二氧化钛光催化氧化杀菌在电梯行业应用的研究及设想.docx

1、二氧化钛光催化氧化杀菌在电梯行业应用的研究及设想APPLICATIONOFTITANIUMDIOXIDEPHOTOCATALYTICOXIDATIONSTERILIZATIONINELEVATORINDUSTRY文I仇健'林祥荣2穆骏'1. 中国科技开发院江苏分院光催化研究中心2. 乐清市汇菱电气有限公司3. 上海绿坝环境工程技术服务中心摘要：本文概括了光催化氧化杀菌的发展历史以及最新的研究进展，综合分析了其杀菌机理和影响反应的各相关因素，同时在电梯行业的应用发展提出了一些看法。关键词:二氧化钛、光催化、纸化杀菌、大肠杆菌多相光催化氧化技术一直以来都是国内外研究的热点1985年

2、，日本的TadashiMatsunaga首先发现了Ti02在紫外光照射卜有杀菌作用。实验结果报道，与负我Ti以颗粒共同培养的乳杆嗜酸细菌、酵母菌、大肠杆菌在金属卤化物灯照射下，60-120分钟内可以被彻底杀灭。TiOz光催化杀菌的优势在于它不同于一般消毒剂，在杀死细菌、霉菌、病毒的同时，也可分解掉其分泌的毒素,不存在二次污染问题。光线照射在光催化核心材料纳米Ti（h（二氧化钛）上后，激发出电子发生迁移并形成空穴，在此过程中电子和空穴再分别与空气中的氧气和水结合产生超氧离子和羟基白由基等强氧化物质：强氧化物质能够捕捉空气中的有机污染物、细菌等微生物，氧化分解生成水和二氧化碳等无机物。反应过程中所

3、用的Ti02光催化剂具有无毒安全环保、化学稳定性好的特点，其主要吸收激发波长为385nm（紫外波长）以下的光进行降解反应，这种波长的光在太阳光中约占7%,而其余的可见光约占71%,红外光约占22%,如若能全部采用太阳光（或可见光）为光源，则町大大提高光催化的应用效率，司以降低系统的运行成本，在一些缺少电力的农村、城市室内人流密集区和军事野外方面较有应用前景。口。？光催化的基本原理有关半导体材料光催化剂的催化机理己有大虽研咒报道，当能量相当于半导体禁带宽度的光照射到催化剂表面时，就会激发半导体内的电子从价带（valenceband）跃迁至导带（conductionband）,形JWf彳电E

4、9;B,并砌甄娅敲应的进行。其中，光牛.空穴具有很强的获取电子的能力，可与催化剂表面吸附的0H和1也0发生反应，生成羟基自由基。而光生电子则可与催化剂表而吸附的Q发生反应，生成超氧离子。这两种物质均具有很强的氧化性。它们能捕捉空气中的有机污染物、细菌等微生物，并分别把它们氧化分解成水和二氧化碳等无机物。光催化体系中，活性氧化物质011与02是主要的自由基，其氧化作用几乎无选择性，可以氧化包括难生物降解化合物在内的众多有机物，使之完全矿化。对不同微生物的杀灭作用为了考察Ti02对微生物的作用，根据不同的研究和应用背景，人们选择了细菌、病毒、藻类、癌细胞等。目前己有报道的考察Ti02光催化作用的细

5、菌类有：乳杆嗜酸细胞(lAictobucillusacidophilus)、酵母菌(Saccharomycescerevisiae)、大肠杆菌(Escherichiaco】i)、链球菌(Streptococcusrnutans)等。当病毒落到涂有光催化涂层的物体&面上时，只要有光，就能使病毒表面的血凝素(HA)蛋白质产生变性，病毒就无法传染了(即灭活)。然后，还会进一步分解病毒膜结构，进而破坏具有遗传信息的核酸(RNA),最终彻底分解产生病毒来源的有机物。即使面对比病毒大10倍以上的细菌，光催化涂层所拥有的强大的氧化分解能力，也能使细菌灭活，并最终被完全分解成二氧化碳和水等。山于光催化

