纸基光催化材料制备及其光催化降解VOCs性能研究文献综述

前 言

挥发性有机化合物（VOCs）作为空气中的有害污染物，对人体健康的潜在风险是不可小觑的。不仅如此，VOCs 还对生态环境造成了严重的破坏。治理 VOCs 的工作迫在眉睫，目前挥发性有机物的治理技术主要 吸收法、燃烧法、低温等离子体技术、生物法等，这些技术虽然有一定处理效果，但是面临着预处理要求高，处理效果不稳定，产生二次污染等问题，难以进行大面积推广使用。目前认为极具前景的挥发性有机物的治理技术包含等离子体治理法、热催化燃烧法、光催化降解法。而光催化技术与其他技术相比，具有工艺简单、污染物降解彻底、副产物少等优点，具有一定研究价值。传统的光催化剂是金属催化剂（主要是金属氧化物和金属硫化物），该种催化剂在使用过程中容易造成二次污染，而新型的光催化纸作为催化剂，这种光催化纸材料不仅有优越的光催化性能，在使用过程中还可以回收利用、节约能源、保护环境、增加其光催化效率，表现出更好的光催化性能，开发利用前景广阔。

一、VOCs简述

挥发性有机物 VOCs（volatile organic compounds）为液体或者固体，在室内温度和大气压下即可挥发，大体包含烷烃、烯烃、卤代烃、芳香烃及其衍生物、醛、醇、酮、酸和酸酐等。挥发性有机物（VOCs）是形成雾霾的部分原因，也是室内空气主要污染物。VOCs 对人体健康的潜在风险是不可小觑的。多种 VOCs 具有毒性，可能对人的神经系统和多种脏器带来严重的负担并造成损伤，尤其会对血液成分和保持人体正常血液循环的系统造成严重影响，干扰胃肠道、造血系统、免疫系统及内分泌系统的正常功能并可能会带来疾病，阻碍人体正常的新陈代谢相关功能，甚至会引发癌症。人居环境中挥发性有机物的浓度与人体健康密切相关，长期处于较高浓度的挥发性有机物的环境中很可能会提高癌症的发病率。。不仅如此，VOCs 还对生态环境造成了严重的破坏。某些较为常见的挥发性有机物是大气层内的光化学烟雾的重要组成部分，即挥发性有机物的在大气中浓度的增加是雾霾形成的部分原因。雾霾天气的出现，是人类的交通出行非常大的潜在威胁，同时又使人类的呼吸系统疾病的患病率成倍增加。当挥发性有机物进入到大气后，可能经过一些化学反应变为酸性物质（例如硝酸、硫酸），这些酸性物质常常是酸雨形成的必不可少的原因[3]。除此之外，VOCs 的过量排放同样有可能会对气候带来非常大的影响。VOCs 经过反应生成的硝酸和硫酸等酸性物质与铵根正离子形成的盐类会使大气层的反射率变大，真正到达地球表面太阳辐射能量就会减少，最终导致了大气温度的降低。由此可见VOCs的危害是巨大的，治理VOCs是一项重要且紧迫的工程。

二、挥发性有机物的脱除方法

（1）等离子体法

气体放电过程中，某些粒子会被激发，同时伴随具有反应活性的原子或粒子以及某些促进反应进行的自由基产生，等离子体法降解 VOCs 的技术就是利用这些活性物种将VOCs 氧化，从而达到治理的目的。等离子体降解挥发性有机物的方法具备较强的降解能力、快速的反应速度、较广的适用场景、非常简易的操作以及较小的占地面积等突出的优点，在低浓度、大处理量的应用场景中发挥着极其重要的作用。国外研究人员Blin-Simiand 等人使用介质阻挡放电的方法降解不同气氛中的挥发性有机物，实验结果发现，在正常的环境温度（20 °C）条件下，使用介质阻挡放电的方法降解氮气中降解挥发性有机物的效果要优于其在空气中的降解效果。但是等离子体法脱除挥发性有机物通常具有的一个缺点是空气放电产生臭氧、氮氧化物等物质会对环境造成二次污染。等离子体法脱除 VOCs 非常高效，虽然人们力图解决等离子法存在的能耗和二次污染等问题，但是就目前的发展状况来看，依旧存在着一些难题，任重而道远。

1. 热催化法

热催化法是指在一定温度条件（通常为较高温度）下，利用热催化剂将挥发性有机物降解为对人类健康无害的物质（通常完全降解为二氧化碳）。采用热催化法降解挥发性有机物是常用的方法，降解能力较高，但热能的损耗也是限制其广泛使用的原因。金属氧化物催化剂是降解挥发性有机物的最常用热催化剂，除此之外还有非贵金属催化剂和贵金属催化剂等。热催化降解挥发性有机物不存在二次污染，且降解率高、处理量大，是普遍采用的方法。使用贵金属制成的催化剂能够在室温条件下降解某些挥发性有机化合物，但是贵金属的使用带来极高的成本。而采用非贵金属氧化物的热催化剂则常常在较高的温度下，才能将 VOCs 完全氧化，相应的能耗就会增高。所以就目前来看，热催化降解 VOCs 存在高成本或者高能耗的问题。