光催化治理技术在城市绿色生态住宅项目的应用

李景辉，许立财，李浩杰

(1.兰州零度空间建设工程有限责任公司,甘肃 兰州 730099;2.二十一冶建设集团有限公司，甘肃 兰州 730099； 3.河南科技大学能源与动力工程系，河南 洛阳 471003)

1 概述

城市绿色生态小区建设是城市生态文明建设的重要内容，是现代城市从粗放式建设发展到集约内涵式发展的必由之路。随着人们经济水平的提高，对生活环境改善的诉求逐渐提高，舒适的生态环境(洁净的空气、干净的饮水)越来越成为城市居民在选择居住地的首要考虑。全方位对城市水体和室内外大气主要污染物进行治理是规划建设绿色生态小区的重要内容。目前，对室内外的空气污染物治理主要靠活性炭等物理性吸附的办法，但这种方法效果有限，使用成本较高，后期处理麻烦，对室外空气治理难以奏效。城市水体污染治理方法主要为活性污泥法，这种方法对一般的生活污水具有一定的净化作用，但对于一些低浓度、高分子有机污染物效果不佳。近些年来，针对城市水体中低浓度、高分子有机污染物的净化处理，研究者做了大量的研究工作，并提出了一些行之有效的新方法新技术，如光催化氧化技术、凝絮处理技术、膜处理技术等。其中，光催化技术能耗低、污染物降解后不易产生二次污染，净化处理设备简单，能够对空气中污染物和水体中低浓度、高分子有机污染物进行有效去除，光电子能够解离氧化空气中污染物，也可将水体中大分子有机污染物氧化为小分子物质，改善其生化降解性。因此，越来越受到研究者和工程技术人员的青睐。本文主要阐述光催化技术在城市水体和大气典型污染物环境治理领域的研究进展及其在城市绿色生态小区项目建设中的应用。

2 光催化技术的基本原理及应用

TiO2+hv→e-+h+

(1)

(2)

H2O→OH-+H+

(3)

h++OH-→*OH

(4)

1972年，Fujishima和Honda模仿植物光合作用，设计了太阳能光电池，使用TiO2单晶电极实现了光电催化水分解制氢[1]。从此，光催化技术进入人们的视野并引起了极大的研究探索兴趣。随后，光催化技术在氢能制备、有机污染物降解、杀菌消毒、大气污染物治理、化学合成等方面均得到了深入的研究和应用。Liu等[2]制备内嵌碳量子点的C3N4可见光催化剂催化分解水制氢，光催化量子效率达到2%，且催化剂具有较好的催化稳定性和可重复使用性。Nagajyothi等[3]采用Ag纳米颗粒负载功能性碳纳米管上制备Ag/f-MWCNTs，并在可见光照射下进行降解有毒有机染料和细菌灭火实验，结果发现在太阳光照射下60 min后有毒有机染料基本得到降解，150 min 后细菌灭活率达到接近100%水平，效果十分显著，细菌灭活实验图如图2所示。Xiong等[4]通过制备了BiOCl光催化剂，成功在可见光照射下催化降解有机染料罗丹明B，且获得了较高的光催化活性。Adrien等[5]将光催化功能材料TiO2掺混到室内油漆涂料中，发现添加适量的TiO2能够有效去除室内空气中NOx，净化室内空气。这些研究大大开拓了光催化技术的应用空间。光催化技术能有效地发挥氧化降解环境污染物的作用，这些技术特征与绿色生态小区有机物废水和室内外NOx,SOx,VOCs,CH2O等污染物的治理需求相匹配，具有十分广阔的应用前景。