6、涂层中还添加有贵金属银和钥金离子杀菌剂，因此，即使在没有光的情况下仍然具有很好的杀菌效果。人们对Ti(h光催化杀菌机理的研究不断深入，己被实验证明的机理有：细胞渗透作用、辅IWA的破坏、内毒素的降解、蛋白质和脂类的变性分解和细胞矿化成C02与水等。TadashiMatsunaga研究认为，细胞内辅酶A会被TiO2所氧化，继而阻止细胞的呼吸，造成细胞死toZhcngHuang在研咒光催化对大肠杆菌的细胞作用位点的实验中发现，光催化反应开始后，细胞对小物质如作为探针的0PNG的渗透性增加很快。大约20分钟后，大分广物质如IHhgalactosidase会发4渗漏。实验表明：绷嵯首先被破坏，随之，细

7、胞膜和胞内物质也被破坏，菌体的存活率卜降在KayanoSunada的实验中E.Coli被杀灭的同时，其内毒素等脂类物质也会被降解。这-点也是光催化氧化技术根除伤寒、霍乱等二次污染可能的绝对优势所在。Montogomcry认为杀菌主要有两个原理：细胞壁和细胞膜被氧化分裂，导致细胞整体分解,间接分解有害有机物、氮氧化合物和硫化物等；(2)-些可以使藩失活的活性基团渗入到细胞或颗粒中，破坏细胞内部的成分、干扰蛋白质的合成等，防霉,防真菌。改进和提高光催化杀菌效果的几种方法D增加反应体系中的超氧离子与02的浓度在ChangWci的实验表明，在Ti02受照射时，改变溶液中的氧气比例会对细胞的杀死情况有所

8、影响。在无氧条件下，细菌的杀灭作用几乎为零。随若02含量比例的逐步增高，杀菌作用也逐步升高。增大02浓度，使反应速度加快，反应45分钟时，纯氧,条件下菌体的存活率为0,而在大气条件下其存活率为50%这为污水处理和空气净化提供了解决思路。而超氧离子的生成量与02的浓度具有正相关性。2增加基体中的羟基自由基窘InoM.Stevenson等尝试利用超声分解TiO2强化悬浊液杀曲作用。实验证明，超声可以产生羟基H由基，而羟某自由某在该系统中起主要的杀菌作用。JonC.Sjogre在近紫外光范围内杀噬菌体MS2的实验中加入了2jxrnol/L的FeSOi,使噬菌体MS2的死亡率从90%提高到99.9%,

9、后经证明是FeSOi起到了Fenton试剂的作用，增加了羟基自由基的生成。3既眺原（不同波长的光源及光强度的影响）光催化实践研究中采用的灯有金属卤化物灯、汞灯和紫外灯等。最初多用能虽较强的紫外灯，但紫外灯木身有极强的杀菌作用，掩盖了Ti（h光照杀菌效果。后来的实验多集中在近紫外光和太阳光下。ChangWei等的实验证明,当光强从180pE/sm2提高到1660*E/s-m2时，细胞的死亡率也随之而增加。他们认为杀菌速率与光强成正比例关系。S.S.Block等人发现实验中存在若最小有效光照强度。在此光照强度之上，提高光照强度并不能有效的大幅度的提高杀菌效果。但是在此照强度之下，光强降低时，杀菌所

10、需的时间会大幅度增加。如果把光源从太阳光进化到可见光可响应,就会大幅度拓宽光催化的应用场景，不受光源波长、光强度等限制。由于只有光照射到的光催化剂才有产生电子-空穴对，光催化剂的量再多，但光只能照到表面上的一部分催化剂，下面的催化剂受不到光照，不会产生电子-空穴对，实际上没有活性，因此光解率就不再增加。电梯按钮的面积很小,乘客的手指接触按钮（用来选层）时间极短，如何在“亲密接触的T挪“完成光解效率，就要通过做小光催化剂TiC）2的尺寸，使它达到5lOnrn的量子点尺寸，同时利用石墨烯添加技术等增大TiO?光催化基材的比表面积，增强基材的透光性，从而提高催化的净化效率。让每个乘客手指上的细菌在按

