光催化技术在建筑环境与设备中的应用

光催化技术在建筑环境与设备中的应用

黄奔

湖南省工业设备安装有限公司 湖南长沙 410007

摘要：建筑工程相较于其它行业能源消耗更大，为了降低能耗需要在建筑环境和设备管理中应用光催化技术，该技术有着广阔的发展前景，具有降低能耗、操作便捷、循环应用等优势。早在上世纪50年代,相关人员就研究了无机物分解作用，至今仍不断有学者通过光催化分析半导体氧化材料，并取得诸多成绩，比如在金属载体上应用二氧化碳研制微电池，并且在建筑环境和设备当中借助光催化技术有效改善室内空气质量。本文从光催化技术在改善室内空气质量方面的应用入手，讨论光催化技术在杀菌方面的应用，最后提出光催化技术在建筑陶瓷卫生器具中的应用，希望对相关研究带来帮助。

关键词：光催化技术；建筑环境；设备

当前建筑行业消耗较多能源，光催化是全新的能源性技术将其用于建筑环境和设备管理中，有利于建筑行业的健康发展。光催化技术的研究始于上世纪50年代，将其用于建筑环境和建筑设备当中，可以有效改善室内空气质量，减少室内发挥性有机物，还可用于建筑陶瓷卫生器具中，因此对光催化技术研究有着重要意义，以下进行相关分析。

一、光催化技术在改善室内空气质量方面的应用

（一）反应原理

光催化剂的工作原理在于先选用催化剂材料，催化这一过程：污染物受到紫外线照射后碳原子被激发之后和空气中的氧气、水相互作用形成氧离子根以及氢氧离子根，然后分解出一定的水、二氧化碳和无机物，由此改善室内空气质量。本质上讲，光催化技术在净化空气过程中就是光和电的转换与氧化还原反应（如表1）。以往人们在室内空气质量分析过程中主要利用过滤吸附法，也就是把室内污染物转移到另一个区域，然而这不会根除污染物，并且随着时间的推移设备中的滤芯会处于饱和状态，需要定期清洗才能改善空气质量^[1]。

表1：各种氧化剂的氧化电位

（二）国外光催化技术研究现状

当前光催化技术在建筑环境和设备中应用较为广泛，紫外线能够与污染物发生反应，由此消除细菌和病毒，进而提升人们生活质量。当前诸多学者将其用于涂料当中，部分国家在光催化技术研究方面取得了巨大进步，日本在该方面研究处于世界领先地位，已经将研究成果用于建筑工程当中，并研制出多种光催化技术产品。此外，美国、德国、韩国也开始深入研究光催化技术。

（三）我国光催化技术研究现状

我国诸多企业应用传统的过滤吸附法改善空气质量，对光催化技术应用偏少，研究过程体现在如下方面：其一，测量实验室内低浓度甲醛浓度，然后放置空气净化设备，在三种不同状态下分析甲醛浓度变化，也就是依次分析未启动空气净化设备时甲醛浓度变化，启动空气设备后过滤层和光催化层共同作用情况下甲醛浓度变化，之后将空气净化器过滤层去除，分析光催化层和室内甲醛是否相互作用；其二，将带有活性炭的吸附层和光催化层空气净化设备，共同放置在低甲醛浓度的实验室中，经过观察发现存在如下变化：其一，未启动空气净化器的情况下甲醛浓度逐渐降低，其二，启动空气净化器后活性炭和光催化层发生反应，对室内污染物吸附；其三，取出吸附层之后光催化层依然能够吸附空气中污染物，不过作用下降^[2]。

二、光催化技术在杀菌方面的应用

（一）研究进展

上世纪90年代，纳米二氧化钛被用于玻璃材料，研究发现光照3小时后能够完全消灭大肠杆菌，后续研究证实纳米二氧化钛不仅能够消灭大肠杆菌，还能完全去除多种藻类和菌类。不过二氧化钛消灭细菌需要在光照条件下才能实现，以往的无机种类杀菌剂主要包括银离子、铜离子、锌离子，无需光照即可去除细菌，然而在去除细菌后会释放毒素。纳米二氧化钛可以将该物质完全去除，需要说明的是二氧化钛自身对微生物不具有毒性，产生毒性的条件在于大面积聚集。近年来北京工业大学和新加坡高校进行合作，对该项技术进行分析，证实能够去除塔内细胞，而日本富士化水工业株式会社与国立环境研究所、筑波大学、成蹊大学研究光催化技术防止冷却塔藻类生成的研究方面同样取得巨大进展。

