隨著人民群眾物質(zhì)生活水平的提高, 室內(nèi)裝潢裝飾、多種日用化學(xué)品、大量電器產(chǎn)品和空調(diào)的使用, 導(dǎo)致居室的密閉程度增加和室內(nèi)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(nèi)空氣質(zhì)量嚴(yán)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, 人體長期暴露于這些污染因素下會產(chǎn)生不良影響, 甚至發(fā)生各種疾病, 室內(nèi)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)境問題。
近30 年來興起的納米TiO2 光催化技術(shù), 具有化學(xué)穩(wěn)定性高, 耐光腐蝕, 較深的價帶能級, 可使一些吸熱的化學(xué)反應(yīng)在被光輻射的納米TiO2 表面得到實現(xiàn)和加速, 并且對人體無毒等特點, 已經(jīng)成為環(huán)境凈化涂料研究中的熱點課題, 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(xiàn)狀
20 世紀(jì)80 年代環(huán)境凈化涂料的研究與應(yīng)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(yīng)用于任何場合, 特別是用于衛(wèi)浴室內(nèi)的自潔凈涂料使用更加廣泛。多年以來, 國內(nèi)主要針對納米TiO2光催化技術(shù)進行研究, 在開發(fā)光催化環(huán)境凈化涂料的研究和工業(yè)化應(yīng)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題
盡管納米T iO2 在環(huán)境凈化涂料中的應(yīng)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際推廣的問題, 有待廣大科研工作者進行研究解決。
( 1) 對光源的特殊要求。納米TiO2 在使用上對環(huán)境有一定的依賴性和局限性, 對于常見的可見光源( 如: 太陽光) 利用不足, 效率很低。而對于紫外光源相應(yīng)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(jù)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(zhuǎn)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 - 的濃度有著相當(dāng)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(biāo)污染物的物理化學(xué)性質(zhì)。大部分目標(biāo)降解污染物都是復(fù)雜的有機物, 如苯酚、甲基橙、羅丹明B 等。由于分子結(jié)構(gòu)的關(guān)系, 不同目標(biāo)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 在降解的過程中所需要的能量也有所差異, 如苯酚中C H 的能量遠(yuǎn)大于甲醛中的C H 的能量。而納米TiO2 在光催化過程中是非選擇性的, 如何提高納米T iO2 環(huán)境凈化涂料對不同的目標(biāo)降解污染物的氧化降解能力, 是目前研究的一個重點。
二、 環(huán)境凈化涂料實際應(yīng)用
2. 1 抗菌防霉材料
目前市場上的防霉涂料, 主要是以有機砷和酚類化合物作防霉劑, 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(nèi)墻涂料, 用氯化法合成納米TiO2 技術(shù)基礎(chǔ)上, 根據(jù)殺菌功能高效性的需要, 進行表面摻雜和處理, 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污染、具有抗菌防霉的室內(nèi)環(huán)保型功能材料。目前抗菌防霉內(nèi)墻涂料主要應(yīng)用于各種食品行業(yè)的生產(chǎn)車間、倉庫和地下建筑等易受霉菌污染的內(nèi)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(yīng), 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。陽光中的紫外線足以維持納米T iO2 薄膜表面的親水特性, 從而使其表面具有長期的防污自清潔效應(yīng)。由于納米TiO2 具有光催化作用和超親水特性, 將其應(yīng)用于玻璃、陶瓷等建筑材料時, 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(jié)省清潔劑使用, 節(jié)省清潔時間及人力維護成本, 同時抑制各種病霉菌滋生, 減少過敏原產(chǎn)生, 維護健康的生活環(huán)境。
2. 3 自動無毒化材料
將納米TiO2 光催化劑添加到易產(chǎn)生有害氣體的材料中,使有害氣體在進入大氣前就被納米T iO2 降解, 從而使材料自動無毒化。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 自動無毒化材料, 當(dāng)塑料制品作垃圾焚燒時, 納米T iO2 結(jié)晶析出, 可吸附焚燒過程中產(chǎn)生的大量有害物質(zhì), 并通過納米T iO2 的光催化反應(yīng)將其降解。
三、環(huán)境凈化涂料性能檢測
近年來, 環(huán)境凈化涂料在實際應(yīng)用中取得了令人激動人心的成果, 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(xì)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 射線衍射法等在環(huán)境凈化涂料檢測方面的應(yīng)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觀察樣品表面形貌和化學(xué)組分的分析技術(shù), 其具有直接觀察直徑為0~ 30mm 的試樣表面結(jié)構(gòu); 電子顯微鏡景深大; 圖像的放大范圍廣; 相當(dāng)高的分辨率; 可在不同環(huán)境條件下觀察等特點。掃描電子顯微術(shù)是研究物品表面結(jié)構(gòu)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, 通過電子光學(xué)系統(tǒng)的放大成像觀察樣品的微觀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(jié)構(gòu)、異質(zhì)異型結(jié)構(gòu)、同質(zhì)同型結(jié)構(gòu)有敏銳的分析能力; 放大倍率高, 變換范圍大; 圖像為二維結(jié)構(gòu)平面圖像; 試樣為超薄切片等特點。透射電子顯微術(shù)主要應(yīng)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(jié)構(gòu)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和轉(zhuǎn)動能級相互作用, 利用紅外吸收譜帶的波長位置和吸收強度來測定樣品組成、分子結(jié)構(gòu)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(jù)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, 特別適合應(yīng)用于有機化合物和一些無機化合物組成的環(huán)境凈化涂料的定性分析和結(jié)構(gòu)變化分析。
3. 4 X 射線衍射法(XRD)
X 射線衍射法是根據(jù)物質(zhì)的X 射線衍射圖譜特征, 對其物相和結(jié)構(gòu)等進行測定的分析方法, 是測量環(huán)境凈化涂料微粒的常用的一種無損壞、非破壞性的分析手段。X 射線衍射圖譜里攜帶著環(huán)境凈化涂料晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息, 這個結(jié)構(gòu)信息包括電子結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)、各種缺陷結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)應(yīng)變、晶粒尺寸、結(jié)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 射線小角散射法、X射線衍射線寬化法、紫外 可見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(jié)構(gòu)與光學(xué)性能的主要參數(shù), 對檢測環(huán)境凈化涂料性能起到至關(guān)重要的作用。
四、結(jié)論與展望
目前納米T iO2 在環(huán)境凈化涂料中研究, 主要集中在開發(fā)帶隙較窄、能利用可見光的新型光催化環(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(yīng)用, 改善光催化環(huán)境凈化涂料反應(yīng)器以及深入探索光催化環(huán)境凈化涂料反應(yīng)機理?？梢灶A(yù)見, 隨著人們對環(huán)境質(zhì)量越來越關(guān)注和重視, 全面提升室內(nèi)空氣環(huán)境質(zhì)量, 滿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(yīng)用的問題得到改善, 綠色、環(huán)保和高效將成為未來環(huán)境凈化涂料發(fā)展方向。
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