光触媒消毒灭菌技术及其家庭应用场景概述

2.1 优势

（1）光触媒具有超强的氧化性，可以高效广谱的消毒、杀菌，能将细菌或真菌释放出的毒素分解及无害化处理。高亲水性，可形成防雾涂层，氧化作用也可保持自身清洁，可应用于多种环境和材料中。

（2）作用持久，不易损耗。在反应过程中，光触媒只起催化剂的作用，本身不会发生变化损耗，在光的照射下可以持续不断的杀菌、消毒、净化污染物。

（3）光触媒无毒、无害，对人体安全可靠，最终的反应产物为二氧化碳、水和其他无害物质，对环境友好，不会产生二次污染。 

（4）光触媒具有吸收紫外线的特性，可使被涂面免遭紫外线的老化作用，大大延长被涂面的使用寿命^[4]。

2.2 缺点

  （1）光触媒只有在含紫外成分的光源时才能发挥其洁净作用。其对太阳能的利用率低，在不含紫外光成分光源的情况下，光触媒不能发挥消毒杀菌和洁净作用。

  （2）喷镀在物体表面的光触媒只能对吸附在表面的微生物和有机物进行氧化分解作用^[5]。

3.1 空气净化中的应用

（1）家庭环境空气中VOC的去除

挥发性有机物（VOC）是指室温下饱和蒸汽压超过了133.32Pa的有机物，沸点范围在50～100℃到240～260℃之间，它们中有些具有致癌、致畸、致突变毒性。在非工业性室内环境中，可以见到50～130种挥发性有机化合物，尽管它们都以微量水平出现，但对人体健康的影响却是不容忽视的。目前，家庭装修及家具中普遍存在挥发性有机物，不及时处理，将会在日常生活中对人体健康造成一定损害。

在传统的技术中，去除VOC的方法有许多，人们所熟知的方法是利用活性炭对VOC进行吸附，从而减少室内VOC的存在。虽然这种技术可以取得一定效果，但活性炭在吸附饱和后会产生有害物质游离析出的现象，造成环境的二次污染。光触媒技术通过对VOC能量键的破坏，使有机气体成为单一的气体分子，加快有机物质、气体的分解，可以在常温下将VOC分解为CO₂和H₂O，这是一个质变的化学处理过程，产生的副产物对环境友好，不存在二次污染的问题。

光触媒技术在空气净化系统中应用时，为了更好地发挥其作用，首先应该充分考虑到光触媒载体的可靠性，尽可能增加光触媒载体的表面积，延长污染物在光触媒上停留的时间；进风系统需要增加防尘过滤装置，避免灰尘对光触媒表面的覆盖；同时还应考虑基材对光触媒的协同效应作用，如选择有富集污染物作用的载体会大大提高光触媒的光催化效果；利用空气流体动力学原理对空气净化产品的结构、动力等进行合理的设计安排，可以有效提高空气在光触媒表面上的循环流动，有利于光触媒效能的充分发挥，从而使空气净化产品对空气污染起到高效净化的作用^[6]。

（2）空气中细菌、病毒的灭活

人们目前处在新冠肺炎疫情的特殊时期，对家庭中病毒、细菌的去除有着迫切的需求，即使在疫情结束后，人们也希望通过一些高效的除菌、消毒方法，为家庭营造健康洁净的环境。在家庭环境中能够消毒、除菌的途径有许多，可是这些方法一旦使用不当，会对人体健康产生威胁。表1给出了几种空气净化介质的比较。从表1^[3]中可以看出，纳米光触媒技术在对环境的消毒灭菌方面具有一定优势。

表1 几种空气净化介质比较

光触媒在光催化的作用下，其分解产生的自由基具有强氧化性，可以对细菌、病毒进行灭活。有研究显示^[7]，光触媒技术对革兰阴性球菌、杆菌和阳性球菌、杆菌及真菌等致病菌具有极强的杀伤力，灭活率达 99. 99%，同时能有效地抑制固化各种病毒，预防疾病传播。陶长龙^[3]通过研究认为纳米光触媒技术在医用中心负压吸引系统废气净化排放等可集中处理的气体净化排放过程中具有可操作性强，净化废气充分、安全、高效、可靠的特点。在家庭环境下，在新风系统中使用纳米光触媒技术，也可有效阻隔有害气体，病毒和细菌的入侵，更好地实现空气的净化

