, 有待廣大科研工作者進(jìn)行研究解決。
( 1) 對光源的特殊要求。納米TiO2 在使用上對環(huán)境有一定的依賴(lài)性和局限性, 對于常見(jiàn)的可見(jiàn)光源( 如: 太陽(yáng)光) 利用不足, 效率很低。而對于紫外光源相應效果好, 利用率極高,但是在日常生活中, 紫外光源的比例不到6%, 這就大大局限了納米T iO2 環(huán)境凈化涂料的使用范圍。
( 2) 催化環(huán)境的不同。根據納米T iO2 光催化機理的研究, 吸附在催化劑表面的O2 、H2O、OH - 濃度直接影響光生電子 光生空穴, 尤其對光生電子 光生空穴轉化成具有高氧化活性的 OH 以及自由基活性氧( O2- 、 O2 、 H O2 ) 有著(zhù)很大的影響。然而, 在液相條件下和氣相條件下, O2 、H 2O、OH - 的濃度有著(zhù)相當大的差別, 目前納米T iO2 環(huán)境凈化涂料在液相條件下使用的技術(shù)比較在氣相條件下使用的技術(shù)成熟。
( 3) 降解目標污染物的物理化學(xué)性質(zhì)。大部分目標降解污染物都是復雜的有機物, 如苯酚、甲基橙、羅丹明B 等。由于分子結構的關(guān)系, 不同目標降解污染物分子中, 原子之間的化學(xué)鍵的能量也有所不同, 因此, 納米T iO2 在降解的過(guò)程中所需要的能量也有所差異, 如苯酚中C H 的能量遠大于甲醛中的C H 的能量。而納米TiO2 在光催化過(guò)程中是非選擇性的, 如何提高納米T iO2 環(huán)境凈化涂料對不同的目標降解污染物的氧化降解能力, 是目前研究的一個(gè)重點(diǎn)。
二、 環(huán)境凈化涂料實(shí)際應用
2. 1 抗菌防霉材料
目前市場(chǎng)上的防霉涂料, 主要是以有機砷和酚類(lèi)化合物作防霉劑, 盡管防霉效果好, 但是毒性大, 使用不安全。納米TiO2 具有很強的氧化還原能力, 具有凈化空氣、除臭等功能,可制成抗菌防霉內墻涂料, 用氯化法合成納米TiO2 技術(shù)基礎上, 根據殺菌功能高效性的需要, 進(jìn)行表面摻雜和處理, 制成特有的抗菌納米TiO2 , 將其充分混勻于水性乳膠漆中研制成無(wú)污染、具有抗菌防霉的室內環(huán)保型功能材料。目前抗菌防霉內墻涂料主要應用于各種食品行業(yè)的生產(chǎn)車(chē)間、倉庫和地下建筑等易受霉菌污染的內墻涂裝。
2. 2 防污自潔材料
涂有納米TiO2 薄膜的表面具有高度的自清潔效應, 一旦表面被污水油脂、沙塵等污染, 因其表面具有超親水性, 污物不易在其表面附著(zhù)。陽(yáng)光中的紫外線(xiàn)足以維持納米T iO2 薄膜表面的親水特性, 從而使其表面具有長(cháng)期的防污自清潔效應。由于納米TiO2 具有光催化作用和超親水特性, 將其應用于玻璃、陶瓷等建筑材料時(shí), 具有凈化空氣、殺菌除臭、防污等環(huán)保功能 。而且還可大量節省清潔劑使用, 節省清潔時(shí)間及人力維護成本, 同時(shí)抑制各種病霉菌滋生, 減少過(guò)敏原產(chǎn)生, 維護健康的生活環(huán)境。
2. 3 自動(dòng)無(wú)毒化材料
將納米TiO2 光催化劑添加到易產(chǎn)生有害氣體的材料中,使有害氣體在進(jìn)入大氣前就被納米T iO2 降解, 從而使材料自動(dòng)無(wú)毒化。例如: 為防止垃圾焚燒中二惡英的產(chǎn)生, 可在塑料制品中使用納米TiO2 自動(dòng)無(wú)毒化材料, 當塑料制品作垃圾焚燒時(shí), 納米T iO2 結晶析出, 可吸附焚燒過(guò)程中產(chǎn)生的大量有害物質(zhì), 并通過(guò)納米T iO2 的光催化反應將其降解。
三、環(huán)境凈化涂料性能檢測
近年來(lái), 環(huán)境凈化涂料在實(shí)際應用中取得了令人激動(dòng)人心的成果, 但是對于環(huán)境凈化涂料性能的檢驗仍然缺少了解,筆者詳細介紹掃描電子顯微術(shù)、透射電子顯微術(shù)、紅外吸收光譜法、X 射線(xiàn)衍射法等在環(huán)境凈化涂料檢測方面的應用。
