基于技术离子过滤器杀菌效果研究(doc 11页).doc

基于光催化技术的等离子体空气过滤器杀菌效果研究摘要： 本文介绍的空气过滤器有效的结合了静电除尘器和光催化技术，并且加入了等离子体效应，使其不仅拥有很好的除尘性，还有比较好的净化有机污染和杀菌的效果。利用净化器中的静电除尘器的正电极产生的等离子体效应激发光触媒的光催化作用，综合了除尘、杀菌和光催化治理VOC的作用。以普通的办公室作为测试场所，研究这种净化器的杀菌效果。实验结果表明，在沉降菌检测方面该净化器在工作15分钟后有明显的杀菌作用，30分钟后菌落数基本稳定；在浮游菌检测方面也得到了很好的结果证明该净化器有很好的杀菌效果，从而验证了其杀菌的高效性、广普性和快速性。1 前言目前人类经常活动的室内环境经受着各种各样的污染，它们已经影响到了我们生活的方方面面。有些污染会造成人类的头晕、恶心等症状，从而严重影响人们的工作效率。尤其是有机污染和细菌污染对生活质量的提高产生了严重的限制作用。现有的过滤、吸附、负氧离子以及臭氧等技术，都很难持续而有效的净化有机污染。而消毒液、紫外灯杀菌、臭氧杀菌等技术均存在对人体的副作用以及杀菌效率低的问题。本文介绍的空气过滤器有效的结合了静电除尘器和光催化技术，并且加入了等离子体效应，使其不仅拥有很好的除尘性，还有比较好的净化有机污染和杀菌的效果。这里主要针对其杀菌性能作一下研究。2 杀菌原理21 光催化及其杀菌原理在光照下，如果光子的能量大于半导带体禁带宽度，其价带上的一个电子（e-）就会被激发，超过禁带进入导带，同时在价带上产生相应的空穴（h+）。光生空穴具有很强的氧化能力（其标准氢电极电位在1.03.5V，取决于半导体的种类和PH条件），而光生电子具有很强的还原能力（其标准氢电极电位在+0.51.5V），它们可以直接复合释放出热能，也可迁移到半导体表面的不同位置，与表面的俘获位结合或与表面吸附的电子给体/受体发生氧化还原反应。空穴可以直接或间接氧化有机物，但通常情况下都认为空穴对有机物的氧化是通过羟基自由基（OH）简捷完成的。其机理如下：反应1：TiO2 + hv e- + h+反应2：h+ +OH- OH反应3：e-+ O2 O2-反应4：O2- + H+ HO2反应5：2 HO2 O2 + H2O2反应6：O2 + H2O2 2 HO2当用光照射半导体表面产生电子和空穴（反应1）时，由于羟基氧化电位在半导体的价带位置以上，而且又是表面丰富物种，因此空穴在扩散过程中首先被表面羟基俘获，从而产生羟基自由基（反应2）。羟基自由基具有高度的化学活性，可以氧化包括生物难降解的各种有机物并使之矿化。在空穴被表面羟基俘获的同时，光生电子也必须与电子受体相结合，以维持半导体表面的电中性。在不外加氧化剂的条件下，水中的溶解氧可作为电子的清除剂，俘获电子产生的负氧离子O2-（反应3），再经过反应4、5生成H2O2。H2O2在这里有双重作用：在反应系统中OH较少时，可作为OH的另一个来源（反应6），提高反应速率。光催化技术的高氧化性能具有很强很广的杀菌性，可以通过破坏细菌的细胞壁以及凝固病毒的蛋白质，达到杀灭细菌和病毒的作用。22 等离子体基本理论2.2.1词源等离子一词源于英文的“plasma”，其本意是“血浆”，“细胞质”的意思。但是，在1927年，美国1932年诺贝尔化学奖得主欧文.兰米尔（18811957）在一次充电粒子震动的研究过程中发现了一种特殊的波形，由于其与血浆（bloodplasma）的波谱极为相似，故而将其命名为“plasma”等离子体。2.2.2何谓“物质的第四态”？通常状态下物质有三态气，液，固；并且按右图的方式变化；当继续加热受热气体到一定程度后，气体的粒子中的电子（electron）由价带（valance band）逃逸到导带（conduction band）这样，物质的中性核（neutral nuclear）将出现空穴显正电性（+）；而得到电子的中性核显负电性（-）这样的一对离子同时相对独立存在。