（3）空气除臭

除了对空气进行消毒、除菌以及净化挥发性有机物，家庭环境中也存在一定的除臭需求，特别是在厨房、卫生间、衣帽间、鞋柜等环境中，可以通过在一些家用设备中应用光触媒技术来实现，光触媒能够氧化带异味的氮氧化物、硫化物以及各类臭气。该技术在吸油烟机、食物垃圾处理器、电子座便器、衣物消毒除菌柜等家电上具有较好的应用前景，当然，合理设计使用紫外光源也是光触媒技术能够发挥作用的关键所在。

3.2 在家庭用水的除菌抗菌中的应用

在水净化领域，利用光触媒技术降解水中有机污染物的效果是非常明显的。但是，有效除菌的水净化系统的开发较为困难，因为粉末状二氧化钛光触媒遇水易分散，不利于回收。日本千叶大学研制开发的二氧化钛光触媒薄膜小球，将粉末状二氧化钛成膜于球状金属氧化物表面，可以将其与水分离，有效回收再利用^[8]。在家庭净水过程中，可将光触媒技术应用到净水产品的材料上，可以起到抗菌，防霉的作用，同时可以与紫外光消毒杀菌技术组合应用，既能够实现对光触媒的有效光催化，又能够实现对水的消毒、除菌。

3.3 在食品保鲜中的应用

在家庭环境中导致食品变质的原因很多，包括微生物繁殖引起的腐败变质；空气中氧气对食品的氧化变质；食品内部所含氧化酶、过氧化酶、淀粉酶、蛋白酶等的作用，以及其自身产生的熟化气体如乙烯、二氧化硫等对其进行代谢作用而导致食物的变质等等。由于光触媒技术的特点，其可以很好的消灭细菌、氧化分解酶及有有机气体，从而实现对食物的保鲜效果，所以在储存食物的冰箱或其他密闭存储食物的环境中加入光触媒模块，可以实现对食物的保鲜，同时还能在密闭空间中对异味进行去除。值得注意的是，由于光触媒技术接触除菌的特质，在设计和使用光触媒模块时应注意加强密闭空间内气体的流动，已保证其除菌除臭的效果。

3.4 在卫浴环境下的除菌抗菌

家庭中的卫浴场所通常潮湿，空气流通性差，容易滋生细菌、霉菌。有研究显示^[9]，将 TiO₂ 光触媒加水制成涂料, 涂在陶瓷品表面, 经高温燃烧, 得到1μm 厚、具有杀菌性能的 TiO₂ 薄膜产品。该产品可在光照射下,能够完全杀死表面的细菌。若要使其在微弱光线下也具有杀菌性能, 可在 TiO₂浆料中添加含银、铜离子的化合物。这种陶瓷耐久性、耐酸性和耐碱性好，可以有效解决家庭卫浴滋生细菌的难题。

此外卫生间内的座便器及下水管道中存在的气溶胶也会给病毒提供传播的路径，在座便器及下水管道口处合理应用光触媒技术进行消毒和除臭更有助于营造健康洁净的家庭环境。

上世纪70年代由日本研发的光触媒技术为健康、环保、高效地改善环境卫生状况，减少环境污染对人体健康的影响提供了有效技术支撑。我国从上个世纪90年代开始也对光催化技术进行应用和技术拓展，在工业、医疗、建筑等诸多领域取得了较好的应用效果。光触媒技术整体来说优势明显，与其他消毒、除菌、净化技术相比不会对人体健康产生威胁，应用范围更广，而且其对病毒、细菌及挥发性有机物产生的化学质变作用，不会对环境产生有害副产物和二次污染。但是光触媒技术的应用必须在紫外光的催化下进行，这一点也限制了该技术在家庭中的应用场景。作为家电厂商来说，如何将光触媒技术与紫外光技术合理组合应用，通过优化产品材料、结构设计促进光触媒在家电产品中最大限度的发挥作用，仍是接下来需要思考和突破的关键。

参考文献

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[3] 陶长龙. 纳米光触媒在医用中心负压吸引系统废气净化排放中的应用研究[J]. 中国医疗设备, 2019,34(01):41-43+48.

[4] 朱彦. 新兴生物光触媒技术在生活及工业各领域中的应用[J]. 天津造纸, 2015,37(03):9-13.

[5] 杨华明，崔森. 光触媒净化技术的研究及其应用[J]. 中国消毒学 杂志，2004 ;21（4）：368～370 .

[6] 黄绳纪, 陈城基. 光触媒在空气净化中的应用[J]. 广州化工, 2004(03):17-19.

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[9] 黄惠莉, 黄妙量, 蔡阿娜, 等. TiO₂光催化薄膜在陶瓷器具上抗菌效果研究[J] . 应用化学, 2002, 19(1) : 48- 52.