光触媒净化技术

随着现代医学的发展和对医疗质量的更高要求，医疗环境和生活环境卫生质量控制被提到了预防医学工作者面前。由于全球人口不断增加，自然资源消耗量不断增长，造成对自然环境和生态环境破坏，诸多新的传染病不断袭击人类，加之很多建筑材料和装修材料挥发物造成对人们生活环境污染。这些因素对人类生存环境形成严重威胁，因此，改善我们环境卫生状况，减少环境污染对人体健康的影响，提高抗病能力是目前预防医学工作者应当高度关注的问题。

虽然有了现代空气过滤洁净技术，但这只能解决局部空气净化问题，而且成本较高。传统的化学消毒剂用于环境消毒均存在毒性和刺激性问题，亦不能做到持续性作用。寻求对人和环境完全无害，又可持续对环境空气和表面生物因子和化学污染物具有洁净作用的方法，是科学工作者应该研究的重要课题，纳米光催化技术是重要研究途径之一。

纳米光催化技术也称为光触媒技术是20世纪70年代中期起源于日本，其原理是利用锐钛矿二氧化钛（Titanium Dioxide）经纳米技术处理作为光触媒（Photocatalysis），在紫外光作用下产生光氧化还原能力，使微生物和化学污染物彻底分解成二氧化碳和水，以达到对环境污染微生物和化学污染物净化作用。

经过20多年的研究与发展，光触媒技术原理和应用研究都取得了令人触目的成绩。光催化技术在空气净化、环境抗菌与除臭等领域的应用将成为现实。

我国光触媒技术研究起步较晚，对该项技术认识比较肤浅，理论研究和认识尚处在初级阶段，但近年来在光触媒材料研究方面取得很大进展。在广东、浙江、台湾等省都相继研究开发出颗粒直径达5nm的高纯度锐钛矿二氧化钛（TiO2），比表面积高达222 m2／kg，纯度＞99.5%。这种高纯度光触媒材料在光催化下能发挥出超常氧化还原能力。

【基本概念】

1.纳米及纳米技术

（1）纳米：是长度单位，原为“毫微米”，符号为nm（nanometer），相当于十亿分之一米即10－9（m）。

（2）纳米技术：是指在纳米尺寸范围内直接操作和安排分子、原字创造新材料的技术；纳米科学是指在纳米尺寸范围内认识自然和改造自然的科学。纳米技术主要包括纳米材料技术，纳米动力学技术，纳米生物学和药学技术，纳米电子技术等。国际纳米科学技术委员会将纳米科学分为纳米电子学、纳米物理学、纳米化学、纳米生物学、纳米工程学及纳米计量学等。

2.纳米光催化技术及光触酶　光催化技术是指利用不同光源照射某些触酶物质使之发生催化反应的技术，所以又称之为光触媒技术。能被光催化反应的物质叫光触媒或光催化剂；所谓光触媒指某种化学物质在特定波长光的作用下能发生新的化学反应和物质变化并形成新物质，同时产生对微生物和其他有机物破坏作用的化学物质；所以光触媒由触酶与光组成。光源主要是紫外光或含有紫外光的灯光、自然光和日光，目前应用的触媒主要是二氧化钛，有可能作为触媒的还有氧化锌（ZnO）和二氧化硅（SiO2）。

纳米光催化技术或纳米光触媒技术是利用纳米技术将触媒物质，如二氧化钛制作成纳米级范围内颗粒（5～10nm），使之能适应更多的光源，发挥出更好的光触媒效果；所以把经过纳米技术处理的光触媒称之为纳米光触媒或纳米光催化剂。

3.光催化洁净技术　利用光触媒技术或光催化技术破坏环境中污染微生物和有机化学污染物，达到洁净环境的技术体系，把这种技术称之为光催化洁净技术。二氧化钛在紫外光催化作用下，显示出杀菌、抑制细菌生长、破坏有机化学物质作用，起到净化环境空气和物体表面的效果，这已被许多研究所证实。将纳米光触媒制备成涂料、板材、陶瓷、玻璃和纤维，生产出空气净化器、含光触媒涂料的病床、用具、室内墙面、建筑材料等，用于净化室内空气和各种表面，在卫生学方面可能会发挥重要作用。

