ISO 22197-42021 精细陶瓷（高级陶瓷 高级技术陶瓷） - 半导体光催化材料的空气净化性能测试方法 - 第4部分去除甲醛标准立项发展报告

精细陶瓷（高级陶瓷、高级技术陶瓷）—半导体光催化材料的空气净化性能测试方法—第4部分：去除甲醛标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:Fineceramics(advancedceramics,advancedtechnicalceramics)—Testmethodforair-purificationperformanceofsemiconductingphotocatalyticmaterials—Part4:Removalofformaldehyde摘要室内空气中甲醛污染已成为影响公共健康的重要环境问题，而半导体光催化材料因其在常温常压下可将甲醛分解为无害物质的独特优势，正逐步成为空气净化领域的研究热点与应用重点。然而，由于缺乏统一、可重复、可比较的测试方法标准，不同实验室、不同材料体系间所获得的性能数据差异显著，严重制约了光催化材料的质量评价、技术遴选与国际贸易。在此背景下，国际标准化组织（ISO）于2021年7月发布了ISO22197-4:2021《精细陶瓷（高级陶瓷、高级技术陶瓷）—半导体光催化材料的空气净化性能测试方法—第4部分：去除甲醛》，填补了光催化材料甲醛去除性能标准化测试方法的国际空白。本报告系统梳理了该标准的立项背景、编制历程、核心技术内容与应用价值，重点阐述了标准所确立的测试原理、试验装置、样品要求、测试程序及结果计算方法，并分析了其与ISO22197系列标准的协调关系。报告还介绍了该标准主要参与单位日本产业技术综合研究所在标准研制中的技术贡献，并对标准未来在室内空气净化材料评价、光催化产品认证及国际互认等领域的应用前景进行了展望。关键词：精细陶瓷；半导体光催化材料；空气净化；甲醛去除；测试方法；ISO22197-4；标准化Keywords:Fineceramics;Semiconductingphotocatalyticmaterials;Airpurification;Formaldehyderemoval;Testmethod;ISO22197-4;Standardization1引言1.1研究背景甲醛（HCHO）作为一种典型的气态有机污染物，广泛存在于建筑材料、装饰材料、家具及日用化学品中，其释放周期长达3至15年。世界卫生组织（WHO）已将甲醛列为致癌物质，并建议室内甲醛浓度不超过0.08ppm（约100μg/m³）。我国《室内空气质量标准》（GB/T18883-2022）亦规定室内甲醛浓度限值为0.08mg/m³。然而，在实际居住和办公环境中，甲醛超标问题依然普遍存在，特别是在新装修建筑中，甲醛浓度超标率可高达60%以上。半导体光催化技术利用TiO₂、ZnO、SrTiO₃等半导体材料在紫外或可见光照射下产生强氧化性的活性物种（如·OH、·O₂⁻），可将甲醛等有机污染物氧化分解为CO₂和H₂O，具有反应条件温和、无二次污染、使用寿命长等突出优点。近年来，光催化空气净化材料已在建筑外墙涂层、室内净化器滤网、空气净化灯具等领域获得越来越多的工程应用。1.2标准缺失带来的挑战尽管光催化材料在甲醛去除方面展现出巨大的应用潜力，但在ISO22197-4:2021发布之前，国际上尚缺乏统一的光催化材料甲醛去除性能测试方法标准。各研究机构和企业多采用自行设计的实验装置和测试条件，导致以下突出问题：-不同实验室间测试结果可比性差，同一材料在不同机构获得的甲醛去除率数据可能相差数倍；-光催化反应受光照强度、湿度、初始浓度、气体流量等多种因素影响，缺乏标准化条件控制使得数据无法溯源；-产品性能声称缺乏统一验证依据，不利于市场规范和消费者权益保护；-国际贸易中缺乏技术壁垒协调的技术支撑。