光催化技術(shù)在工業(yè)通風(fēng)領(lǐng)域的研究發(fā)展

(1.中國(guó)建筑第二工程局有限公司 河南 鄭州 450000；2.鄭州金融島建設(shè)發(fā)展集團(tuán)有限公司 河南 鄭州 450000)

前言

工業(yè)通風(fēng)技術(shù)幾千年以前在我國(guó)已有應(yīng)用，孫平仲在《孔氏談苑》中詳細(xì)記載了在銅礦的開(kāi)采過(guò)程中如何利用通風(fēng)技術(shù)達(dá)到有效排除有害氣體的方法；宋應(yīng)星在《天工開(kāi)物》中詳細(xì)論述了古代勞動(dòng)人民在煤礦等豎井工作中通過(guò)采取大竹筒排出瓦斯等有毒有害氣體的方法進(jìn)行自身防護(hù)?，F(xiàn)代工業(yè)中，人們對(duì)工業(yè)作業(yè)環(huán)境提出了更為嚴(yán)格的要求，世界各國(guó)均制定了嚴(yán)格的作業(yè)場(chǎng)所的衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)和排放標(biāo)準(zhǔn)，有效的防止了粉塵等有毒有害物質(zhì)的傳播。愈加嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范的制定，促進(jìn)了工業(yè)通風(fēng)技術(shù)的迅速發(fā)展，涌現(xiàn)了多種新型通風(fēng)技術(shù)。

工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中不可避免的會(huì)產(chǎn)生多種類的有害物質(zhì)，其中影響大氣品質(zhì)的主要有以下幾種：溫室氣體、粉塵、余熱余濕、有毒有害氣體、蒸汽等。通風(fēng)技術(shù)根據(jù)房間通風(fēng)的范圍可以分為：局部通風(fēng)(在污染區(qū)域直接捕集后凈化處理)和全面通風(fēng)(對(duì)整個(gè)大空間進(jìn)行整體通風(fēng)換氣、凈化處理)；根據(jù)通風(fēng)的動(dòng)力不同可以分為：機(jī)械通風(fēng)(不受室外氣象條件改變的影響)和自然通風(fēng)(適用于會(huì)產(chǎn)生大量余熱余濕的車(chē)間，能夠達(dá)到巨大的通風(fēng)換氣量)。

一、國(guó)內(nèi)外發(fā)展動(dòng)態(tài)和研究現(xiàn)狀分析

(一)工業(yè)通風(fēng)技術(shù)在職業(yè)病防護(hù)上的應(yīng)用

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展以及人民生活水平的不斷提高，在各種新型材料、先進(jìn)技術(shù)、嶄新工藝不斷出現(xiàn)的今天，新型的職業(yè)病和新型的職業(yè)危害風(fēng)險(xiǎn)也是層出迭見(jiàn)，給防治工作帶來(lái)很大的挑戰(zhàn)，現(xiàn)如今防治工作面臨重大的結(jié)構(gòu)調(diào)整。近年來(lái)，我國(guó)政府監(jiān)管部門(mén)通過(guò)不斷加強(qiáng)行政執(zhí)法力度以及加大相關(guān)知識(shí)法規(guī)的宣傳，使從事工業(yè)生產(chǎn)的勞動(dòng)者和經(jīng)營(yíng)者逐漸認(rèn)識(shí)到了職業(yè)病的危害，從而越發(fā)重視自身的安全與防護(hù)，維護(hù)自身的權(quán)益。

然而，由于我國(guó)的生產(chǎn)裝備和工藝技術(shù)仍處于一個(gè)較低的水平，由于受到現(xiàn)有科技水平的局限，職業(yè)病在一級(jí)防護(hù)過(guò)程中，人們僅僅通過(guò)用新的原材料替代有毒原材料、改良現(xiàn)有的生產(chǎn)工藝來(lái)達(dá)到預(yù)防職業(yè)病的目的，在現(xiàn)今工業(yè)生產(chǎn)中很難做出大的改善；但是通過(guò)改進(jìn)工業(yè)通風(fēng)技術(shù)，應(yīng)用在化工領(lǐng)域下的防塵防毒工程技術(shù)中，能夠在現(xiàn)今科技發(fā)展水平下有效降低工業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的化學(xué)有毒有害物質(zhì)，從而成功的預(yù)防了職業(yè)病的發(fā)生。工業(yè)通風(fēng)是通過(guò)不斷的加入新鮮空氣來(lái)改善工作環(huán)境中的空氣質(zhì)量，也就是說(shuō)通過(guò)注入新鮮氣流來(lái)使當(dāng)前作業(yè)環(huán)境中的化學(xué)有害物質(zhì)的含量下降，從而改良了作業(yè)環(huán)境中的空氣品質(zhì)。工業(yè)通風(fēng)技術(shù)現(xiàn)已經(jīng)在職業(yè)病危害因素預(yù)防和控制領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。局部通風(fēng)裝置被廣泛采用，是因其使用過(guò)程和建造的成本低、能量小、效果好。但是局部通風(fēng)也有一定的局限性，對(duì)于毒物揮發(fā)性強(qiáng)、毒物釋放源分散的作業(yè)環(huán)境只依靠局部通風(fēng)無(wú)法達(dá)到凈化空氣和消除污染空氣的目的，還需要有效的結(jié)合全面通風(fēng)和氣流組織的方式[1]。

