紫外光净化室内空气污染物研究

[摘要]本文以特定波长（C波段）的紫外光为动力，利用光催化剂降低分子键断裂的能量，破坏苯、甲醛、TVOC等的分子结构，使空气中的苯、甲醛、TVOC等和臭氧反应，生成二氧化碳和水，达到净化室内空气污染的目的。

[关键词]紫外光；催化氧化；空气净化

[中图分类号]X51[文献标识码]A

目前，国内外的室内空气净化技术大致上可以分为三类[1]：第一类是物理吸附，如活性炭、过滤网、茶叶梗等；第二类是生物法，如利用吸毒草等植物对室内空气的净化作用，这类方法的净化效果不能说没有，因为很多植物本身对室内空气确实有净化作用，但有限的几棵植物对室内空气污染的净化效果不见有明显的作用；第三类是光催化氧化法[2]，如光触媒，这类方法也可以称为化学法，即利用化学反应让室内空气中污染物（苯、甲醛、TVOC等）在催化剂表面反应，最终转化为二氧化碳和水，以达到净化室内空气的目的[3]。这类方法在室温条件下就能进行，不需要其他化学辅助剂，反应条件温和，二次污染小，运行成本低，是目前最具发展前景的室内空气净化技术。

1紫外光净化室内空气技术

1.1紫外线波长划分

可见光的短波长方向400 nm以下为紫外光（Ultraviolet radiation简称UV）区域，波长范围10 nm～400 nm。根据国际照明委员会（CIE）和国际电工委员会（IEC）规定，紫外光区域又可分为以下波段：

真空紫外线（Vacuum UV）：10 nm～200 nm

短波紫外线（UV-C）：200 nm～280 nm

中波紫外线（UV-B）：280 nm～315 nm

长波紫外线（UV-A）：315 nm～400 nm

1.2紫外线净化机理

根据光子能E=h/λ（h常数，λ光波长）[4]，波长越短光子能越高。能量较低的UV-A具有光化学作用，所以也称化学线；UV-A用于有机物的合成、涂料或胶粘剂的UV固化等领域。UV-B对生物的作用效果大，能引起红斑作用及色素沉淀等，所以也称生物线。UV-C是远紫外波段；因为该波段波长短、能量大，其能量足以断开分子中大部分化学键，使分子解析为游离的自由基，甚至原子自由基，同时具有杀菌作用。对固体表面和水中污染物的光处理来说，只有UV-C具有强的作用效果。

1.3紫外光源及其光子能量

高压水银放电管发出的特征紫外线是365 nm，光子能量328 KJ/mol；而低压水银放电管发出的具有代表性的紫外线是253.7 nm及184.9 nm，光子能量分别为472 KJ/mol和647 KJ/mol。利用化学方法净化室内空气中化学污染就是要破坏苯、甲醛、TVOC等分子的结构，形成碳或氢的游离基（C4+、H+），在游离氧（02-）的作用下，最终形成二氧化碳（CO2）和水（H2O）。下表列出了大多数有机物分子内原子结合方式（化学键）及其结合能（键能）。

依上所述，低压水银放电管发出的184.9 nm的紫外光光子能量647 KJ/mol，除了不能使CC、CN、C=O断裂外，上表中其他的化学键都会断开；而低压水银放电管发出的253.7 nm的紫外光光子能量472 KJ/ mol，除了不能使CC、CN、C=O、O=O、C= C断裂外，基本上其他的化学键都会断裂。

1.4紫外线方式臭氧、活性氧的产生

波长在200 nm以下的紫外光照射，能使O2分解成两个自由的单分子氧，单分子氧与氧气碰撞生成臭氧。

UV（185 nm）+O2O*+O*

O*+O2O3（臭氧）

UV（254 nm）+O3O*+O2

由此可知，只有低压水银放电管发出的184.9nm的紫外光既能断开分子中大部分化学键，使分子解析为游离的自由基，甚至原子自由基，使室内空气中化学污染物分子降解、与氧自由基重组，最终生成CO2和H2O，同时具有杀菌作用。对室内空气、固体表面和水中污染物来说，只有UV-C具有强的作用效果。