1.3标准立项的意义在此背景下，ISO/TC206（精细陶瓷技术委员会）决定制定ISO22197系列标准，针对不同气态污染物建立系列化、规范化的测试方法。其中，ISO22197-4:2021专门针对甲醛的去除性能测试，是现行ISO22197系列标准的第四个部分。该标准的发布为全球光催化材料甲醛去除性能的评价提供了统一的、可重复的技术依据，具有重要的学术价值、产业价值和标准化意义。2标准概况与编制历程2.1标准基本信息|项目|内容||------|------||标准编号|ISO22197-4:2021||标准名称|精细陶瓷（高级陶瓷、高级技术陶瓷）—半导体光催化材料的空气净化性能测试方法—第4部分：去除甲醛||英文名称|Fineceramics(advancedceramics,advancedtechnicalceramics)—Testmethodforair-purificationperformanceofsemiconductingphotocatalyticmaterials—Part4:Removalofformaldehyde||发布机构|国际标准化组织（ISO）||技术委员会|ISO/TC206（精细陶瓷技术委员会）||标准状态|现行||发布日期|2021年7月5日||发布年份|2021年||国别|国际组织||语言|英语||分类号|高级陶瓷|2.2ISO/TC206与ISO22197系列标准体系ISO/TC206（FineCeramics）成立于1997年，负责精细陶瓷（先进陶瓷、高级技术陶瓷）领域的国际标准化工作，涵盖术语、分类、测试方法、产品规范等方面。截至2025年，ISO/TC206已发布标准60余项，其秘书处由日本工业标准调查会（JISC）承担。ISO22197系列标准是ISO/TC206框架下专门针对半导体光催化材料空气净化性能测试方法而制定的一组标准，各部分的对应关系如表1所示：表1ISO22197系列标准组成|标准编号|对应污染物|状态||----------|-----------|------||ISO22197-1:2016|一氧化氮（NO）去除|现行||ISO22197-2:2019|乙醛（CH₃CHO）去除|现行||ISO22197-3:2019|甲苯（C₆H₅CH₃）去除|现行||ISO22197-4:2021|甲醛（HCHO）去除|现行||ISO22197-5:2023|甲基巯基（CH₃SH）去除|现行|该系列标准在测试原理、装置结构、气体供给方式等方面保持高度协调一致，确保了不同污染物测试结果之间在方法学上的可比性。ISO22197-4:2021的发布，进一步完善了该标准体系对典型室内气态污染物的覆盖。2.3编制历程与主要阶段ISO22197-4:2021的编制工作历时约三年，主要经历了以下阶段：-预研与提案阶段（2017—2018年）：在ISO/TC206框架下，由日本产业技术综合研究所（AIST）联合日本精细陶瓷协会等机构开展前期预研，梳理了国际上现有的光催化材料甲醛测试方法，分析了各方法的技术局限性，提出了标准草案的基本框架。2018年正式向ISO/TC206提出新工作项目提案（NP），获得成员国投票通过。-委员会草案（CD）阶段（2019年）：在NP获批后，工作组（WG）在多次国际会议上讨论草案文本，重点聚焦于测试条件参数的确定（如甲醛初始浓度、相对湿度、光照强度、气体流量等）、试验装置的结构设计以及结果计算方法。2019年形成委员会草案（CD），并发至各成员国征求意见。-国际标准草案（DIS）阶段（2020年）：在CD的基础上，工作组收集并处理了各成员国反馈的技术意见，修改后形成了国际标准草案（DIS），于2020年进行DIS投票。