摘要：治理有機氣相污染物日益成為人們的焦點，人們開發了一些有機氣相污染物的有效治理技術。本文綜述了傳統有機氣相污染物治理技術，同時展望了有機氣相污染物治理新技術發展方向，重點探討具有廣闊應用前景的光催化技術。
 
　　關鍵字：空氣污染 吸附 吸收 光催化
　　
　　引言

　　隨著科學技術的飛速發展，商品生產給人類物質文明增色添彩，然而與豐富的物質享受相伴而生的是人類生態環境在遭受不斷地威脅。有機氣相污染物排放所造成的環境污染問題，帶給生態環境和人類身體健康嚴重的危害性因而成為人們關注的焦點[1]。有機氣相污染物的來源主要有固定源和移動源兩種。移動源主要有汽車、輪船和飛機等以石油產品為燃料的交通工具的排放氣；固定源的種類極多，主要為石油化工工藝過程和儲存設備等的排出物及各種使用有機溶劑的場合，如噴漆、印刷、金屬除油和脫脂、粘合劑、制藥、塑料和橡膠加工等。就目前的工業水平而言，無法避免這些氣相污染物的排放，因此人們迫切需要有效治理這些氣相污染物的技術。

　　本文綜述了傳統有機氣相污染物治理技術，展望了有機氣相污染物治理新技術發展方向，同時重點介紹了氣相污染物治理中半導體光催化氧化技術。

　　1 有機氣相污染物的治理

　　有機氣相污染物治理的方法主要有兩類：一類是回收法，另一類是消除法。回收法主要有炭吸附、變壓吸附、吸收法、冷凝法及膜分離技術；一般回收法是通過物理方法，改變溫度、壓力或采用選擇性吸附劑和選擇性滲透膜等方法來富集分離有機氣相污染物。消除法有直接燃燒、熱氧化、催化燃燒、生物氧化、等離子體法、紫外光催化氧化法及其集成技術；消除法主要是通過化學或生化反應，用熱、光、催化劑和微生物將有機氣相污染物轉變成為CO2和水等無毒害的無機小分子化合物。基于以上原理，傳統上有機氣相污染物污染治理常采用吸附或吸收去除、燃燒去除等方法，近年來生物氧化、半導體光催化劑技術得到很快地發展。

　　1.1  傳統有機氣相污染物污染治理技術

　　1.1.1  吸附或吸收法

　　吸附法是利用某些具有吸附能力的物質如活性炭、硅膠、沸石分子篩、活性氧化鋁等吸附有害成分而達到消除有害污染的目的[2]。吸附法適用于幾乎所有的氣相污染物，一般是中低濃度的氣相污染物；吸附效果取決于吸附劑性質、氣相污染物種類和吸附系統的操作溫度、濕度、壓力等因素，具有去除效率高的優點，從而使其成為去除氣相污染物較為常用的方法，但存在投資后運行費用較高且有產生二次污染的缺陷。

　　吸收法是采用低揮發或不揮發溶劑對氣相污染物進行吸收，再利用有機分子和吸收劑物理性質的差異進行分離的氣相污染物控制技術。該法適用于濃度較高、溫度較低和壓力較高情況下氣相污染物的處理。羅教生選擇“水-洗油”作吸收劑來處理含苯廢氣，“水-洗油”吸收劑的吸收機理為：一般有機物是極性較弱或完全沒有極性的化合物，因此難溶或不溶于水，但可溶于一些有機溶劑；苯系物屬非極性物質，因此難溶于水，易溶于非極性的礦物油，如洗油等；按照他的實驗表明，水與洗油的比例、pH值、苯系物種類對吸收效果都有影響，并且獲得了該組合吸收劑的最大吸收容量值[3]。但同樣存在后處理過程復雜以及二次污染的問題。

　　1.1.2  燃燒法

　　燃燒法是利用有機氣相污染物易燃燒性質進行處理的一種方法。其中，直接燃燒法，又稱火焰燃燒法，它是把可燃的有機氣相污染物當作燃料來燃燒的一種方法。該法適合處理高濃度有機氣相污染物，燃燒溫度控制在1100℃以上，去除效率達95％以上。

　　催化燃燒是一種類似熱氧化的方式來處理有機氣相污染物的，它凈化有機物是用鉑、鈀等貴金屬催化劑及過渡金屬氧化物催化劑來代替火焰，操作溫度較熱氧化低一半，通常為250℃~500℃。由于溫度降低，允許使用標準材料來代替昂貴的特殊材料，大大地降低設備費用和操作費用。事實上催化燃燒是燃料在接近化學計量情況下進行氧化反應，并放出大量熱。因此催化燃燒要求所用催化劑的首要條件，必須在高溫氧化反應情況下具有高的活性，此外還需有高的熱穩定性、高的機械強度以及對燃料中所含毒素有高的耐腐蝕性。

　　1.2  新型有機氣相污染物去除技術

　　1.2.1  生物法

　　該法最早應用于脫臭。近年來隨著對有機氣相污染物治理技術研究的不斷深入，該法逐步應用于有機氣相污染物治理。與常規治理技術相比，具有設備簡單，投資運行費用低，無二次污染等優點，但只是在處理低濃度、易生物降解的有機氣相污染物時才具其經濟性，即普適性較差。

