基于技術(shù)離子過(guò)濾器殺菌效果研究.doc

基于光催化技術(shù)的等離子體空氣過(guò)濾器殺菌效果研究摘要： 本文介紹的空氣過(guò)濾器有效的結(jié)合了靜電除塵器和光催化技術(shù)，并且加入了等離子體效應(yīng)，使其不僅擁有很好的除塵性，還有比較好的凈化有機(jī)污染和殺菌的效果。利用凈化器中的靜電除塵器的正電極產(chǎn)生的等離子體效應(yīng)激發(fā)光觸媒的光催化作用，綜合了除塵、殺菌和光催化治理VOC的作用。以普通的辦公室作為測(cè)試場(chǎng)所，研究這種凈化器的殺菌效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在沉降菌檢測(cè)方面該凈化器在工作15分鐘后有明顯的殺菌作用，30分鐘后菌落數(shù)基本穩(wěn)定；在浮游菌檢測(cè)方面也得到了很好的結(jié)果證明該凈化器有很好的殺菌效果，從而驗(yàn)證了其殺菌的高效性、廣普性和快速性。1 前言目前人類經(jīng)常活動(dòng)的室內(nèi)環(huán)境經(jīng)受著各種各樣的污染，它們已經(jīng)影響到了我們生活的方方面面。有些污染會(huì)造成人類的頭暈、惡心等癥狀，從而嚴(yán)重影響人們的工作效率。尤其是有機(jī)污染和細(xì)菌污染對(duì)生活質(zhì)量的提高產(chǎn)生了嚴(yán)重的限制作用?，F(xiàn)有的過(guò)濾、吸附、負(fù)氧離子以及臭氧等技術(shù)，都很難持續(xù)而有效的凈化有機(jī)污染。而消毒液、紫外燈殺菌、臭氧殺菌等技術(shù)均存在對(duì)人體的副作用以及殺菌效率低的問(wèn)題。本文介紹的空氣過(guò)濾器有效的結(jié)合了靜電除塵器和光催化技術(shù)，并且加入了等離子體效應(yīng)，使其不僅擁有很好的除塵性，還有比較好的凈化有機(jī)污染和殺菌的效果。這里主要針對(duì)其殺菌性能作一下研究。2 殺菌原理21 光催化及其殺菌原理在光照下，如果光子的能量大于半導(dǎo)帶體禁帶寬度，其價(jià)帶上的一個(gè)電子（e-）就會(huì)被激發(fā)，超過(guò)禁帶進(jìn)入導(dǎo)帶，同時(shí)在價(jià)帶上產(chǎn)生相應(yīng)的空穴（h+）。光生空穴具有很強(qiáng)的氧化能力（其標(biāo)準(zhǔn)氫電極電位在1.03.5V，取決于半導(dǎo)體的種類和PH條件），而光生電子具有很強(qiáng)的還原能力（其標(biāo)準(zhǔn)氫電極電位在+0.51.5V），它們可以直接復(fù)合釋放出熱能，也可遷移到半導(dǎo)體表面的不同位置，與表面的俘獲位結(jié)合或與表面吸附的電子給體/受體發(fā)生氧化還原反應(yīng)。空穴可以直接或間接氧化有機(jī)物，但通常情況下都認(rèn)為空穴對(duì)有機(jī)物的氧化是通過(guò)羥基自由基（OH）簡(jiǎn)捷完成的。其機(jī)理如下：反應(yīng)1：TiO2 + hv e- + h+反應(yīng)2：h+ +OH- OH反應(yīng)3：e-+ O2 O2-反應(yīng)4：O2- + H+ HO2反應(yīng)5：2 HO2 O2 + H2O2反應(yīng)6：O2 + H2O2 2 HO2當(dāng)用光照射半導(dǎo)體表面產(chǎn)生電子和空穴（反應(yīng)1）時(shí)，由于羥基氧化電位在半導(dǎo)體的價(jià)帶位置以上，而且又是表面豐富物種，因此空穴在擴(kuò)散過(guò)程中首先被表面羥基俘獲，從而產(chǎn)生羥基自由基（反應(yīng)2）。羥基自由基具有高度的化學(xué)活性，可以氧化包括生物難降解的各種有機(jī)物并使之礦化。在空穴被表面羥基俘獲的同時(shí)，光生電子也必須與電子受體相結(jié)合，以維持半導(dǎo)體表面的電中性。在不外加氧化劑的條件下，水中的溶解氧可作為電子的清除劑，俘獲電子產(chǎn)生的負(fù)氧離子O2-（反應(yīng)3），再經(jīng)過(guò)反應(yīng)4、5生成H2O2。H2O2在這里有雙重作用：在反應(yīng)系統(tǒng)中OH較少時(shí)，可作為OH的另一個(gè)來(lái)源（反應(yīng)6），提高反應(yīng)速率。光催化技術(shù)的高氧化性能具有很強(qiáng)很廣的殺菌性，可以通過(guò)破壞細(xì)菌的細(xì)胞壁以及凝固病毒的蛋白質(zhì)，達(dá)到殺滅細(xì)菌和病毒的作用。22 等離子體基本理論2.2.1詞源等離子一詞源于英文的“plasma”，其本意是“血漿”，“細(xì)胞質(zhì)”的意思。但是，在1927年，美國(guó)1932年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主歐文.蘭米爾（18811957）在一次充電粒子震動(dòng)的研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了一種特殊的波形，由于其與血漿（bloodplasma）的波譜極為相似，故而將其命名為“plasma”等離子體。2.2.2何謂“物質(zhì)的第四態(tài)”？