投票期间，部分成员国（包括中国、德国、韩国等）提出了有关湿度控制精度和密封性要求的意见，工作组对相应条款进行了修改。-最终国际标准草案（FDIS）与发布阶段（2020—2021年）：2021年初形成最终国际标准草案（FDIS）并开展投票，顺利通过。2021年7月5日，ISO正式发布ISO22197-4:2021。3标准核心技术内容3.1适用范围ISO22197-4:2021适用于以薄膜形态负载于各种基材（如玻璃板、陶瓷板、金属板、纤维织物等）上的半导体光催化材料，用于评价其在紫外光照射下去除气相甲醛的能力。该标准适用于以下材料类型：-具有光催化活性的TiO₂基材料（包括锐钛矿型、金红石型及混晶型）；-掺杂改性的半导体光催化材料（如氮掺杂TiO₂、金属掺杂TiO₂等）；-复合半导体光催化材料（如TiO₂/SnO₂、TiO₂/ZnO等）；-负载于多孔基材或织物上的光催化功能材料。该标准不适用于颗粒状或粉末状光催化剂直接装填的反应器体系，也不适用于液态或固态甲醛的去除测试。3.2测试原理标准所确立的测试方法基于连续流动反应体系。其核心测试原理如下：将负载有光催化材料的平面试样置于平板式光催化反应器中，在受控的温度、相对湿度和气体流量条件下，将含有一定初始浓度甲醛的污染空气通入反应器。当光催化材料表面受到规定强度的紫外光照射时，光生电子-空穴对迁移至材料表面，与吸附的O₂和H₂O分子反应生成·O₂⁻和·OH等活性物种，将甲醛氧化分解为CO₂和H₂O。通过测定反应器进出口气流中甲醛浓度的差，即可获得光催化材料对甲醛的去除效率，并据此计算甲醛去除速率。该方法的突出优势在于：采用连续流动模式（而非静态密闭模式），更接近真实室内空气净化场景中污染物的持续释放特性；同时便于精确控制气体组成和反应条件，有利于实验室间的重复性验证。3.3试验装置与材料标准对试验装置提出了明确规定，主要构成部分包括：-气源系统：采用标准气体钢瓶或动态配气系统，提供含规定浓度甲醛的干洁空气。所用气体纯度不低于99.999%，甲醛可由甲醛渗透管或多聚甲醛加热分解产生。-流量控制系统：采用质量流量控制器（MFC）精确控制气体流量，流量精度不低于±1%满量程。-加湿系统：通过饱和盐溶液法或鼓泡法调节气体相对湿度。标准规定测试相对湿度为50%±5%。-平板式反应器：标准中推荐了尺寸为100mm×50mm×20mm（长×宽×高）的平板式反应器，试样有效照射面积为50mm×50mm。反应器采用化学惰性材料（如不锈钢、聚四氟乙烯、石英玻璃）制成，内壁对甲醛的吸附应尽可能小。反应器上方安装石英玻璃窗以确保紫外线有效穿透。反应器需保证气密性，在测试压力下泄漏率不得超过设定值。-光源：采用黑光荧光灯或发光二极管（LED）光源，主波长位于352nm±10nm的UVA波段，并在试样表面处测得光照强度为10W/m²±0.5W/m²。灯管应预热稳定后再开始测试。-甲醛浓度检测装置：采用基于Hantzsch反应的乙酰丙酮分光光度法或在线甲醛分析仪检测进出口气流中的甲醛浓度。检测下限不高于0.01ppm，精度不低于±2%。检测装置连接在反应器进出口取样口位置。-温湿度监测装置：在反应器进出口处设置温湿度探头，测试过程中温度控制在25℃±2℃。3.4试样制备与要求-试样基材可为玻璃板、陶瓷板、金属板等平面材料，尺寸推荐为50mm×50mm±1mm，厚度不大于5mm。-光催化薄膜的制备方法（包括溶胶-凝胶法、磁控溅射法、化学气相沉积法等）不作强制规定，但应在测试报告中详细描述。-试样表面应均匀、无裂纹、无剥落。正式测试前须对试样进行预处理：在紫外灯下照射不少于16小时以去除表面有机物污染物；随后在暗态条件下置于甲醛浓度为1ppm的流动气氛中吸附直至吸附饱和。-标准要求每种材料至少测试三个平行试样，取平均值作为最终测试结果。3.5测试程序标准规定的主要测试程序如下：1.