陳美玲 丁文超 韋曉珊 楊子鍵 朱奕光
(佛山電器照明股份有限公司,廣東 佛山 528000)
隨著工業(yè)革命和經濟的持續(xù)發(fā)展,空間環(huán)境的污染對人類健康的威脅已成為一個世界難題??諝庵械牟《尽⒓毦?、真菌和揮發(fā)性有機化合物等都對人體健康構成極大的威脅。因此,空氣凈化問題已經引起了人們的極大關注。
目前市場上主流的空氣凈化技術主要包括物理吸附法、負離子凈化技術、等離子凈化技術和臭氧凈化技術等。然而,物理吸附法存在吸附效率不高、吸附飽和以及污染物二次釋放等問題??諝庳撾x子發(fā)生器存在壽命短、釋放臭氧以及超氧等衍生物。等離子凈化技術在凈化過程中會產生臭氧等有害物質,價格相對較貴且操作復雜。臭氧凈化技術產生的臭氧對人體健康有害,無法實現人機共存。
光催化技術具有光催化作用持久、化學性質穩(wěn)定和價格低廉等優(yōu)點。傳統的紫外光光催化技術需要特定的紫外波段,對人體健康不利,使其凈化應用受限。為了解決紫外光對人體的危害風險,該文通過光將可見光光催化材料與照明燈具相結合開發(fā)了一種可見光光催化燈具,此類燈具安全環(huán)保、凈化徹底、可人機共存且具有超長壽命,是具應用前景的凈化技術手段之一。
為了驗證光催化材料本身的光催化性能,該文通過有機染料羅丹明B(RhB)作為模擬污染物以評價其光催化性能。材料光催化性能及其速率常數的測試方法如下:量取90 mL光觸媒液體與10 mL羅丹明B(1×10-4 mol/L)溶液于反應玻璃瓶中,并將混合物置于黑暗處(完全避光環(huán)境)磁力攪拌至60 min以達到吸附-脫附平衡。然后以300 W氙燈作為光源進行光催化降解,每間隔20 min進行取樣,直至完全降解羅丹明B溶液為無色為止,每次取樣為3.5 mL,最后經過離心除去光觸媒固體,取上清液測定其吸光度值。對RhB去除率(%)的計算如公式(1)所示。
式中:和A分別為染料溶液在0 min和每間隔一段光照時間于λ~554 nm處的最大吸收峰。
測定材料的光催效率及其速率常數結果如圖1所示。在光照160 min處幾乎能將RhB完全降解,表現出良好的光催化性能。圖1(a)為光觸媒材料對RhB的光催化降解曲線,光觸媒材料在160 min處對RhB的降解率約為99%。擬一階動力學方程如公式(2)所示。
式中:為材料光催化反應速率常數,單位min。
此方程與試驗數據擬合良好,如圖1(b)所示。結果表明,對RhB溶液濃度為1×10mol/L時,材料的反應速率常數為0.024 2 min。
圖1 測定材料的光催效率及其速率常數
光催化材料對RhB溶液的吸收光譜(440nm~640nm)如圖2所示。在光照過程中,溶液的最大吸收峰從554 nm藍移至508 nm,可能原因如下。1) 溶液中存在一些中間產物(N-脫乙基化的中間體:鄰苯二甲酸、4-羥基苯甲酸等)。2) 光觸媒材料沒有完全離心的原因。
圖2 RhB染料溶液的吸收光譜隨光照時間的變化
影響光催化性能的因素主要有以下3點:1) 使用的光觸媒材料為核殼結構TiO@SiO材料,其中Ti質量分數僅為0.08%,大部分為黏合劑,這可能會影響有效成分發(fā)揮光催化作用,進而影響光催化效率。2) 光觸媒材料離心不完全,測試時溶液中有材料的存在,可能會影響光催化性能。3) 光觸媒材料的光催化性能及其速率常數的測試委托第三方檢測機構、學校測試,試驗人員的操作方法、測試儀器的不同會導致試驗結果的不同。
該文選用一種LED燈具,在其擴散板或燈罩表面涂覆一定厚度的可見光光催化材料。先使用去離子水、酒精對燈罩或擴散板進行清潔,
