基本介紹
發明時間,技術定義,技術原理,生產技術,材料的分類,對生活的益處,空氣淨化,抗菌防霉,除臭除味,防污自潔,親水防霧,水淨化,技術套用特點,持續性,安全性,高效環保,全面性,技術套用場合,防蟲方面套用,總碳含量研究,在國內的發展,
發明時間
光觸媒技術是1967年東京大學的教授本多建一教授跟當時的研究生藤島昭偶然發現在紫外線的照射下，二氧化鈦電極可以將水分解成氫氣與氧氣。1972在英國的《科學》雜誌上共同發表光觸媒效應論文，光觸媒技術由此產生。
2015年，日本研發先端光觸媒淨化技術，從火山礦石中提取鉑光素，加入光觸媒液體中，引起的內能量發光可以激發光觸媒，使空氣中的水或氧氣離子活躍，不需要外光源補充就能持續氧化分解，並且釋放礦物質負離子。
技術定義
技術原理
納米光觸媒在光照射下，價帶電子被激發到導帶，形成了電子和空穴，與吸附於其表面的O2和H2O作用，生成超氧化物陰離子自由基，O2-和羥基自由基-OH，其自由基具有很強的氧化分解能力，能破壞有機物中的C-C鍵、C-H鍵、C-N鍵、C-O鍵、O-H鍵、N-H鍵，分解有機物為二氧化碳與水；同時破壞細菌的細胞膜固化病毒的蛋白質，改變細菌，病毒的生存環境從而殺死細菌、病毒。
生產技術
光觸媒液其主要成分是納米二氧化鈦，製備二氧化鈦的方法有：
沉澱法、溶膠凝膠法、W/O微乳液法、氣相反應法
均勻沉澱法：以H2SO4法製備鈦白粉中的中間產物---鈦液為原料，外加金紅石型二氧化鈦晶種為
促進劑，以十二烷基磺酸鈉表面活性劑、尿素為沉澱劑，製備出納米金紅石型二氧化鈦分子
溶膠凝膠法：納米二氧化鈦合成一般以鈦醇鹽Ti (OR) 4 (R= -C2H5, -C3H7, -C4H9)為原料，其主要步驟是：鈦醇鹽溶於溶劑中形成均相溶液，以保證鈦醇鹽的水解反應在分子均勻的水解平上進行，由於鈦醇鹽在水中的溶解度不大，一般選用小分子醇（乙醇、丙醇、丁醇等）作為溶劑，鈦醇鹽與水發生水解反應，同時發生失水和失醇縮聚反應，生成物聚集形成溶膠，經陳化，溶膠形成三維網路而形成凝膠，乾燥凝膠以除去殘餘水分，有機基團和有機溶膠和水，得到納米二氧化鈦粉體。
當無水乙醇為溶劑製備納米TiO2時，根據現在有研究結果，典型的試劑配比為：
Ti (OC4H9)4：C2H5OH：H2O = 4：16：1
使用這種工藝生產周期長、產量低、在生產過程中會使用大量無水乙醇等有機物，不適於生產純無機材料的光觸媒。
蒸氣凝聚法：利用高頻等離子技術對工業二氧化鈦粗品進行加熱，使其汽化蒸發，再急速冷卻可得到納米級二氧化鈦。
氣相氧化法：將高純度的TiCl4高溫下氧化來製備二氧化鈦，反應溫度、停留時間及泠卻速度等都將影響氣相氧化法得到的二氧化鈦的粒子形態。在研究中發現二氧化鈦隨著停留時間的延長和反應溫度升高而增大，金紅石型二氧化鈦含量隨停留時間延長而增加，當反應溫度達到1300℃時，金紅石型二氧化鈦含量出現最大。這種生產工藝方法能源消耗大，對設備腐蝕性強，投資大，並且設備結構複雜，材料要求耐高溫、耐腐蝕。
TiCl4(g) + O2(g) ——> TiO2(g) + 2Cl2(g)
n TiO2(g) ——> n TiO2(s)
氣相水解法：氣相水解法又叫氣溶膠法，既可以使用TiCl4為原料，也可以使用 Ti(OR)為原料，其中約含銳鈦礦型70%，金紅石型30%，平均粒徑為30納米，比表面積為每克50平方米，氣相水解法不直接採用水蒸氣水解，而是靠氫氧焰燃燒生產的水蒸氣氣解，反應溫度高達1800℃以上，反應中可以通過調節溫度，料比，流量，反應時間等參數控制二氧化鈦的粒徑和晶型。但高純度的TiCl4在氫焰中進行高溫水解而製得的納米二氧化鈦，很難控制反應溫度和壓強，並且投資很大，工藝複雜。
各種生產方式都有各自的特點：
1、沉澱法：易產生物料局部濃度過高的現象，難以控制粒子的形態，而且生產過程中三廢嚴重。廠家處理污染成本很大。
2、溶膠凝膠法:製備方法簡單，成本較低，溫度容易控制。