（二）建筑室内挥发性有机物控制方面的应用

当前市场上销售的空气净化器主要为过滤和吸附功能，在净化细菌方面效果不佳。光催化技术可以在一定压力和温度条件下降解有机化合挥发物，然后生成二氧化碳和水等小分子产物，能够提升当前空气净化的效果。在建筑当中可以结合中央空调系统设计方案在于把光催化结构组件安装在空调壳体，处于回风箱空气过滤工段之后，中央空调系统将带有污染物的回风吸入回风箱，在过滤器处理后进行光催化空气净化，最后加工处理空气并通过送风机排出，由此改善室内空气质量^[3]。

三、光催化技术在建筑陶瓷卫生器具中的应用

（一）陶瓷表面纳米二氧化钛薄膜的光催化活性和牢固性

有研究人员使用陶瓷代替陶瓷卫生器具进行实验，选用不同层数的二氧化钛薄膜，然后将陶瓷杯放入浓盐酸、浓硝酸混合液当中，浸泡5分钟之后应用超声波清洗器清洗5分钟，将陶瓷表面污染物彻底清除，自然干燥之后蘸取二氧化钛胶体，然后均匀涂抹于陶瓷杯表面，放入干燥箱当中，设定温度为103℃，干燥处理10分钟，重复以上步骤得到不同层数的二氧化钛薄膜，然后分为两组，其中一组进行热处理，放入马弗炉内，每分钟升温3℃当温度达到500℃时保存90分钟，冷却后取出待用。另一组不进行热处理。通过光催化降低模拟污染物分析纳米二氧化钛薄膜的光催化活性，在不同烧柜中加入40毫升甲基橙溶液，然后应用分光光度计测量吸光度，研究发现两组不同层数的二氧化钛薄膜光催化降解率存在差异^[4]。

（二）负载有纳米二氧化钛薄膜陶瓷的实际应用

通过上述研究可以发现，未经过箱式电阻炉断烧处理二氧化钛薄膜牢固性好，将两个陶瓷碟和一个不镀膜的陶瓷碟共同放入水池当中，然后进行实验观察，分析消除陶瓷碟位置的影响，研究发现放入水池三个月后不镀膜的陶瓷碟表面出现生物膜状并且带有黑色的污物，而负载二氧化钛薄膜的陶瓷碟表面更加洁净，证实纳米二氧化钛薄膜陶瓷碟在应用中具有良好的抗菌能力，主要结论如下：其一，紫外光照射条件下带有纳米二氧化钛薄膜的陶瓷杯具有光催化活性，未经热处理的薄膜光催化活性较好，随着薄膜层数的增加甲基层降解率提升；其二，自然光照下带有二氧化钛薄膜的陶瓷碟放入洗衣池三个月后表面具有自清洁能力，所以可以将光催化技术用于建筑陶瓷杀菌处理^[5]。

结束语：

综上所述，光催化是新型能源方式有利于建筑行业的良好发展，今后需要继续加强技术攻关，使该技术更加深入的用于建筑工程和建筑设备当中。与此同时，需要促进学科融合，重视人才培养，进而为人们营造更加健康的居住环境、

参考文献：

[1]水博阳,宋小三,范文江. 光催化技术在水处理中的研究进展及挑战[J]. 化工进展,2021,40(z2):356-363.

[2]唐晓剑. 环境治理技术与光催化组合工艺的探究[J]. 农村科学实验,2021，11(32):35-37.

[3]茹晓红,王玉江,李旭亮. 光催化净化功能石膏的制备技术研究[J]. 新型建筑材料,2021,48(1):48-51.

[4]黄晨茜,刘文占,刘得章. 光催化技术在温室气体治理上的研究发展[J]. 科学技术创新,2020，12(3):194-195.

[5]王朝勇，黄晓亚，魏瑞朋. 能量过滤磁控溅射技术制备Cu2O/二氧化钛复合薄膜及其光催化性能[J]. 表面技术，2020,11(6):132-137.