【主要特点】

光触媒或光催化是一项全新的技术，要求精度高，其制剂颗粒应在纳米级范围内，最好在10nm以内；要求纯度高，达到99%以上高纯度；可以进行配方，形成固定剂型（液体或颗粒粉剂）；可以进行构建，制成各种成品或仪器，所以需要涉及到许多技术领域。光触媒作用主要特点有：

（1）作用广谱，在光触媒反应过程中，不仅能有效破坏各种有化学机物质，也能破坏微生物。

（2）在光触媒反应过程中，二氧化钛不参与反应，只起催化媒介作用，其本身并不随时间延长而消耗，因此使用寿命持久。

（3）经过纳米技术工艺处理的触媒，可在含有微弱紫外线的灯光、自然光、日光等多种光源下发挥作用。

（4）完全无害，由于纳米二氧化钛本身不释放出有害物质且本身不参与反应，在反应过程中将所作用的物质完全氧化成无害的小分子物质，因此光触媒作用对环境完全无害。

【消毒机制】

1.光触媒反应机制　光触媒（二氧化钛）在紫外光作用下，激发物质表面电子，可连续发生能级跃迁，继而电子飞出，形成具有超强氧化能力的空穴（正穴）和具有超强还原能力的电子；空穴／电子对与表面和空气中水反应后可产生活性氧［O］和氢氧自由基［HO］等活性物质。这种反应过程可有以下几个步骤：在紫外光的作用下产生空穴／电子对即TiO2＋光能（hv）→电子（e－）＋正穴（h＋）；空穴／电子对与表面和空气中水反应生成活性自由基即正穴（h＋）＋水分子（H2O）→OH＋H＋，电子（e－）＋氧（O2）→活性氧（O－2）。

2.光触媒破坏有机物作用机制　光触媒反应所形成的空穴／电子对与表面和空气中有机物结合而发生氧化还原反应，可彻底将其氧化；另1方面，空穴／电子对与表面和空气中水反应后可产生活性氧［O］和氢氧自由基［HO］等活性物质。这些活性物质具有极强的氧化作用，不仅能氧化破坏微生物，也可将有机化学污染物完全氧化，从而起到洁净环境和除臭等作用。由于在这种反应过程中光触媒不参与反应，从而使反应可反复进行，所以光触媒可长期持久地起作用至少5年。

【消毒效果】

1.生物效应　光触媒二氧化钛粉末在紫外光照下即有杀灭细菌的作用，把二氧化钛制成含量为1　000mg／L的悬浮液，加入大肠杆菌在400nm波长光照下显示出明显杀菌作用，但如此使用对光触媒用量太大而浪费资源。光触媒生物和化学效应取决于光触媒颗粒大小（应为5～10nm）、制剂（整合在合适的媒介上）以及科学的工艺（喷镀和整合技术）三大要素。室内装修用纳米二氧化钛喷镀瓷砖，对表面大肠杆菌抑制率达99%，对肺炎克力伯菌抑制率为96%；对金黄色葡萄球菌、铜绿假单胞菌以及病毒均有良好的杀灭和抑制作用。将铜绿假单胞菌和枯草杆菌污染在纳米光触媒表面，经365nm紫外光源距45cm照射60min，杀灭率分别为99.8%和91.5%。据日本研究报道，二氧化钛光触媒表面在太阳光照射下，除菌率可达到99.99%。

据王君报道，超声波对二氧化钛光触媒亦可起到催化作用，从而促使二氧化钛激发液体成分发生变化，释放出杀菌成分。将大肠杆菌加入纳米二氧化钛水溶液内使含菌量为106cfu／ml，经超声波作用75min，杀灭率可达到100%（表17-6）。

物体表面或室内表面喷涂二氧化钛光触媒，在光照条件下发挥杀菌作用更具有实施意义。现场调查证实，医院室内表面喷涂光触媒24h后采样检测，结果证明室内空气细菌数符合卫生标准要求。手术室表面喷镀光触媒或使用光触媒空气净化器，可使手术室空气中微生物数保持在Ⅱ类环境卫生水平并达到除臭效果。国内深圳清华国际技术转移中心推出的纳米光催化技术与紫外光结合制造的“复合空气净化器”在室内开机60min后，可使空气中自然菌下降93%。