加入硝酸水溶液作用：抑制水解；使得膠體粒子帶有正電荷，阻止膠粒凝聚。
用此法製備溶膠穩定，但是生產出的光觸媒晶型難以控制，附著力差。
3、W/O微乳液法：原料成本很高，工業化難度大。
4、液相法：需要通過煅燒才能得到銳鈦型、金紅石型或混合晶型粒子，生產過程中極易導致粒子團聚或燒結。
5、水解法：以TiCl4高溫氧化反應為主，能直接得到銳鈦型、金紅石型或混全晶型粒子，分離較困難，使用大量有機物，這種方法製成的光觸媒時效短，放置時間長會出現分層。
生產技術難點
1、分散技術。二氧化鈦不溶於水，如何均勻將納米二氧化鈦分散在水中。分散技術為企業的核心商業秘密。一般企業不能具備這種能力，因為對技術、設備要求非常高。
2、規模化生產的能力。實驗室里能生產出來的產品，不一定能規模化生產，規模化的生產要低成本並能控制質量的穩定。
主要分氣相法跟液相法。
氣相法中的TiCl4氫氧火焰水解法，產品純度搞粒徑小，表面積大，分散性好，團聚程度較小，對設備材質要求較嚴，對工藝參數控制要求精確，因此產品成本較高。此外氣相法還有 TiCl4氣相氧化法，鈦醇鹽氣相水解法等。
液相法中的水熱合成法製得的超細產品純度高，分散性好，晶型好且顆粒大小可控，但該法要經歷高溫過程，對設備的材質和安全要求較嚴。溶膠-凝膠法具有純度高，均勻性強，合成溫度低，反應條件易於控制，特別是製備工藝相對簡單，無需特殊貴重儀器，同時具有製得薄膜孔徑小，孔徑分布範圍窄等優點。
材料的分類
已研究的光觸媒材料有TiO2、ZnO、Cds、WO3、Fe2O3，PbS、SnO3、In2O3、ZnS、SrTiO3和SiO2等十幾種，這些半導體氧化物都有一定的光催化降解有機物的活性並且穩定、無毒。因其中大多數易發生化學或光化學腐蝕，不一定適合作為通用性的光催化劑。通常講的光觸媒都是以納米二氧化鈦為主要原料。
對生活的益處
空氣淨化
對甲醛、苯系物、揮發性有機物、氨氣、二氧化硫、一氧化碳、氮氧化物、汽車尾氣等影響人類身體健康的有毒物質，在光催化作用中，其中有機物分解為二氧化碳和水，從而淨化空氣。
抗菌防霉
對大腸桿菌、金色葡萄球菌、肺炎桿菌、黴菌等病菌具有殺滅功能的同時還能分解由病菌釋放出的有害物質。
除臭除味
生活環境的臭味大多是有機物，如油漆中的有機溶劑，餿水中的含氮有機物氣體，香菸味、廁所臭、動物臭等等，有機物都有碳基極易與納米光觸媒反應，從而分解為沒有污染的CO2和H2O。
防污自潔
物體表面的污垢大多是含油脂污染物。油脂也是有機物，基於光催化的機理所以能分解後剝離於物體表面。
親水防霧
二氧化鈦光觸媒表面與水滴的接觸角幾乎是零度，所以表面覆有二氧化鈦光觸媒的物體都有親水防霧的功能。
光觸媒親水性作用圖
光觸媒親水性作用圖水淨化
淨化水中的有害物質。
技術套用特點
光觸媒通過光的照射，激發光觸媒半導體的強氧化還原特性，像樹葉一樣分解污染物，釋放負離子，改善空氣品質，具有四大特性：
持續性
光觸媒是觸媒，是在光觸媒材料表面上進行觸媒反應，光觸媒材料本身不會發生變化和損耗，在光的照射下不斷淨化污染物，持續作用時間長。
安全性
光觸媒二氧化鈦是不溶性的陶瓷，在1968年通過美國的美國食品和藥物管理局（FDA）認證，1983年在日本已被用於作為食品添加劑獲得批准。光觸媒原料在食品著色劑，口紅，防紫外線化妝品等行業中廣泛使用，白色油漆顏料和染料的白色纖維廣泛套用於家庭和各種行業中都在廣泛使用。
高效環保
光觸媒利用太陽能，光能分解污染物。觸媒效能很高，本身不參與反應，是新興的綠色環保材料。
全面性
納米光觸媒可以有效地降解甲醛、苯、甲苯、二甲苯、醋酸、氨、揮發性有機物（TVOC）等污染物，並具有高效廣譜的消毒能力，將細菌或真菌釋放出的毒素分解及無害化處理。
光觸媒像樹葉一樣工作
光觸媒像樹葉一樣工作技術套用場合
