纳米 TiO2功能性空气滤料

1 纳米 TiO₂/ 功能性空气过滤材料的定义

   功能性空气过滤材料是近来兴起的空气过滤材料研究领域的一个热点。它具有某些特殊、不同于一般空气过滤材料所固有的性能，能满足特定行业和领域对空气过滤材料特殊功能的需求，如耐高温、耐腐蚀、抗静电、拒水、拒油、阻燃、抗菌、抗病毒、清除有害气体等而开发的空气过滤材料，正越来越多地应用于工业烟气和室内空气净化等领域。

   光催化净化技术是近年来兴起的一门前沿的高科技净化技术。半导体离子在紫外线照射下，半导体纳米离子能发生电子跃迁，产生活跃的价带空穴和导带电子，这种电子、空穴对和周围的水、氧气发生作用后，能产生有高氧化性能的自由基，将空气中的甲醛、苯、氨等污染物直接分解成无害的小分子，如 CO₂、H₂O、N₂等，能将细菌、病毒等具有蛋白质结构的微生物杀死，并且将其分解成无害的无极小分子，从而达到净化空气的目的。常见的光催化剂多为金属氧化物或硫化物，如 TiO₂，ZnO，ZnS，PbS 等。但由于光腐蚀和化学腐蚀的原因，实用性较好的有TiO₂和ZnO，其中TiO₂使用最为广泛，作为光催化剂的 TiO₂具有无毒、化学性能稳定、氧化能力强、价格便宜、可以重复使用而消耗很少等优点，使光催化具有潜在的高效性和经济性,因此在环保领域获得了广泛应用。而以提高稳定性和实用性为目的的光催化剂的固定化是多相光催化技术中的主要研究方向之一。

   单纯采用纳米光催化技术降解有害气体,当被降解气体的浓度较高时，其降解性能较好，而当被降解气体浓度较低时，光催化降解速率较慢，且有可能生成有害的中间产物，影响净化效果。因此，选择一种滤料基材与光催化技术结合,利用基材对有害气体的吸附作用，形成被降解气体在基材表面形成有害气体的聚集中心，有害气体在基材上得到多倍浓缩，从而弥补光催化对低浓度污染物降解效率低的缺点。有效地提高光催化效率，正是在这种需求下，纳米光催化技术与功能性过滤材料的有机结合便应运而生，而功能性空气过滤材料也由于对室内空气具有突出的净化功能,近年来得到了飞速发展。2 纳米TiO₂/功能性空气过滤材料的研究现状

   美国、日本、德国是功能性空气过滤材料研究较早也是研究技术比较成熟的国家，并取得了一定的成就，到目前已经开发出了许多具有多种功能的空气净化材料和产品。国内对功能性空气过滤材料的研究主要体现在两个方面：一是开发功能性空气过滤材料和多功能空气净化器；二是分析影响功能性空气过滤材料使用效果的因素。研究单位主要有华东理工大学，天津工业大学，西安工程大学等高校以及其他科研单位和生产厂家。

   美国的Obee 等人专门研究了使用纳米TiO₂材料光催化清除室内由建材、电器、家具等散发出的有害气体的情况，探讨了空气湿度及有害气体初始浓度对氧化速率的影响。得出了两个结论：

  （1）普通问题建筑中的甲醛体积分数为0.5×10^{- 6}~2×10^{- 6}，在10×10^{- 6}以下通常的湿度范围（15%~60%）内，氧化速率与污染物浓度成正比。

  （2）氧化速率与 TiO₂对水蒸汽及污染物吸收紧密性有关，还与氢氧根基团的作用机理有很大的关系。

   美国的一个公司推出了纳米银和纳米二氧化钛的空气洁净材料。该材料具有良好的杀菌、杀病毒、除异味、防霉的功能，并且效力长达半年。德国开发的一种多层的拒水的聚合物空气过滤材料。该材料具有良好的拒水能力，粘附在空气过滤材料上的细菌由于失去水分，没有营养物质，而导致了死亡。

   日本的大金公司成功地把活性炭空气过滤材料和TiO₂材料结合起来，开发了一种新型的空气过滤材料。这种空气过滤材料不仅能捕捉空气中的微粒，还能去掉空气中的异味，杀死空气中的细菌。实验表明，经过6 h 后，大肠杆菌数由初始的190000减少到10个。

   Jong Ho Lee, Misook Kang等人研究了使用纳米TiO₂材料光催化的杀菌的性能。实验研究表明，在紫外线的辐射照度24 W/m²的情况下，照射60 min后杀菌率细菌的存活率是 0.4%。香港中文大学利用TiO₂材料研制出空气过滤产品，应用在空气净化处理系统中。该产品与比传统紫外线照射相比，具有更好的杀菌效果。

   郑州工业大学的陶跃武等人研究了TiO₂对空气中微量丙酮和乙醛的光催化降解，分析了其降解影响因素。

   同济大学于慧俐、茅清希等对纳米 TiO₂覆膜滤料光催化降解甲醛特性及其影响因素进行了实验研究。

   清华大学的张寅平、杨瑞等人研究了纳米TiO₂材料的紫外光强对氧化速率的影响和温度对氧化速率的影响得出了：（1）当光强大于一个太阳常数（1353 W/m²）时，氧化速率正比于光强的平方根；反之，氧化速率正比于光强。（2）在一般空调温度范围（13℃~60℃）内，甲苯与 1,3 - 丁二烯的氧化速率与温度呈同向变化关系，而甲醛则相反。