　　國外用生物過濾器處理揮發性有機廢氣的研究開發已有30多年的歷史，我國在這方面的研究則還處于起步階段[5]。但實際應用報告顯示，操作時可能遇到以下幾個主要問題而引起處理效果不好和故障：

　　（1）廢氣流量和濃度波動較大時，生物過濾器的設計負荷與實際負荷不匹配容易造成廢氣停留時間不夠，處理效果下降；

　　（2）廢氣中顆粒物在生物過濾器濾床的積累造成濾床堵塞，阻力增大；

　　（3）濾床濕度控制不當容易使其干燥開裂造成氣流短路；

　　（4）pH調節不當，下降幅度大，造成微生物數量下降，使處理效果降低。

　　提高生物過濾器所用微生物對有機污染物的生物降解速率，尤其是針對較難生物降解的物質培養優異菌種并優化其生存條件，是目前該技術的主要發展方向。這樣做的結果可使生物過濾器的體積大為減小，與其他空氣污染控制技術相比更具競爭力。

　　1.2.2  半導體光催化技術

　　在繼Fujishima等有關TiO2單晶電極上光解水的報道[6]之后，1977年Frank等人利用半導體材料對污染物進行光催化降解取得了突破性的進展[7-8]，從此半導體多相光催化作為一個嶄新的領域得到了深入而廣泛的研究[9]。 具有多相光催化性能的半導體包括WO3、TiO2、CdS、ZnS、ZnO、Fe2O3、CdSe等[10]，其中的TiO2由于具有抗化學和光腐蝕、性能穩定、無毒、催化活性高、價廉等優點[11]而最受重視和具有廣闊的應用前景。

　　半導體的能帶結構是不連續的，充滿電子的價帶（VB）和空的導帶（CB）之間由禁帶隔開。用作各催化劑的半導體大多為金屬氧化物和硫化物，一般具有較大的禁帶寬度，其中TiO2在pH為1時的帶隙是3.2eV。當光子能量高于半導體吸收閥值的光照射半導體時，半導體的價帶電子發生帶間躍遷，即從價帶躍遷到導帶，從而產生光生空穴和電子；這些光生空穴和電子具有很強的氧化和還原能力，可以將吸附到光催化劑表面的污染物徹底降解為無毒無害的無機小分子化合物，無二次污染問題。

　　多年來，半導體光催化反應研究主要集中于液-固相反應，對于氣-固相反應則研究得相對較少[12]。對于使用TiO2進行有機物的氣-固多相光催化氧化已研究過烷烴[13]、醇[14]、醛[15]、酮[16]、芳香族化合物[17]、鹵化物[18]；也有NOx、汽車尾氣、室內空氣、菌[19]等的光催化氧化研究報道。日本在氣固光催化反應應用方面的工作較為突出，他們將光催化劑固定在建材、路面、瓷片、外墻、內墻等基體上，利用太陽光和室內照明光，通過光催化作用使吸附在催化劑表面的污染物發生強的氧化分解，從而減輕環境有害氣體污染物。而我國在這方面的研究還有待進一步的開拓。

　　本課題組在納米TiO2材料以及摻雜改性納米TiO2材料的制備、表征以及光催化性能研究方面的工作卓有成效[20-24]，在積累豐富的半導體光催化處理廢水方面的經驗之后，正在半導體光催化劑處理有機氣相污染物方面作進一步深入的研究工作，同時設計了新型光催化反應器[25]，努力為有機氣相污染物的治理做出應有的貢獻。

　　2  討論

　　當前，工廠廢氣、汽車尾氣、化石燃料燃燒廢氣、居室裝修材料等釋放的有機物以及其他的細菌、真菌等氣體污染物正日益嚴重地危害地球生態環境和人類的健康。事實上，我國的空氣污染問題已不容忽視。然而，通常的污染處理方法均具有處理不徹底，成本高，存在二次污染或普適性差的問題。半導體多相光催化法所用二氧化鈦無毒、廉價易得、耐光腐蝕與化學腐蝕，光活性較強，因而受到廣泛關注。在適宜的條件下，二氧化鈦光催化能無選擇性地將氣-固界面中的難以化學氧化分解的“三致”有機物徹底礦化為CO2、水和無機酸，且無二次污染，也可以氧化無機空氣污染物、殺滅有害菌。因此，多相光催化凈化空氣是具有廣泛應用前景的空氣污染治理技術，該技術的核心是高效半導體光催化劑。本課題組研究著眼于制備光催化凈化技術所需核心材料-光催化劑，設計普適化的光催化反應器，通過不同改性的方法以提高光催化劑的吸附能力、光吸收能力、電荷分離能力，同時嘗試不同的方法將光催化劑負載于載體上，從實際上探討復合光催化劑在室內空氣凈化上的應用。這將為我國空氣污染治理提供有力的支持，為空氣凈化提供新型的環保材料和普適反應器，改變我國在這方面落后于日本等國家的形勢，同時新型改性納米二氧化鈦光催化材料可望成為新世紀環境友好與環境修復材料，在更多方面得到廣泛的應用，因而具有非常重要的理論與實際意義。

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