表17-6　不同pH光触媒溶液纳米二氧化钛与
超声波协同杀灭大肠杆菌杀灭率（%）

2.化学效应　光触媒的化学效应的意义主要表现为对医院内环境、家居室内、公共卫生间、人口密集的公共娱乐场所、交通工具内等场所有害化学物质的破坏作用。室内使用光触媒空调，开机10min后，可消除室内不良气味80%，在有明显臭味的室内喷洒光触媒经紫外光照1min后即可感觉到臭味减弱，照射5min后臭味消失。这主要是因为光触媒在紫外光作用下，其氧化作用直接破坏了室内挥发出的甲醛、苯类、氨类等有机物质分子中C－C、C－N、C－O、O－H、N－H等化学键以及NH3、SO、SO2、H2S、NO、NO2等无机物质。

【消毒应用】

目前光触媒产品已经达到实用阶段，国内外都已经在一定的场所实际应用。光触媒产品主要有室内空气洁净和物体及环境表面洁净两大方面，并在很多场所实际使用。

1.医院室内消毒和洁净　在医院手术室、供应室、重症监护室、新生儿室等重点部门室内安装带光触媒与紫外线装置的空气净化器，不断对室内空气进行循环作用，以破坏室内空气中微生物和有害气体，达到净化空气的作用。试验证明，在持续不断作用过程中可以改善室内空气卫生状况。另外，在医院病房内床具、室内表面喷镀光触媒，有意识加强室内光照，可保持光触媒对表面微生物和有机污染物持续的破坏作用，以达到表面洁净。

2.公共娱乐场所和居室内卫生洁净　从光触媒功能上，在室内有光照的部位都可以发挥作用，但目前由于造价问题，应用比较局限。在卫生间表面喷涂光触媒对保持洁净卫生具有实际意义；安装具有光触媒作用的空调以代替旧式空调，可以及时消除居室内有害气体，提高室内卫生洁净水平。

3.制药和食品生产车间卫生洁净　制药和食品生产重要车间卫生均要求符合GMP标准，建筑这样的标准设施很容易但维持标准比较困难，光触媒技术可能有助于问题的解决。首先可在车间表面喷涂二氧化钛光触媒，采用适当的光照可保持表面洁净；在空气净化系统采用光触媒喷涂部件和光触媒滤材，配以特定波长紫外光，利用微电脑控制，使得在过滤除尘的同时破坏微生物和有机物质。

4.交通工具内卫生洁净　在交通工具上采取卫生洁净措施是现代人性化设计的重要内容。日本已经将光触媒技术成功地应用于汽车内环境净化处理上，特别是在公交车、小型卧车、采血车及其他卫生用车采用卫生保洁措施可预防交叉感染和消除有害气体。车内主要是将光触媒喷涂或喷镀在各种部件和表面，也可安装光触媒空调器改善车内空气。

5.纳米光触媒整合纤维的应用　将超细纳米二氧化钛光触媒通过织染复合工艺整合在各种纤维上，制成一种新型纳米光触媒纤维防护纺织品，从而将纳米光触媒的生物洁净功能与纤维结合起来，用以制作各种抗菌防护用品，如医用口罩、防护服、病房卧具、手术衣等，也可用于宾馆卧具、制药和食品行业工作服乃至日常生活服装。这些纺织品可长期、安全、耐洗，具有广泛用途。

【影响因素】

1.光触媒颗粒细度　光触媒二氧化钛必须经过纳米技术处理，颗粒越小越好，颗粒细比表面积大，光照效应强。研究证明，光触媒颗粒大小应在30nm以下，5～10nm最好。

2.光源　光触媒的效应取决于光源性能，光触媒反应能量来源于紫外线，不含紫外线的光源对光触媒无效。

3.光触媒浓度　实际应用的光触媒需要一定的浓度，但并非越浓越好。光触媒在一定浓度下，分散越均匀越好。

4.洗涤　经光触媒处理过的纺织品可以洗涤，但洗涤多次的光触媒整理纺织品光触媒会逐渐损耗，所以洗涤一定次数的光触媒整理纺织品其洁净效果可能大打折扣。喷镀在表面的光触媒则比较耐擦洗，因为经过特殊工艺处理的光触媒对物体表面具有较强的黏附力，一般清洁擦拭不受影响，但不可用强酸强碱擦洗。