1.5光催化剂

所谓光催化剂（也称光触媒）[5]，是在光的照射下能改变其他物质的化学反应速率、促进反应进行、且其本身质量和化学性质在反应前后都没有发生改变的物质。

半导体光催化剂大多是n型半导体材料（当前以为TiO2使用最广泛）都具有区别于金属或绝缘物质的特别的能带结构[7]，即在价带（ValenceBand，VB）和导带（Conduc？ tion Band，CB）之间存在一个禁带（Forbid？ den Band，Band Gap）。由于半导体的光吸收阈值与带隙具有式K=1 240/Eg（eV）的关系，因此常用的宽带隙半导体的吸收波长阈值大都在紫外区域。当光子能量高于半导体吸收阈值的光照射半导体时，半导体的价带电子发生带间跃迁，即从价带跃迁到导带，从而产生光生电子（e-）和空穴（h+）。此时吸附在纳米颗粒表面的溶解氧俘获电子形成超氧负离子，而空穴将吸附在催化剂表面的氢氧根离子和水氧化成氢氧自由基。而超氧负离子和氢氧自由基具有很强的氧化性，能将绝大多数的有机物氧化至最终产物CO2和H2O，甚至对一些无机物也能彻底分解。

2实验部分

2.2.2实验条件

为使测试评价结果最大限度的模拟未来室内空气污染净化的实际，选用未经任何特殊装饰的自然通风的房间为试验用样板间。分别对室内空气中的甲醛、苯及TVOC进行紫外光催化氧化净化实验。样板房内温度、湿度、污染物本底浓度、实验仪器与设备。

2.2.3实验过程及方法

在该房间内释放一定量的污染物（甲醛、苯及TVOC），封闭门窗后，定时检测房间内空气中污染物的浓度，绘制污染物浓度随时间变化的曲线，以测定该房间在自然状态下污染物被吸附或渗漏情况；试验完毕后，打开门窗，用风扇将房间吹扫干净，备用。

利用统计方法比较使用净化设备前后两条曲线的变化情况，评价利用净化设备治理室内空气中污染的效果。

2.2.4数据分析

在上述测试条件下，10小时内，该净化设备对室内空气中甲醛的最大净化效率为81.6%，平均净化效率为71.4%；对室内空气中苯的最大净化效率为99.18%，平均净化效率为82.83%；对室内空气中TVOC的最大净化效率为98.12%，平均净化效率为91.44%。

2.3利用紫外光净化原理设计制造的室内空气净化器使用条件

实践表明，利用紫外光催化氧化原理设计制造的室内空气净化器对于治理室内空污染具有明显的效果。但是，由于设备功率较大，单位时间内产生臭氧量较大，噪声较大，仅适用于新装修的房间，主要目标是净化由于装饰装修产生的静态污染；对于日常活动产生的动态污染只能经过专业培训的人员操作、采取集中治理，不能随时开启、即时净化。

3结论

3.1在室内使用光触媒（当前以为TiO2使用最广泛），由于缺乏紫外光的照射，不可能起到净化室内空气中污染物的作用。

3.2普通意义上的紫外光，即高压水银放电管发出的紫外光（特征波长365 nm，光子能量328 KJ/mol）不可能起到净化室内空气中污染物的作用。

3.3单纯使用臭氧，基本不能起到净化室内空气中污染物的作用。因为虽然臭氧具有强氧化性，但在空气中污染物分子被破坏前，O3和空气中污染物分子都可以相安无事。

3.4只有将低压水银放电管发出的184.9 nm的紫外光、臭氧、光催化剂三者科学地结合起来，利用184.9 nm的紫外光使室内空气中污染物分子在催化剂存在下迅速分解并与氧自由基重组为水和二氧化碳，才能真正实现净化室内空气的目标。

参考文献

[1]龚圣，黄肖容，隋贤栋.室内空气净化技术[J].环境污染治理技术与设备，2004，5（4）：55-57

[2]梁斌.光催化净化室内空气中甲醛的研究[D].南京理工大学，2004.

[3]王元元，张立志.室内空气净化技术研究与进展[J].暖通空调，2006，36（12）：24-28.

[4]苏克曼，潘，张玉兰.波谱解析法[M].华东理工大学出版社，2002，61-67.

[5]韩世同，习海玲，史瑞雪，等.半导体光催化研究进展与展望[J].化学物理学报，2003，16（5）：339-349.

[6]AoCH，bination effect of activated carbonwith TiO2 for the photodeg？ radation of binary pollutants at typical in？ door air level[J].Journal of Photochemistry and Photobiology A：Chemistry，2004，161（2/ 3）：131-140.

作者简介：李云龙（1967-），男，高级工程师，研究方向：室内环境研究。