光触媒降解水污染物应用说课材料

光触媒降解水污染物应用说课材料光触媒降解水污染物应用说课材料 光觸媒降解水污染物應用黃耀輝成大化工系助理教授光觸媒降解水 污染物應用內容 一 緣起 二 原理 三 水處理上的應用 是看不見的敵人 圖為一位戴著口罩的民眾在戶外觀看政府對 病毒的介紹 專家提醒 口罩外層是骯髒的 有可能成為感染源 民眾要特別注 意 圖與文 高彬原 xx 05 19 一 緣起與看不見的敵人對抗 一 緣起抗煞初步成果台大首創抗煞一號剋病毒可製成口罩台灣大 學舉行 抗煞一號 無害有機化合物成果發表會 SARS冠狀病毒在 接觸 抗煞一號 化合物後 套膜會很快崩解而失去致病性 圖左 圖中 抗煞一號 的正式化學名稱是 八氫氧基辛烷酸 是由碳 氫 氧組成的化合物 每個分子大小約廿奈米 圖右 記者楊士正 攝影 SUN ECO 產品原理利用特殊二氧化鈦 TiO2 奈米光觸媒雙重除臭機構原 理 達到消臭 抗菌之效果 一 緣起市售抗菌產品推陳出新在經濟部產業升級列車活動之新產 品新技術商機發表會中 總統府獲知奈米光觸媒噴劑能達到抗SARS 後 即迅速通知惟信國際公司至總統府施打噴灑抗SARS 奈米光觸 媒噴劑 爾後再至總統副總統官邸 國安局 二一一憲兵營 聯 勤總部 國防部及民間企業噴灑抗SARS奈米光觸媒噴劑 讓惟信商 機不斷 無暇休假 近日為了服務更多的企業及商業環境 該公司決定與西肯公司一起 成立約三十餘人之 光觸媒事業部 讓同業及企業用戶做諮詢服務 資料來源經濟日報92年5月5日 圖為總統進府時接受洗手消毒措施 一 緣起總統府率先採用 奈米Tio2光觸媒 抗菌噴劑300ml鋼瓶包 裝 抗菌消毒 特價 1688 奈米光觸媒 車用抗菌清清淨液汽車專 用 抗SARS 特價 1488東元 光觸媒 殺菌空氣清清淨機XN3058BD 光觸媒 殺菌 SARS 星 特價 2999SANYO洋三洋 光觸媒 空氣 清清淨機 光觸媒 抗SARS 效果佳 特價 5290 5月份空氣純化產 品銷售市場成長200 一 緣起編號公告號公告日專利名稱100516610 xx 01 01空調殺菌光 觸媒裝置xx15394xx 12 21光觸媒汽車空氣濾清器300505229xx 10 0 1空調空氣清淨用殺菌光觸媒還原裝置400498939xx 08 11光觸媒式 之電扇500497466xx 08 01車內空調之光觸媒空氣濾清裝置60042871 4xx 04 01二氧化鈦 紫外光空氣清淨除濕裝置700427203xx 03 21 光觸媒空氣清淨器8004056982000 09 11光觸媒之空氣淨化裝置 國 內光觸媒設備專利申請狀況奈米光觸媒商機不斷 台中地檢署偵辦奈 米科技光觸媒口罩疑哄抬價格案 查扣裝有光觸媒的南寶塗料鐵罐及 口罩送化驗成分 記者白錫鏗 攝影 xx 05 23聯合晚報 目前國人為了抗SARS 一 窩蜂跟隨著總統府使用光觸媒做為抗SARS的良方 唯光觸媒其抗SAR S的能力 到目前為止許多專家都還非常質疑 消費者是否有需要搶 購呢 xx 05 15民生報 一 緣起光觸媒口罩 光觸媒即指以奈米級的二氧化鈦為媒介質 其粒子非常微小 極易懸浮於空氣中 即使吸入亦無法察覺 目前 國人將光觸媒噴灑於密閉的空間中 如室內 汽車中 甚至直接噴 灑於口罩上 都將有可能對人體肺部造成傷害 根據日本東京大學應用化學系藤 研究室於1999年1月12日之研究指 出 光觸媒需以紫外線 UV 作為其能量來源 且其紫外線波長需為3 88nm 一般之日光燈 500 800nm 跟本無法提供此一波長 而車內使 用光觸媒 因車窗大都貼有抗紫外線的隔熱紙 大部份的光源已被 其過濾 因此其效果很難發揮 光觸媒有分解有機物質之能力 不可用於皮革及高級衣物 記者許昌帄 報導時間 xx 05 27 xx 05 15民生報 一 緣起光觸媒造成人體肺部二次傷害 一 緣起奈米光觸媒口罩有用嗎 奈米光觸媒噴劑有用嗎 該不該 買奈米光觸媒健康機 或者採用光觸媒空氣清靜機 什麼是奈米技 術 什麼是光觸媒 什麼是二氧化鈦 某些物質會吸收特定 波長的光 使其分子達到激發態 具十分活潑的性質 可與其他物 質進行反應 此種物質稱之為光觸媒 目前市面上最常見的就是二氧化鈦光觸媒 二 原理什麼是光觸媒 1968年年 日本東京大學工學研究所藤島 昭博士 發表 本多藤島效果 報告 宣示研究團隊利用光觸媒的 轉化機制 全球才知道 光觸媒 這名稱 當時發現將光線照射在二氧化鈦單晶電極表面 水會產生電解的現 象 稱之為Honda Fujishima Effect 