5.温度　在室温范围内，温度升高对光触媒作用有增强作用，因为温度加速空气循环使得碰撞机会增加，其反应速度加快。

【产品开发】

1.原料产品

（1）液体产品：一是喷涂或喷镀制剂，一般呈乳白色液体，二氧化钛颗粒直径均要求在10nm以内；二是喷雾剂，多为无色透明溶液，常用于临时喷雾加光照处理空气或表面。

（2）固体产品：颗粒粉剂，呈白色，平均颗粒直径100nm以内，比表面积＞35m2／g，耐400℃高温，多用在空调器、建筑材料等抗菌除臭。粉末剂，超细加工的二氧化钛，用于制备各种涂料和喷雾剂；其颗粒直径已达到5nm，比表面积达到222m2／kg，纯度高于99.5%。

2.应用产品

（1）光催化氧化消毒机：美国产品（Photo-Catalytic Oxidation，P.C.C），利用二氧化钛光触媒与紫外光源结合技术，形成光催化作用，已经美国EPA注册。试验证明能杀灭96%微生物和破坏40余种有害气体。

（2）光触媒空气净化器：主要结构是在超高效滤器加活性炭过滤网基础上，再组合超强紫外线光源与光触媒陶瓷海绵，可作为120m3空间内净化空气。

（3）光触媒洁净灯：将特制光触媒喷镀于灯管上，形成均匀镀膜，在灯管发光时激活杀菌因子和化学分解因子，可消除空气中浮游微生物和有害气体。这种灯管适用于医院病房、家庭居室、办公室、网吧、酒吧、特别适合厨房料理室和食品柜内。日本已经生产出20～40W不同功率的值管形和圆管形灯具，但这些灯具的实际效果有待于卫生学者们进一步评价。

（4）纳米光催化冰箱：为杀灭和抑制0～10℃冷藏冰箱内细菌繁殖以及保藏物带入的细菌，采用光触媒技术与紫外光结合，制造出洁净冰箱。

【存在问题】

1.作用被动性　目前制造的光触媒产品所产生的活性因子均不能主动捕捉空气中颗粒，必须与微生物颗粒和有害气体直接接触才可发挥作用。所以，光触媒技术必须与空气净化系统组合才能发挥出更好的作用，喷镀在物体表面的光触媒只能对吸附在表面的微生物和有机物才具有氧化分解作用。

2.必须有含紫外成分的光源　光触媒没有紫外光存在不可能发挥出洁净作用，最好是紫外光源。用含微弱紫外光成分的光源即可使光触媒发挥作用，如日光、自然光、白炽灯光等能否发挥作用，有待于进一步进行实际验证。

3.光触媒要求颗粒越小越好　光触媒二氧化钛颗粒最好在10nm以下，颗粒大容易被包裹在涂料里面收不到光线；只有颗粒达到一定的细度，其比表面积增大，对光的效应才发挥到最大。

4.杀灭微生物效果局限性　对光触媒杀灭微生物的作用不可估计太高，与化学消毒剂相比较其杀灭微生物作用很弱，最乐观地评价也只相当于低效消毒剂的作用。对消毒而言，光触媒在发挥作用良好的情况下，对环境只是个清洁工具，现有的产品尚难达到卫生消毒水平，所以应正确宣传其作用，充分发挥其在适当场所起到其应有的作用。

【前景展望】

根据光触媒的特性和其所涉及的产品种类，该项技术在人们生活环境的卫生领域和环保领域显现出非常诱人的前景。

（1）在空气净化方面，光触媒技术最有可能得到应用。利用光触媒技术制造空气过滤器，特别是纤维状滤器在技术上没有多大难度，最有可能降低成本。

（2）在小型轿车内空气洁净方面有一定的开发前景，目前车内空气污染尤其是车内装饰材料释放出的有害气体污染受到关注。光触媒材料与车内装饰材料结合以及车内空调采用光触媒过滤器，即可改善车内空气。

（3）光触媒建筑材料和装饰材料在家庭居室、办公室、宾馆卧房、医院病房应用，只要成本能够承受，应该具有实际应用价值和开发前景。