3 光催化技术在绿色生态住宅小区中的应用

3.1 在绿色生态小区污水治理的应用

绿色生态住宅小区污水中，按其来源可以分为居民生活排污水和草木绿化中化肥农药污染的废水两大类。居民小区水体中常见的有机污染物包括天然有机化合物及致病菌，如水中动、植物分解而成的腐殖酸及病毒、细菌等，还包括人工合成的有机物，如硝酸盐类、挥发苯酚类、氰化物、藻毒素等。利用光催化技术不仅能够处理多种难降解有机污染物，而且具有很好的除菌及抑制病毒活性的作用，许多光催化剂本身无毒，不会造成二次污染，在处理难降解有机废水和致病菌方面有着其他污水治理技术无法比拟的优势。王利俊等[6]利用TiO2光催化材料光催化有毒氰化物，将 Au(CN)4-中CN-氧化为NH3和CO2，不仅消除氰化物对环境的污染，还还原了废液中的贵金属Au，实现了环境治理和经济性的统一。张宏忠等[7]采用相转换法制备TiO2/PVDF膜，将该复合膜用于处理牛血清蛋白(BSA)溶液模拟的天然大分子有机废水，光催化技术缩短了常规废液处理周期，光催化技术与膜分离技术耦合后增加了膜的使用寿命，显著提高了经济性。光催化与膜分离技术工艺的耦合表现出高效的催化降解、膜分离、灭菌消毒与自洁净的多功能一体化的水处理特性，更加适合城市绿色生态小区污水治理的应用。

工程建设中，绿色生态小区中通常要铺设透水砖，透水砖主要为雨水的下渗提供路径，减少地表径流量的同时，达到净化雨水的功能。但透水砖使用过程中容易出现孔隙被有机物等堵塞，产生异味等现象，如果将光催化降解有机物技术应用于透水砖上，光照条件下，光催化剂可以降解透水砖孔隙中的污染物，使透水砖具有防污、净化雨水的功能，有效解决透水砖堵塞问题。大连理工大学荆扬扬[8]将TiO2前驱体负载到透水砖的孔隙中，制作出一种具有光催化性能的透水砖，经实验验证得出光催化技术可以对透水砖中堵塞的有机物进行分解减量，使透水砖具有自清洁的功能。图3为自清洁光催化功能型透水砖原理示意图。

3.2 室内外空气污染治理的应用

相比生态小区污水治理，由于空气具有特殊流动性等特征，小区室内外空气治理具有较大的难度。目前，光催化技术与绿色建筑材料技术的耦合，为解决空气污染物治理提供了一条行之有效的方法。

3.2.1 光催化功能型涂料

将光催化材料与建筑涂料相结合，光催化涂料能直接利用光能降解各种气体污染物，包括NOx,SOx,CH2O等。利用光催化剂制成的涂料制品已经开始被应用于环保涂膜的各个领域。现代高层建筑的外墙面主要是通过高空吊绳人工进行清洗，如将光催化材料加载于建筑混凝土中，利用光催化效应去除周围环境中的有机污染物实现建筑外墙的自洁功能，则改善了建筑维护成本，具有较好的应用经济性。李景润等[9]将硅藻页岩按一定比例掺混入纳米TiO2光催化材料，制备出兼具有室内湿度调节、甲醛吸附降解作用的内墙涂料，结果证明纳米TiO2的掺入使硅藻页岩内墙涂料获得了净化甲醛的功能，室内甲醛在240 min后净化率达82.1%。将具有光催化响应的材料加入道路铺设水泥或者沥青中，形成功能性氧化路面，在光照条件下，光催化作用将氧化路面附近尾气中的NOx，将其分解生成无毒无害的硝酸盐，达到长效治理汽车尾气的作用。图4为光催化功能型路面降解汽车尾气污染物示意图。李丽[10]在南京长江大桥上开展了光催化混凝土路面去除道路上NOx的研究，监测数据证实了光催化功能型混凝土路面对汽车尾气中NOx降解清除效果明显。高衣宁[11]制备了Ag/AgBr/MOC水泥基硅酸盐复合材料，在室温下，2 d内就可以把初始浓度(质量浓度)50 g/m3的甲醛降解完全。