1970年代 依此原理水電解後產生氧氣和氫氣 氫氣可用來當潔淨 的能源 但是 後來發現光觸媒並不適合一次處理大量的物質 因此利用於 新能源的開發終究無法實現 1980年年 發現二氧化鈦具有分解有機物的功能 以此為契機 Hi tachi NIRE等公司發展出除臭 空氣淨化 NOx處理等設備 光觸 媒應用於環保領域開始受到重視 二 原理光觸媒的歷史 1996年年 發現另外一個現象是當光線照射 在二氧化鈦表面時 其親水性改變使附著在上面的水份變成水膜滲 入污垢與二氧化鈦的界面 污垢的附著力大幅降低 當雨水沖刷時 污垢自然脫落 這個原理應用在建築物的外壁 可以使外壁長期保持亮麗 依此原理ToTo Daikin Nippon Soda等公司開發出一系列自潔隧道燈罩 防霧玻璃等產品 xx年年 發現氧缺陷型二氧化鈦 TiO2 x Nx 具有可見光觸媒功能 大大增加了光觸媒的用途 例如光觸媒太 陽能的應用 目前人類光觸媒的發展尚無法模擬最古老的光觸媒 綠色植物 吸收太陽光以後利用其體內的光觸媒 葉綠素 將二氧化碳和水合成有機物 二 原理光觸媒的歷史 二氧化鈦有3種不同的結晶構造 其中板鈦 相在工業及生活上較無利用價值 故在運用上主要以金紅石相和銳 鈦礦相兩類為主體 目前最大的用途是作為顏料 成份為金紅石相二氧化鈦 具有獨特 的顆粒形狀 針狀 粒徑大小約500 1000nm 有良好的分散性和極高的紫外屏蔽性能 經紫外分光光度 儀檢測 其紫外屏蔽率高達99 99 以上 用於防曬化妝品 能避 免UVB與UVA對人體的傷害 用於塗料 可顯著提高塗膜的抗老化性 耐洗刷性和自潔功能 用於有機顏料 可提高顏料的耐光等级 通常作為顏料的二氧化鈦顆粒皆被覆一層非活性的Alumina Al2O3 或Silica SiO2 否則具有光觸媒活性的二氧化鈦與塗料或塑膠混合時 可能會將塗 料或塑膠分解 二 原理什麼是二氧化鈦 銳鈦相奈米二氧化鈦 採用氣相共沉法 及溶膠凝膠法製造 銳鈦相奈米二氧化鈦粒子粒徑大小約50 30nm 明顯增大了產品的比表面積和光催化活性 具有Amatase結晶 銳錐石 構造的二氧化鈦是最典型的光觸媒 惟 必需呈微細粒狀始能有效作用 當紫外線照射在二氧化鈦表面時 能生成電子 空穴對 由於帶正電的空穴具有很强的氧化能力 能夠使有機物氧 化分解為二氧化碳和水 而有機物初始含有的鹵 硫 磷和氮原子 也被分别轉化為X SO4 PO4 和NO3 等無機鹽 從而消除原有的危害性 同時 在二氧化鈦表面亦會變成超親水性 使附著在表面的水分形 成水膜 可廣泛應用於空氣淨化 污水處理 抗菌陶 搪 瓷和工業催化等 領域 二 原理什麼是二氧化鈦光觸媒 以防污而言 其一是光線照射在 二氧化鈦表面時 產生超強的氧化分解力 附著在二氧化鈦表面的 污垢被逐漸分解成二氧化碳及水 這個原理應用在高速公路隧道的照明設備燈罩上 能使燈罩長期保 持潔淨 提高照明效率 奈米光觸媒燈管殺菌 除臭 防污 消除空氣中的浮游菌 二 原理什麼是二氧化鈦光觸媒 二氧化鈦可視為一種半導體 紫 外線具有足夠的能量使其表面的價電子脫離 所需能量的大小為3 2 eV 根據左圖的公式 吾人可以導出該光源的波長為387nm 是紫外 光 波長超過387nm的光源 即不易使價電子脫離 光觸媒的功能亦無 法發揮 日光95 以上均大於此波長 二 原理傳導帶e e 價電子帶Pt h E 3 2eV Band gap E h C E hc h 普朗克常數6 626 10 34J S 光的頻率C 光速2 998 108m s 波長二氧化鈦光觸媒反 應原理 1240 E eV 二 原理From Dr P A Christensen ResearchGroup光催化反應可分為下列幾個步驟 1 反應物 氧氣及 水分子吸附於二氧化鈦表面 2 經紫外線光照射後 二氧化鈦產生 電子及電洞 3 電子和電洞被捕捉而分別存在二氧化鈦表面 4 電 子電洞與氧及水分子形成氫氧自由基 5 氫氧自由基與反應物進行 氧化反應 6 產物再由二氧化鈦表面脫離 H2O O2Org 二氧化鈦光觸媒反應原理 二 原理From Mill andHunte 1997 e h pairs rebinationat thesurface a or inthe bulk b of thesemiconductor e can reducean electronaeptor A c h can oxidizean electrondonor D d 光觸媒反應之主要機制說明 粒徑大小約1000nm的二氧化鈦粒子 