在建築防污處理，局部空氣污染治理，家居（辦公室）污染綜合治理，汽車污染綜合治理，醫療，機構，學校，大廈的抗菌，消毒等，淨化汽車尾氣，工業排放對建築物的污染；通信工具，輸電線路等的霜，雪掛處理；汽車車鏡，眼鏡防霧作用；空氣淨化與大氣污染治理，水處理，紡織品抗菌，防污，防臭，公共場所的抗菌，防污，除臭；食品，食品運輸工具，倉庫空間淨化；養殖場的抗菌，病毒，防污，除臭處理；污水處理，水淨化；金屬機械設備防鏽功能；建築物外表，玻璃幕牆的清潔；文物古建築防老化處理；照明領域，化妝品等各個行業都有非常好的套用。
防蟲方面套用
採用光觸媒技術做糧食防蟲防霉包裝袋，首先是從日本開始使用的。1978年日本丸正公司率先把光觸媒技術套用於大米包裝的紙袋和聚乙烯袋上。根據日本穀物鑑定協會中央研究所1995年7月的研究成果：光觸媒聚乙稀袋的蟲害發病率為0，黴菌粒數發生率也是0。
據日本農業新聞1997年8月10日報導，日本穀物鑑定協會對1992年儲藏的稻穀進行調查發現，採用光觸媒防蟲袋保存2年後的稻穀發芽率為84%，黴菌發病率是0，而且稻穀也未生蟲。在日本，一般農戶是用不起低溫倉庫的。為了保證儲藏的糧食賣一個好價格，這種即不生蟲，又不發霉，還能保持與新米一樣香味的實用技術，為他們提供了很大方便。這種袋子開始被廣泛關注和大量使用。
據日本農業新聞1997年8月10日報導，日本穀物鑑定協會對1992年儲藏的稻穀進行調查發現，採用光觸媒防蟲袋保存2年後的稻穀發芽率為84%，黴菌發病率是0，而且稻穀也未生蟲。在日本，一般農戶是用不起低溫倉庫的。為了保證儲藏的糧食賣一個好價格，這種即不生蟲，又不發霉，還能保持與新米一樣香味的實用技術，為他們提供了很大方便。這種袋子開始被廣泛關注和大量使用。
總碳含量研究
採用電解一光觸媒聯合法處理模擬廢水，以降低其總碳含量。與電解法和光觸媒法相比，
聯合法可以使處理後的廢水中總有機碳含量更低，並且所需反應時間更短，進而降低生產成本。實驗結果表明：在酸化時間3h、電流強度750A/m、光觸媒添加量2.0g的務件下，廢水中各種產物含量低於我國廢水排放標準，可以進行直接排放。
重金屬廢水是對環境污染最嚴重和對人類危害最大的工業廢水．其中又以重金屬與有機物
形成的重金屬有機絡合廢水（HMOC）難處理。處理此類廢水的方法大致分為以下幾類：吸附及離子交換法，其缺點是需再生，操作費用高；生物絮凝法，其缺點是技術尚不完善，處理量有限_12 ；混凝沉澱、化學氧化法，其缺點是消耗較多的化學藥品和原材料，費用較高，操作複雜，且存在二次污染問題 ．此外現在備受關注的方法有電解法、光觸媒法，此兩種方法具有可以將 廢水降解為二氧化碳、水和簡單有機物，常溫常壓下進行反應等優點。但電解法的缺點在於電流效率偏低、能耗大；光觸媒法的缺點在於處理成本較高 ．本實驗使用電解一光觸媒聯合法（以下略稱聯合法）對廢水進行處理．它的特點是電解法電極產生的氧氣被光觸媒使用，可以有效地節省成本．通過實驗可知：聯合法操作簡單，速度快，反應效率高，有較強的套用性。
1 實驗方法
1．1廢水的成分
實驗採用廢水為自製的模擬廢水．重金屬的成分主要為二價銅離子，質量濃度為50mg/L，
1．2實驗方法
1．2．1 實驗原理
電解槽中發生如下還原反應：電極在電源的作用下，使廢水中的金屬離子直接還原為單質金
屬，同時有氧氣生成．反應如下：2Cu +4e 2Cu光觸媒在光照下表面形成電穴和游離電子，結合氧氣，發生氧化還原反應，表面形成強氧化性的氫氧自由基及超氧陰離子自由基，將有機物分解成CO和水
在國內的發展
2003年，中科院理化所只金芳博士產業只金芳曾師從藤島昭無機納米複合光功能材料的開發為研究重點，對光催化技術有著深入的研究。
“2005－2008年這個產業處於調整上升期，整個行業開始向理性化、規範化發展。特別是我們正在牽頭制訂《光催化國家標準》，標誌著我國光催化行業正逐步走向標準化時代，隨著健康、環保理念的普及，產業的市場前景也會日益廣闊。”只金芳對光催化產業的未來充滿了期待。