通常狀態(tài)下物質(zhì)有三態(tài)氣，液，固；并且按右圖的方式變化；當(dāng)繼續(xù)加熱受熱氣體到一定程度后，氣體的粒子中的電子（electron）由價(jià)帶（valance band）逃逸到導(dǎo)帶（conduction band）這樣，物質(zhì)的中性核（neutral nuclear）將出現(xiàn)空穴顯正電性（+）；而得到電子的中性核顯負(fù)電性（-）這樣的一對(duì)離子同時(shí)相對(duì)獨(dú)立存在。由于這種狀態(tài)與其他三態(tài)在形狀上有明顯的區(qū)別，故而稱之為“物質(zhì)的第四態(tài)”。2.2.3 能量分析一般的，電離氣體（lionize gas）所需的最低能量為23eV，由此我們可以推導(dǎo)出電離氣體的溫度：k * T = 2eVT = 2eV / k這里：T開(kāi)氏溫度k（Kelvin）eV 能量單位（電子伏特）1eV = 1.6 * 10 19JK波爾茲曼常量（BoltzMann）k =1.38 * 10-23J/K所以：T = 2*(1.6*10-19)/1.38*10-23=2.3*104k由此可見(jiàn)，電離氣體的溫度相當(dāng)?shù)母?，因此，在宇宙星際中大量的存在著這種狀態(tài)的物質(zhì)。但是，應(yīng)用在日常生活中， 這種高溫狀態(tài)既難以達(dá)到，又無(wú)法被人們適應(yīng)，因此，在迅猛發(fā)展的離子體技術(shù)領(lǐng)域中一種新型的電離技術(shù)被廣泛采用“低溫等離子”技術(shù)（Nonthermal Plasma）。它是利用特性光源在空氣介質(zhì)（Medium）的電離效應(yīng)這一原理而產(chǎn)生的。實(shí)驗(yàn)表明，這種特性光源可釋放的能量為34eV。23 等離子技術(shù)和光催化技術(shù)結(jié)合的原理利用靜電除塵器的放電裝置放電，目的是要產(chǎn)生34eV的光能。根據(jù)光子的能量公式：E=h*vv=c/E=h*(c/)這里：E 光子能量 eV ( 1eV=1.6 * 10-19 J )h普郎克 （Planck）常量 （ 6.63 * 10-34J.s ）v光子頻率 Hzc光子速率 （約3*108）m/s光子波長(zhǎng) m那么式有：E =6.63*10-34*(3*108/)JE=12400/eV根據(jù)公式有：12400/E 由于： E = 34 eV從而：=300400nm所以將放電裝置和光催化有效的結(jié)合起來(lái)從理論上是可行的。3 材料與方法31材料空氣：天津地區(qū)辦公室內(nèi)空氣培養(yǎng)基：牛肉蛋白胨瓊脂培養(yǎng)基化學(xué)試劑：10%HCL溶液、10%NaOH溶液、0.1%酚酞指示劑等.32沉降菌測(cè)量方法采用沉降法。即將盛有培養(yǎng)基的培養(yǎng)皿（直徑90mm）放在辦公室的4個(gè)待測(cè)地點(diǎn)，暴露5分鐘后回收，然后放入恒溫培養(yǎng)箱在37條件下恒溫培養(yǎng)48小時(shí)，肉眼計(jì)數(shù)菌落數(shù)目。33 浮游菌測(cè)量方法采用撞擊法。采用干式撞擊法的旋轉(zhuǎn)法，即通過(guò)縫隙吸引空氣采樣，是空氣中所含浮游菌撞擊并沉積在旋轉(zhuǎn)的培養(yǎng)基上。培養(yǎng)基直徑50mm。4 結(jié)果分析為了更好的驗(yàn)證本凈化器的殺菌能力，筆者在兩個(gè)不同空氣品質(zhì)的辦公室里進(jìn)行了沉降菌的測(cè)量。首先測(cè)量未開(kāi)啟凈化器前的沉降菌，然后開(kāi)啟凈化器，每擱15分鐘測(cè)量一次，這里將數(shù)據(jù)總結(jié)成圖表如下：從圖表中可以清楚的知道在不同空氣品質(zhì)的情況下有相似的殺菌效果，在凈化器穩(wěn)定工作30分鐘后，沉降菌的數(shù)量趨于穩(wěn)定，皿中的菌落數(shù)不大于5（本實(shí)驗(yàn)采用直徑90mm培養(yǎng)皿）殺菌效率在90%以上。但是其中有不穩(wěn)定的數(shù)據(jù)存在，主要由于辦公室的氣密性不能確保無(wú)室外空氣滲入導(dǎo)致。浮游菌的測(cè)量采用國(guó)產(chǎn)JWJ1A型空氣微生物檢測(cè)儀，培養(yǎng)皿的直徑50mm，本實(shí)驗(yàn)采用抽氣量25L/Min，每個(gè)培養(yǎng)皿抽氣2分鐘。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：浮游菌的測(cè)試結(jié)果（cfu菌落數(shù)）初始 （300cfu）15分鐘后（260 cfu）30分鐘后（224 cfu ）45分鐘后（186 cfu）60分鐘后（132 cfu）75分鐘（86 cfu）5 結(jié)論加入等離子技術(shù)的光催化凈化器有很好的殺菌效果和實(shí)用性，具有快速，高效和廣普等優(yōu)點(diǎn)，適合在家庭、辦公室、小型會(huì)議室中使用。這項(xiàng)技術(shù)是可行的，值得繼續(xù)深入研究，以便為人類的生活提供更好的生活條件。參考文獻(xiàn)1耿啟金，王西奎，國(guó)偉林。納米涂料的研究進(jìn)展。山東建材2003 年第24 卷第4 期2北京首創(chuàng)納米科技有限公司研發(fā)中心。納米光催化技術(shù)及其在室內(nèi)空氣