中電子從體內擴散到表面需10 7秒 而粒徑大小約10nm的二氧化鈦僅需10 11秒 故電子與電洞複合的機率就變小 二 原理光觸媒反應有效利用之關鍵限制電子 電洞的壽命在10 99 10 12秒之間 如何將反應物移到TiO22表面反應是重點 故TiO22的奈 米化十分重要 二 原理In theabsence ofan electricfield the majorityof theelectron hole pairscannot overetheir mutualattraction andsimply rebine wasting 95 of thelight energyas heat and thisis animportant sourceof inefficiencyin systemsemploying semiconductorcatalysts forphotochemical conversionof light Gerischer H Electrochim Acta 1993 光觸媒反應有效利 用之關鍵限制光源與材料 二 原理可見光適用型光觸媒欲大幅擴展光觸媒的應用市場 則必 需開發可見光適用型光觸媒 太陽光的能量分佈最強的範圍落在450nm的波長左右 然而多數二氧 化鈦光觸媒使用之光源為300 380nm的紫外光 當使用太陽光為光源 時 無法充分利用太陽光所提供之能量 僅僅吸收約5 的能量 因 此 開發可見光應答新型光觸媒是很重要的 日本一家小型創投企業Ecodevice公司與AIST合作 成功開發氧原子 缺陷型光觸媒二氧化鈦 該物質在可見光領域400 530nm顯示強烈的 吸收現象 該公司從xx年6月開始量產 每公斤價格約4 000日圓 資料來源工研院產業經濟與資訊服務中心光觸媒技術趨勢 二 原理可見光適用型光觸媒資料來源R Asahi et al Visible Light Photocatalysisin Nitrogen Doped TitaniumOxides Sciencexx 光觸媒技術趨勢 二 原理二氧化鈦主要應用方向如下 每一種應用領域都需經特殊 設計 合成適當的產品才能達到它的功效 三 水處理上的應用二氧化鈦於水處理上的反應原理二氧化鈦經光 催化產生電洞 電洞和水反應產生氫氧自由基基 OH 氧化有機 物成CO2 最理想的作法O2catalyst與photo catalyst混合披覆 配合電場產生O2與與TiO2激發後的電子反應 生成O2 可與電洞一樣去除有機污染物 h O2catalystH2OO2organic pollutantsCO2 H2OCO2 H2Oorganic pollutantsH2O OH H 實際應用於水處理時 會碰到觸媒失去活性 catalyst deactivation 以致反應速率不快 低光效率 low photoefficiencies 等問題 二氧化鈦沒有經過改質 無法達到工業應用或環保產業應用的需求 目前國際上有關於這方面之研究 包括兩個主題 a 光觸媒結構及 成份改質 避免激發狀態之電子再重合 avoid rebinationof e h pairs b 從增加光觸媒之quantum yield著手 將光觸媒奈米化而變成quantum sized粒子時 光散射 light scattering 現象大大地減少 而且大大地增加可反應物接觸之表面 積 三 水處理上的應用二氧化鈦於水處理上的研究方向From Dr P A Christensen ResearchGroup另一構想是將TiO22激發後所產生的電子利用電解設 備導引並反應掉 如左圖所示 但反應器的設計是一大問題 三 水處理上的應用二氧化鈦於水處理上的研究方向一般研究方法 是將將TiO2懸浮於反應器 Suspended PhotocatalyticReactor SPR 中中或塗布於斜板上 Flow FilmReactor FFR 如左圖所示 三 水處理上的應用二氧化鈦於水處理上的研究方向也有雙套管式 反應器 如右圖所示 三 水處理上的應用二氧化鈦於水處理上的研究方向 漂浮式球狀淨 水裝置 傳統的水處理方式是將粉狀觸媒加入水中成懸浮狀 再經過 攪拌後處理 但粉狀觸媒的分離回收相當麻煩 日本產業技術總和研究所 AIST 成功開發多孔性玻璃球 內部含有 光觸媒二氧化鈦 該玻璃球置於水中並經過UV或陽光照射後 可分解水中所含的污染 物 其優點是可以處理大量的水 維修及生產成本皆非常經濟 根據AIST發表的資料 在含有2 4ppm氨的水中經2天處理後 氨的