3. 1 掃描電子顯微術(shù)( SEM)
掃描電子顯微術(shù)是利用掃描入射電子束與樣品表面相互作用所產(chǎn)生的各種信號, 采用不同的信號檢測器來(lái)觀(guān)察樣品表面形貌和化學(xué)組分的分析技術(shù), 其具有直接觀(guān)察直徑為0~ 30mm 的試樣表面結構; 電子顯微鏡景深大; 圖像的放大范圍廣; 相當高的分辨率; 可在不同環(huán)境條件下觀(guān)察等特點(diǎn)。掃描電子顯微術(shù)是研究物品表面結構最有效的工具之一, 它既可以用以檢查環(huán)境凈化涂料的斷口、磨損面、涂覆面、切削表面、拋光以及蝕刻表面等, 還可以對環(huán)境凈化涂料表面迅速作定性與定量分析。
3. 2 透射電子顯微術(shù)( TEM)
透射電子顯微術(shù)是以透射電子為成像信號, 通過(guò)電子光學(xué)系統的放大成像觀(guān)察樣品的微觀(guān)組織和形貌的分析技術(shù), 其具有分辨率高, 對晶粒方向、同質(zhì)異型結構、異質(zhì)異型結構、同質(zhì)同型結構有敏銳的分析能力; 放大倍率高, 變換范圍大; 圖像為二維結構平面圖像; 試樣為超薄切片等特點(diǎn)。透射電子顯微術(shù)主要應用于物理、化學(xué)方面的新材料領(lǐng)域的研究, 可以分析環(huán)境凈化涂料結構及粒徑分布情況。
3. 3 紅外吸收光譜法( IP)
紅外吸收光譜法是研究紅外輻射與試樣分子振動(dòng)和轉動(dòng)能級相互作用, 利用紅外吸收譜帶的波長(cháng)位置和吸收強度來(lái)測定樣品組成、分子結構等的分析方法, 其具有不受樣品狀態(tài)的限制; 高度特征性; 根據譜帶的特征頻率研究未知物成分; 定量分析靈敏度較低等特點(diǎn), 特別適合應用于有機化合物和一些無(wú)機化合物組成的環(huán)境凈化涂料的定性分析和結構變化分析。
3. 4 X 射線(xiàn)衍射法(XRD)
X 射線(xiàn)衍射法是根據物質(zhì)的X 射線(xiàn)衍射圖譜特征, 對其物相和結構等進(jìn)行測定的分析方法, 是測量環(huán)境凈化涂料微粒的常用的一種無(wú)損壞、非破壞性的分析手段。X 射線(xiàn)衍射圖譜里攜帶著(zhù)環(huán)境凈化涂料晶體內部結構信息, 這個(gè)結構信息包括電子結構、晶體結構、各種缺陷結構、結構應變、晶粒尺寸、結晶度、晶面傾向等。
3. 5 其它方法
除上訴幾種方法外, 其它方法如X 射線(xiàn)小角散射法、X射線(xiàn)衍射線(xiàn)寬化法、紫外 可見(jiàn)分光光譜法也常常被用于環(huán)境凈化涂料的分析, 提供關(guān)于環(huán)境凈化涂料微晶尺寸、晶體結構與光學(xué)性能的主要參數, 對檢測環(huán)境凈化涂料性能起到至關(guān)重要的作用。
四、結論與展望
目前納米T iO2 在環(huán)境凈化涂料中研究, 主要集中在開(kāi)發(fā)帶隙較窄、能利用可見(jiàn)光的新型光催化環(huán)境凈化涂料; 擴展新的光催化物質(zhì)在環(huán)境凈化涂料中的應用, 改善光催化環(huán)境凈化涂料反應器以及深入探索光催化環(huán)境凈化涂料反應機理?？梢灶A見(jiàn), 隨著(zhù)人們對環(huán)境質(zhì)量越來(lái)越關(guān)注和重視, 全面提升室內空氣環(huán)境質(zhì)量, 滿(mǎn)足人們對更健康居住環(huán)境期望成為發(fā)展方向?？蒲泄ぷ髡邔Νh(huán)境凈化涂料研究的不斷完善,必將使目前限制環(huán)境凈化涂料推廣應用的問(wèn)題得到改善, 綠色、環(huán)保和高效將成為未來(lái)環(huán)境凈化涂料發(fā)展方向。
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