11、钮的瞬间被氧化分裂、进一步失去活性,达到杀菌目的。当然，轿期空气中漂浮的有机微生物也会被“即时"，灾占'!当心传播纳米光催化涂层杀菌技术在电（扶）梯行业的应用设想电（扶）梯行业的杀菌应用环境主要是乘客密切接触的电梯轿厢密闭空间（含呼梯按钮）和扶梯扶手带，如果要应用光催化技术，就要同时解决好以下三个方面的问题：K要摆脱传统光催化紫外光的束缚，实现可见光响应的问题。电梯一般都在室内，轿顶的LED灯或扶梯上端室内LED灯是光催化的唯一灯源，能解决可见光响应的技术难点，而非仅仅依赖于紫外线光谱，就能把光催化氧化杀菌技术大规模、普适性地应用到社会生活中的室内电、扶梯场景中去。3要提高室

12、内光催化的效率问题。固定光照时间，光催化剂Ti02用虽与光解率的关系为：开始增加用虽会提高光解率，但用量增加到某一位后光解率几乎不变。这是崇住宣外/电鲫女通工H容H杷痛回应舞*编客引*交又竣3探索TiOz纳米光催化材料与基体材料的良好结合方式。电梯行业的特殊性，用材很宽泛。如聚乙烯树脂（扶梯）次渤钢复彻臧、木板、玻搞等（直梯）等，如何把Ti02纳米材料长期附着在这些装饰基材上，让其长久发挥可见光光催化作用，这就需要研发出一种成膜附着技术，电（扶）梯内全覆盖，增强纳米材料的机械耐久性，可长期使用。Ti02本身对人体细胞无任何毒副作用，如果同时解决了以上三个技术难点，就能把电（扶）梯部件集成在-起

13、，通过细曲等微生物和Ti02纳米光催化材料间广泛的相互作用，发挥出光催化氧化杀菌、降解一切有和L物ft无毒绿色安全环保，长期有效的绝对优势，今后出厂的停-台电梯、每一台扶梯都是我国人民社会生活中抑菌、杀菌之"国之利器"！附广微测测试报告参考文献袁秩好，表面修饰的铁酸锌和二氧化钛纳米材料及铁敢锌-二氧化钛纳米复合材料的制备、表征及性能：博士学位论文,合肥：中蹄肢大笑1999.2余锡宾.等.TiO2超微粒子的量子尺寸效应与光吸收特性.催化学报1999,(11):613.3帏兆祺赵化侨.半导体多相光催化应用研究发展，化学；ilM1999,(4):35.李晓娥.祖庸.纳米Ti02光

14、催化氧化机理及应用.化工进展,1999,(4):35.3ObeeTN,BrownRT.Ti02photocatalysisforindoorairapplications:Effectsofhumidityandtraceconturninantlevelsontheoxidationratesofformadehyde,toluene,and1,3-Butadiene.EnvironSciTechno),1995,29(5):1223.6ObccTN.Photooxidationofsub-parts-pei-mi11iontolueneandformaldehyde1eveIsontita

15、niausingaglass-platerealor.EnvironSciTechnol,1996,30(12):3578.?祖庸，等.纳米Ti02一种新型的无机抗菌剂.现代化1,1999,(8):46.8黄汉生.日本二氧化钛光催化削环境净化技术开发动向.现代化工1998,(12):399徐炽焕.日本对Ti02在微弱光下催化反应的应用.现代化工，1998,5):14.»陶跃武.等.空气中有害物质的光催化大除.催化学报.1997,(7):345.i刘平.林华咨付贤智“孟春.掺剁40光催化膜材料得制备及其灭菌机理.催化学报.1999,2CII3),325-328i吴奇，细轧刘文文等纳米Z

16、nO光催化材料的掺杂改性研究进局四川环境2018,37(1):159-1633相宝光。光催化纳米材料在环境保护中的应用研元低碳世界2018,(6):28-29»任成军，李人成，周人利等。纳米TI02的光催化原理及其应用。四川有色金属2004(2):19-24.IYoshihikoKikuchi,KayanoSunadaTomoknzulycxiatetaPhotocatalyticbactericidaleffectofTiO：thinfiIm:dynamicviewc-ftheactiveoxygenspeciesresponsiblffortheeffect-JournalofPhotochemistryandPhotobidogyA：Chemistry,1997,106:5156eRichardJ-Watt2Sunghc?Kong,McrgaretPOnr,ctalPhotcicatalyticiaacrivatjonofculiformbacteriaa