华东理工大学采用浸涂法在复合载体上形成纳米TiO₂光催化剂薄壳层,制备出可用于室内空气净化的活性炭-纳米TiO₂光催化净化网。以功率为6W、波长为 254 nm 的紫外杀菌灯照射 3 h 后，其甲苯净化率为 98.8%，三氯乙烯（TCE）净化率为99.5%，硫化氢净化率为 99.6%，氨气净化率为96.5%，甲醛净化率为 98.5%，一氧化碳净化率为60.1%。通过对比试验还表明，所研制的复合型空气净化网具有单纯活性炭、单纯光催化剂TiO₂、活性炭与 TiO₂简单混合等净化网所不具备的综合优势，通过复合提高了光催化效率，同时达到活性炭原位再生的目的。

   重庆大学黄海燕等人采用涂抹法制备了TiO₂/VACF 光催化层，考察了含湿量、紫外灯功率等因素对吸附光催化降解甲醛的影响。结果表明，水蒸汽的存在对甲醛的降解具有促进作用；TiO₂/ACF光催化层对甲醛的降解率并不随含湿量单一变化，存在着最佳的水蒸汽含量值；当紫外灯功率由20 W 增加到61 W 时，TiO₂/ACF 光催化层对甲醛的净化率随着功率的增加而增。

   西安工程大学黄翔、杨建忠等人把活性炭纤维技术和微弱光源纳米光催化技术结合起来，开发一种复合型功能性空气过滤材料。这个课题获得了国家自然科学基金委员会的资助（项目编号：50343 020）。

   西安工程大学顾群等人采用集防污、抗菌功能为一体的液相单分散纳米防污、抗菌涂层整理剂对针刺毡进行处理，实现了纳米TiO₂与空气过滤材料的结合。经过纳米整理剂处理后的针刺毡滤料涂层柔软光滑，不影响空气过滤材料的其他物理机械性能，其拒水、拒油性能得到显著提高，按照GB12799-91 和 FZ/T01067-1999 标准进行性能检测，拒油性能达到 6 级，拒水性能达到 4 级。在静态和动态条件下分别对处理后的针刺毡滤料进行甲醛净化测试，实验结果表明，在相同的实验条件下，静态实验中针刺毡空气滤料整理样相对于原样对甲醛的降解率提高18.88%；动态实验中经过 1h后针刺毡空气滤料整理样相对于原样对甲醛的降解率提高了20.40%。

   西安工程大学赵丽宁等人以钛酸丁酯为原料，采用溶胶2凝胶法制备纳米TiO₂溶胶，并采用浸渍法分别对 AC 滤网和 ACF 滤料进行了光催化整理。对AC 滤网原样和整理样、ACF 滤料原样和整理样分别进行了光催化氧化甲醛测试。结果表明，AC 滤网整理样和ACF滤料整理样分别相对于AC 滤网原样和 ACF 滤料原样的阻力没有明显增加。纳米TiO₂在紫外光的照射下和弱光源下均可以发生光催化反应，降解空气中的甲醛。在紫外光照射下，AC 滤网整理样对甲醛的降解率比原样提高6.7%；ACF 滤料整理样对甲醛的降解率比原样提高 10.6%。弱光源时，ACF 滤料整理样对甲醛的降解率比原样提高6.3%；AC滤网整理样和ACF滤料整样降解甲醛的规律基本符合抛物线函数关系，即整理样在一定时间后可以完全降解实验系统内的甲醛。

   西安工程大学申祚飞等人以氟钛酸氨、硼酸、ACF 为主要原料,采用液相沉积法制备了基于ACF 的纳米 TiO₂/ACF 复合滤料，并对制备的纳米TiO₂/ACF 复合滤料进行了净化甲醛的测试。测试结果表明，制备的纳米TiO₂/ACF复合滤料比ACF滤料原样对甲醛的净化率提高 10% 以上。通过实验测试了复合滤料对甲醛的净化率和滤料断面风速的关系，结果表明，风速在 0.2 m/s ~2.6 m/s 范围内，纳米TiO₂/ACF复合滤料对甲醛的净化效果表现为随着风速的增加,净化速率先升高后逐渐降低。

   西安工程大学王与娟等人选用羊毛纤维为基材，采用浸轧法制备了功能性空气过滤材料，对制备的纳米TiO₂/羊毛功能性滤料进行了阻力测试和降解室内低浓度甲醛的测试。结果表明，羊毛滤料光催化整理样相对羊毛滤料原样阻力增加了10%，羊毛滤料整理样的阻力增加与滤料原样的面密度成反比，3 种羊毛滤料的阻力变化与过滤速度成抛物线函数关系。当温度为 24℃、风速为 0.3m/s、甲醛初始质量浓度为 0.6 m/m³时，羊毛滤料原样和羊毛滤料整理样对甲醛的净化率分别为41.56% 和 68.74%。他们还在动态条件下测试了温度和甲醛的初始浓度对制备的纳米 TiO₂/ 羊毛功能性滤料净化甲醛效果的影响。测试结果表明，当温度在 20℃~28℃范围内时，纳米 TiO₂/ 羊毛功能性滤料对甲醛的净化率随着温度的升高而降低；而甲醛的初始浓度越大，净化效果越好。

3 问题及今后的研究方向

   新型功能性空气过滤材料以其优良的性能而备受关注，其在室内空气净化中的应用目前尚处于理论研究和实验室小样处理研究阶段。还有许多问题有待于进一步深入研究，如进一步研究功能性空气过滤材料净化有害气体过程中产生的中间副产物以及反应的终产物；建立功能性空气过滤材料处理有害气体的理论模型，并分析各种因素综合作用下对有害气体降解效果的影响，为该类产品的设计和性能优化提供理论指导;而开发高性能、低成本、长寿命的多功能复合滤料将是未来空气滤料的一个发展的一个大方向。