由于这种状态与其他三态在形状上有明显的区别，故而称之为“物质的第四态”。2.2.3 能量分析一般的，电离气体（lionize gas）所需的最低能量为23eV，由此我们可以推导出电离气体的温度：k * T = 2eVT = 2eV / k这里：T开氏温度k（Kelvin）eV 能量单位（电子伏特）1eV = 1.6 * 10 19JK波尔兹曼常量（BoltzMann）k =1.38 * 10-23J/K所以：T = 2*(1.6*10-19)/1.38*10-23=2.3*104k由此可见，电离气体的温度相当的高，因此，在宇宙星际中大量的存在着这种状态的物质。但是，应用在日常生活中， 这种高温状态既难以达到，又无法被人们适应，因此，在迅猛发展的离子体技术领域中一种新型的电离技术被广泛采用“低温等离子”技术（Nonthermal Plasma）。它是利用特性光源在空气介质（Medium）的电离效应这一原理而产生的。实验表明，这种特性光源可释放的能量为34eV。23 等离子技术和光催化技术结合的原理利用静电除尘器的放电装置放电，目的是要产生34eV的光能。根据光子的能量公式：E=h*vv=c/E=h*(c/)这里：E 光子能量 eV ( 1eV=1.6 * 10-19 J )h普郎克 （Planck）常量 （ 6.63 * 10-34J.s ）v光子频率 Hzc光子速率 （约3*108）m/s光子波长 m那么式有：E =6.63*10-34*(3*108/)JE=12400/eV根据公式有：12400/E 由于： E = 34 eV从而：=300400nm所以将放电装置和光催化有效的结合起来从理论上是可行的。3 材料与方法31材料空气：天津地区办公室内空气培养基：牛肉蛋白胨琼脂培养基化学试剂：10%HCL溶液、10%NaOH溶液、0.1%酚酞指示剂等.32沉降菌测量方法采用沉降法。即将盛有培养基的培养皿（直径90mm）放在办公室的4个待测地点，暴露5分钟后回收，然后放入恒温培养箱在37条件下恒温培养48小时，肉眼计数菌落数目。33 浮游菌测量方法采用撞击法。采用干式撞击法的旋转法，即通过缝隙吸引空气采样，是空气中所含浮游菌撞击并沉积在旋转的培养基上。培养基直径50mm。4 结果分析为了更好的验证本净化器的杀菌能力，笔者在两个不同空气品质的办公室里进行了沉降菌的测量。首先测量未开启净化器前的沉降菌，然后开启净化器，每搁15分钟测量一次，这里将数据总结成图表如下：从图表中可以清楚的知道在不同空气品质的情况下有相似的杀菌效果，在净化器稳定工作30分钟后，沉降菌的数量趋于稳定，皿中的菌落数不大于5（本实验采用直径90mm培养皿）杀菌效率在90%以上。但是其中有不稳定的数据存在，主要由于办公室的气密性不能确保无室外空气渗入导致。浮游菌的测量采用国产JWJ1A型空气微生物检测仪，培养皿的直径50mm，本实验采用抽气量25L/Min，每个培养皿抽气2分钟。实验结果如下：浮游菌的测试结果（cfu菌落数）初始 （300cfu）15分钟后（260 cfu）30分钟后（224 cfu ）45分钟后（186 cfu）60分钟后（132 cfu）75分钟（86 cfu）5 结论加入等离子技术的光催化净化器有很好的杀菌效果和实用性，具有快速，高效和广普等优点，适合在家庭、办公室、小型会议室中使用。这项技术是可行的，值得继续深入研究，以便为人类的生活提供更好的生活条件。参考文献1耿启金，王西奎，国伟林。纳米涂料的研究进展。山东建材2003 年第24 卷第4 期2北京首创纳米科技有限公司研发中心。纳米光催化技术