3.2.2 光催化功能型建筑外墙

光催化功能型外墙玻璃和建筑板材是在普通建筑玻璃和板材生产过程中涂覆或者掺杂具有光催化响应特征的半导体材料，使之具有去除有害气体、致病菌、降解有机污染物、保持表面清洁等功能，在小区公共建筑外墙具有较好的应用前景。Ho[12]采用中孔TiO2薄膜涂覆陶瓷泡沫空气过滤器，并用于室内空气净化，结果发现制成的陶瓷泡沫空气净化系统可以高效的对空气中NOx进行光催化降解，并认为中孔TiO2薄膜涂层的较大的有效比表面积，较多的吸附和催化活性位点是其高光催化活性的主要原因。吴燕[13]通过改性纳米TiO2光催化薄膜，并用于室内空气中气体甲醛的治理，取得了良好的效果，并发现TiO2的金属掺杂改性可以明显提高光催化降解甲醛活性和可见光利用率。李娟等[14]通过金属离子非均匀掺杂TiO2薄膜，并应用在玻璃及陶瓷基体上，获得了较好的自洁效果的建筑玻璃。图5为住宅建筑中可装配光催化功能型外墙和玻璃幕墙部位示意图，图6为李娟课题组研究的镀光催化材料的玻璃的效果图，由图5可得镀光催化材料的玻璃面具有自清洁功能，玻璃面没有水珠挂壁现象。

3.2.3 室内光催化空气治理

随着居住房屋室内装修精致化，室内环境里甲醛、苯等污染物超标现象较为严重，这不仅引起人体呼吸道的不适，严重时还可以引发白血病等疾病。光催化治理技术在室内空气治理上也有着独特的优势，如净化空气的光催化功能型窗帘、室内光催化剂涂料等。近年来，把室内空气治理和室内装饰艺术相结合越来越成为追捧的热潮，如有研究者设计了仿生光催化植物的空气净化技术。利用活性炭与金属泡沫材料的优良吸附特性吸附空气中污染气体醛、醇、酮、烃等，植物叶片表层涂覆光催化剂，通过活性炭与金属泡沫材料把有毒气体吸附到仿生植物表面，光催化材料通过光催化作用将有毒气体降解，实现空气净化[15]，如图7所示。此外，仿生光催化植物通过设计成不同的艺术化样式(如圣诞树、阔叶植物或多肉植物等)，可实现家居艺术化和健康功能化的统一。

4 光催化技术在住宅小区应用中的问题与展望

4.1 应用存在的问题

常规光催化剂(TiO2,SiC等)的光谱响应范围主要在紫外光范围内，可见光利用率低。生态住宅小区中绿化树木和楼宇的存在，使自然直射太阳光面积减少，散射光增多，这些散射光光谱主要为可见光和红外光谱，普通光催化剂对自然散射光利用率较低，对有机废物和空气污染物治理能力降低。此外，在建筑材料中添加光催化功能材料会一定程度影响建筑材料(如涂料、水泥、板材、玻璃幕墙等)的结构力学和物化性能，光催化功能材料和建筑涂料的掺混或涂覆会影响其光化学性能，进而影响其光催化降解污染物的能力。最后，生态住宅小区属于自然开放性环境，光催化性能难以准确测量，进而难以定量的对其降解污染物的效能进行评价。

4.2 技术展望

1)通过纳米技术、构建半导体P-N结等技术手段改进传统光催化剂的催化性能，使之能在可见光及红外光光谱范围内进行响应，提高光催化剂对自然太阳直射光和散射光的适应性。

2)研究光催化功能性材料与建筑基材之间的相互影响，优化光催化功能型材料与建筑基材的配方，保证光催化功能材料的功能性和建筑材料的结构力学和物化性能的最优化。

3)光催化降解污染物技术与其他技术的耦合，比如通过光催化技术和静电吸附过滤技术耦合强化室内外气体污染物的治理能力，利用光催化降解气体污染物技术与通风空调技术融合，更加有效改善室内的空气质量等。