暗态吸附平衡阶段：在无光照条件下，将规定浓度的甲醛空气通入装有试样的反应器，持续通入气体直至反应器出口处甲醛浓度稳定（变化不超过5%），记录稳定的入口和出口甲醛浓度。该过程通常在通入甲醛空气12小时至24小时后达到平衡。此阶段的浓度差主要反映试样及反应器壁面的吸附贡献。2.光催化反应阶段：保持气体流量、浓度和湿度不变，开启紫外光源，使试样受到规定强度的光照（10W/m²±0.5W/m²）。持续照射并监测出口甲醛浓度变化，直至再次达到稳态（浓度变化不超过5%）。该过程通常需要4至8小时。3.浓度记录与数据处理：分别记录暗态稳态阶段和光照稳态阶段的入口和出口甲醛浓度。依据以下公式计算相关参数：-甲醛去除率（η）：\[\eta=\frac{C_{in}-C_{out,light}}{C_{in}}\times100\%\]式中：\(C_{in}\)为入口甲醛浓度，\(C_{out,light}\)为光照稳态下出口甲醛浓度。-甲醛去除速率（r）：\[r=\frac{Q\times(C_{in}-C_{out,light})}{A}\]式中：\(Q\)为气体体积流量（m³/s），\(A\)为试样有效受光面积（m²）。-光催化去除贡献的校正：由于暗态条件下亦存在吸附去除，标准要求根据暗态稳态阶段的进出口浓度差进行吸附校正，以区分真实的photocatalytic分解与单纯吸附。校正方法为比较光照阶段与暗态阶段的去除量差，在计算中扣除材料的暗态吸附贡献。若暗态下进出口浓度差超过光照下浓度差的三分之一，测试结果的可靠性将受到限制。3.6结果计算与表达测试报告应包含以下关键信息：-试样的详细描述（材料类型、薄膜制备方法、薄膜厚度、有效面积等）；-测试条件（温度、相对湿度、初始甲醛浓度、气体流量、光照强度及波长）；-暗态条件下的稳定进出口浓度和吸附去除量；-光照条件下稳定进出口浓度、甲醛去除率、面积归一化甲醛去除速率；-三个平行试样的平均值和标准偏差。标准还要求注明测试的环境大气压力，并建议报告去除速率的单位采用μmol/(m²·h)或μmol/(m²·s)。4主要参与单位介绍4.1日本产业技术综合研究所（AIST）日本产业技术综合研究所（NationalInstituteofAdvancedIndustrialScienceandTechnology,AIST）是日本最大的国立公共研究机构，隶属于日本经济产业省。AIST成立于2001年，由原通商产业省工业技术院下属的15个研究机构整合而成，总部位于东京，并在筑波、中部、关西等地设有多个研究中心。全所现有研究人员约2400人，年度预算超过600亿日元。AIST在光催化材料领域享有国际盛誉。早在20世纪70年代，AIST的前身机构即开始了TiO₂光催化现象的基础研究；90年代产业化应用兴起后，AIST持续引领光催化材料的环境净化功能评价方法学建设。AIST材料与化学部门下属的界面纳米工程研究中心在光催化薄膜制备、表面光化学反应机理研究领域居世界领先水平。此外，AIST曾多次组织国际实验室间比对试验（Round-RobinTest），为光催化材料测试方法的国际标准化积累了重要的实测数据和经验。在ISO22197-4:2021的研制过程中，AIST作为项目负责人（ProjectLeader）承担了标准草案的起草、实验室间比对试验（Round-RobinTest）的组织以及技术内容的统筹协调工作。AIST提出的平板式反应器设计方案和连续流动测试方法被工作组采纳作为标准的核心技术框架。此外，AIST还主导完成了ISO22197-1至ISO22197-3等多个系列标准的研制，是ISO/TC206WG2（光催化材料测试方法工作组）的召集人单位。4.2其他重要参与力量-日本精细陶瓷协会（JFCA）：作为日本产业界与标准化机构之间的桥