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新材料领域:新型光催化空气净化器

文章来源: 发布时间: 2018-07-26

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文章摘要:,淡雅宽阔哈斯勒,皮箱混应滥应活到老。

  所处阶段: 小试 

  成果来源:应用技术研究所 

  必要性及需求分析: 

  随着经济发展和社会进步,环境污染问题日益严重。挥发性有机污染物(Volatile organic compounds, VOCs)是大气中的主要污染物,其来源一部分来自室外,主要为工业废气、机动车尾气、光化学烟雾等;另一部分来自室内,装修、装饰材料如油漆及其溶剂、木材防腐剂、涂料、胶合板等常温下可释放出甲苯、甲醛等多种挥发性有机物质。由于室内环境中空气流动性差,积累的污染物通过人的呼吸和皮肤对人体造成了严重危害。以甲醛为例,人体长时间暴漏在浓度大于0.1 mg/m3的甲醛气氛中,就会头晕、视听阻滞,严重时会对呼吸系统、心脑血管等造成伤害。多种VOCs的混合存在以及相互的化学作用,也会使危害强度增大。因此,通过净化技术改善室内空气质量对人们身体健康具有重要意义。 

  常见的用于室内空气净化的方法是吸附过滤技术,但该方法有自身的技术缺陷:去除率低、吸附剂需定期进行活化,并未减少VOCs总量,使用的过滤网很容易吸附饱和,由空气净化器变成污染源,因而难以取得令人满意的效果。而光催化技术是利用光催化剂在大于或等于其禁带宽度的光照下产生的电子、空穴与污染物的氧化还原作用,在常温常压的条件下将空气中的有害污染物彻底分解矿化无害的无机小分子(CO2H2O),且能耗低、操作简单,是降解室内VOCs的有效途径,在空气污染治理中具有广阔前景。 

  目前,市场上已经成熟并应用于高端空气净化器中的光催化材料基本上是TiO2。由于TiO2的光响应范围在紫外区域,辐照利用率低,加上TiO2的光生载流子复合几率高,导致空气净化的效率受到很大的限制。同时,市售光催化空气净化器使用的激发光源大多是紫外汞灯(9-20 W)。这些紫外汞灯的平均辐照计量约300 J/m2,来博娱乐,韦德平台,官方全讯网,澳博线上娱乐:长时间与空气中的氧气作用会产生微量的臭氧,具有潜在的安全隐患。由于废弃汞灯属于污染源,使用安全、无污染、长寿命、高光效的光源是未来光催化空气净化器产业的必然趋势。 

  针对这一现状,应用技术研究所已筛选优化了一系列新型可见光响应光催化剂。结合现有较成熟的活性炭、HEPA等吸附过滤技术,研制出光催化空气净化器样机。这种净化器不仅能够有效滤除PM2.5等颗粒物,还可以高效降解甲醛、甲苯等VOCs,降解效率是市售同类产品(使用TiO2作为光催化剂)的两到三倍。本项目将在前期工作基础上,研发高活性、高稳定性的可见光催化剂配方,研制以LED为激发光源的新型光催化空气净化器,进行性能评估与示范应用。并寻求与空气净化器企业或社会资本合作,推进光催化空气净化器的转移转化,为空气净化的产业化过程和我国环境经济的高水平发展做出积极贡献。 

  目标及主要任务: 

  (一)目标 

  目前,市售光催化空气净化器中所使用的光催化材料是TiO2,而TiO2只能吸收利用紫外光,导致空气净化的效率受到很大的影响,同时紫外光与氧气的长时间作用也会产生微量的臭氧。针对这一问题,本项目将研发高活性、高稳定性的可见光催化剂配方,研制以LED为激发光源的新型光催化空气净化器,结合现有较成熟的活性炭、HEPA等吸附过滤技术,实现对ppm量级的挥发性有机污染物的高效降解,并进行性能评估与示范应用。与空气净化器企业或社会资本合作,实施成果转移与产业化。新型光催化空气净化器具有以下特点: 

  彻底的净化:能够彻底地将污染物分解矿化无害的无机小分子(CO2H2O) 

  广泛的净化:由于光生电子和光生空穴的氧化还原能力强且无选择性,对几乎所有的挥发性有机污染物起作用,特别是对人们不易感知的细菌和病毒进行彻底分解矿化; 

  实用的净化:常温常压下就可以实现光催化反应,维护方便、周期长,同时效率高、省电; 

  安全的净化:采用可见LED光源替代现有的紫外汞灯,同时最终产物是CO2H2O等无机小分子,对人体无害。 

  (二)主要任务 

  研发高活性、高稳定性的新型可见光催化剂配方,在充分吸收可见光的同时,实现对挥发性有机污染物的高效降解。 

  研制耦合空气净化器的高效光催化滤网,提高光催化剂在滤网中的有效附着,进一步增强光催化剂滤网的活性和稳定性。 

  研制以LED为激发光源的光催化空气净化器,具有节能性、环保性,同时因LED光源体积小,可以随意组合,易开发成轻便短小型净化器产品(如用于车载、空调等),也便于安装和维护。 

  现有工作基础: 

  (一)在光催化领域具有多年的工作积累 

      项目团队长期以来一直从事半导体光催化方向的工作,在新型可见光催化剂的开发、高效复合光催化剂的设计合成以及光催化降解挥发性有机污染物的机理等方面积累了丰富的经验,相关工作在NanoscaleAppl Catal BACS Appl Mater InterfacesJ Phys Chem CCatal Lett等著名期刊上发表多篇学术论文,并已申请国家发明专利。 

  (二)研制了光催化空气净化器样机 

   我们将前期筛选的一种新型可见光催化剂制成光催化滤网,并与传统空气净化器耦合,研制出了光催化空气净化器样机。在模拟室内污染降解过程中,该样机的降解甲醛的效率是市售同类产品(使用TiO2作为光催化剂)的两到三倍。同时,我们还验证了以可见LED光源为激发光源的光催化空气净化器的可行性。总体来说,本项目所涉及的关键技术,已在实验室攻克,部分工程化研究已达到小试水平,相关工艺如光催化剂制备工艺、光催化剂滤网制作等也已较成熟,研制的光催化空气净化器在初步效率评价中,对VOCs的降解效率都高于市场同类产品。 

 

图:初步研制产品与市场产品的性能对比(注:甲醛浓度的人体健康限值为0.08 ppm 

  预期经济和社会效益: 

  2014年,我国空气净化器的总销量达到360万台,销售额突破90亿元。2015年,包括空气净化器在内的室内环保产业,在国内的年产值预计将达到800亿元。尽管空气净化器市场飞速发展,但同西方发达国家相比,我国空气净化器的普及率依然极低美国家庭的普及率达到27%,加拿大、日本等国家在公共场所和家庭居室的普及率也在15%以上;而在我国,普及率仅为0.1%,这意味着一个极具想象空间的巨大市场。 

  通过合理规划、不懈努力,本项目将有良好的发展前景:1) 解决产业关键共性技术,如研发出高活性、高稳定性的新型可见光催化剂,达到小产规模;2) 升级光催化剂滤网,高效实现光催化剂在滤网中的有效附着,进一步提高光催化滤网的活性和稳定性;3) 利用可见LED光源替代紫外汞灯,实现新型光催化空气净化器的结构设计。 

  实施方式/模式: 

  积极寻求与空气净化器企业或社会资本合作,实施成果产业化,具体合作模式可多元化。 

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