燈罩或擴散板自然晾干后,使用手工噴槍對燈罩表面進行光催化材料噴涂,噴涂后加熱固化。涂層干燥后的樣燈即為可見光光催化燈具原型產品。取擴散板或燈罩試片進行表面抗菌抗病毒性能測試,該測試參考《GB/T 30706 可見光照射下光催化抗菌材料及制品抗菌測試方法及評價》進行,通過可見光照射燈具擴散板和燈罩樣品表面24 h,記錄照射后與照射前菌落數的變化,并計算細菌和病毒去除率。
試驗結果顯示(如圖3所示),該燈具對H1N1型流感病毒具有高效的去除作用,其去除率高達98.13%,證明該可見光光催化燈具表面具有較強的抗病毒效果。對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、白色葡萄球菌、李斯特菌和沙門氏菌的消殺率則高于99%,說明燈具樣品具有優(yōu)異的抗菌作用。
圖3 燈具表面的病毒和細菌去除率
可見光光催化燈具空間抗菌抗病毒測試參考標準《GB 21551.3 家用和類似用途電器的抗菌、除菌、凈化功能空氣凈化器的特殊要求》,將原型燈具點亮,隨后將光色調節(jié)為冷白光,并放入30 m試驗艙,持續(xù)點亮作用2 h進行測試,分別取試驗前和試驗后的空間菌落進行計數,并計算空間細菌和病毒去除率。
測試結果表明(如圖4所示),在30 m空間內,可見光光催化燈具具有突出的空間抗菌和抗病毒性能。其中,H1N1型流感病毒的空間去除率高達98.85%,而大腸桿菌、金黃色葡萄球菌以及白色葡萄球菌的去除率可分別達到85.99%、82.18%和83.54%。相同時間內,該燈具的空間細菌與病毒消殺性能達到與空氣凈化器同等水平。
圖4 燈具的空間病毒和細菌去除率
室內的揮發(fā)性有機化合物(VOC)含量過高會引起人體免疫水平下降、危害人的消化系統,還會引發(fā)胃口不振、惡心嘔吐甚至致癌的風險。新裝修的房屋釋放大量甲醛于空氣中,對室內空氣造成一定程度的污染。室內凈化甲醛等VOC的凈化新技術已經迫在眉睫。該試驗參考《QB/T 2761-2006 室內空氣凈化產品凈化效果測定方法》進行,該燈具對甲醛去除率可按下式計算:=(C-)/C×100%,其中為去除率(%);C為空白試驗艙甲醛濃度(每mg/m);C為樣品試驗艙甲醛濃度(每mg/m)。經過測試證明(如圖5所示),可見光光催化燈具具有明顯的甲醛去除效果,其去除率達到了86.1%。除此之外,該燈具還具有去除異味、臭味分子的優(yōu)異性能,氨氣和硫化氫的去除率高達85.1%和84.2%。此類光催化燈具是空氣凈化器的高潛力替代產品,具有凈化效率高、成本低廉并節(jié)能等很多應用優(yōu)勢。
圖5 燈具的甲醛、氨氣和硫化氫去除率
先通過負氧離子測試儀測試30 m空間的負氧離子濃度,此時室內空氣中的負氧離子濃度為118個/cm。然后準備一盞可見光光催化燈具,將其置于30 m空間中,點亮燈具,使用負氧離子測試儀測定室內負氧離子濃度隨開燈時間的變化。試驗結果顯示(如圖6所示),開燈后室內的負氧離子濃度隨著照明時間的增加呈現上升趨勢,在50 min后其負氧離子濃度達到穩(wěn)定的狀態(tài),最高為3 275個/cm。根據環(huán)境空氣質量標準,測得室內負氧離子濃度達到了鄉(xiāng)村田野空氣標準(1000個/cm~5000個/cm),具有增強人體免疫力、抗菌力的作用。
圖6 負氧離子濃度隨開燈時間變化曲線
綜上所述,可見光光催化燈具對H1N1流感病毒空間去除率達98.85%,抗菌率(如大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、白色葡萄球菌、李斯特氏菌以及鼠傷寒沙門氏菌等)高于99%,甲醛去除率達86.1%,氨氣和硫化氫去除率分別高達85.1%和84.2%??沙掷m(xù)釋放負氧離子,有助于提高人體免疫力。此類空氣凈化燈具可廣泛應用于辦公、學校、商場、醫(yī)院和居民住宅等場所,以減輕室內空氣污染物對人體的危害,改善辦公、學習以及家居生活環(huán)境。