(二)工業(yè)通風(fēng)在有害氣體凈化上的應(yīng)用

化石等不可再生能源的不合理利用是致使二氧化碳濃度持續(xù)增長(zhǎng)的主要原因，為了有效的降低溫室氣體對(duì)大氣環(huán)境造成的影響，維持或降低大氣中二氧化碳的含量，必須以合理分配化石能源為出發(fā)點(diǎn)。迄今為止，化石燃料和自然環(huán)境是人類文明進(jìn)步的主要依靠，例如：化石燃料包括石油、煤、天然氣等；自然環(huán)境包括水、空氣、土地等。直至今日，化石能源主要應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)中，因此，從工業(yè)生產(chǎn)的源頭控制污染物是控制溫室氣體的關(guān)鍵。目前，在工業(yè)生產(chǎn)中，通風(fēng)技術(shù)將工業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的污染物集中到凈化裝置，通過(guò)現(xiàn)有的凈化技術(shù)進(jìn)行凈化處理，達(dá)到從源頭控制污染物、保護(hù)生態(tài)環(huán)境的目的。

有害氣體種類繁多，其物理、化學(xué)性質(zhì)也各不相同，不同種類對(duì)應(yīng)的有多種凈化方法，凈化處理排入大氣中的有毒有害氣體的方法主要有：催化凈化、吸附凈化、燃燒凈化、冷凝凈化、吸收凈化等；針對(duì)室內(nèi)的空氣污染物的凈化方式主要有：光催化凈化、吸附凈化、離子體凈化等。

1.燃燒與冷凝凈化

燃燒凈化是利于燃燒的方法來(lái)將煙塵、蒸汽、有害氣體等轉(zhuǎn)變成無(wú)害物質(zhì)，分為三種類型：催化燃燒、熱力燃燒、直接燃燒。在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，有害物質(zhì)在勞動(dòng)生產(chǎn)環(huán)境中的濃度較低，不足以直接作為燃料使用，達(dá)到凈化的目的，同時(shí)工業(yè)通風(fēng)系統(tǒng)為了經(jīng)濟(jì)性都要盡可能的對(duì)凈化設(shè)備燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的熱量進(jìn)行利用與回收。

冷凝凈化是將具有可回收價(jià)值的有機(jī)氣態(tài)污染物經(jīng)過(guò)冷凝的物理處理過(guò)程進(jìn)行直接回收利用，分為接觸冷凝和表面冷凝。

2.吸收凈化

化學(xué)吸收和物理吸收是吸收凈化的兩種方式，吸收凈化一般選用低濃度、大風(fēng)量的通風(fēng)排氣方式，所使用的氣體吸收設(shè)備主要有： 噴淋塔(適用于含塵氣體的吸收凈化)、填料塔(適用于耐腐蝕材料制造)、湍球塔、板式塔(造價(jià)低)、文丘里吸收器(適用于處理大體積量氣體)、噴射吸收器等。

3.吸附凈化

吸附凈化裝置種類繁多，大量使用的吸附裝置有：固定床吸附裝置(適用于有害氣體濃度較高的情況)、移動(dòng)床吸附器(處理氣量大，適用于量大、連續(xù)、穩(wěn)定的氣體凈化)、流化床吸附器(適用于治理排放量大且連續(xù)排的污染源)等。吸附凈化對(duì)凈化NOX、SO2有著顯著效果。

4.催化與光催化凈化

催化轉(zhuǎn)化法對(duì)不同濃度的污染物都有著顯著的成效。有效的應(yīng)用于脫硫 、脫硝、汽車(chē)尾氣凈化處理和有機(jī)廢氣凈化處理中?，F(xiàn)如今，利用催化轉(zhuǎn)化技術(shù)凈化氣態(tài)污染物已成為處理回收氣態(tài)污染物的重要手段。

去除包括甲烷，一氧化二氮和消耗臭氧層的鹵化碳在內(nèi)的非二氧化碳類溫室氣體比去除大氣中的二氧化碳，能夠更快更有效地減緩全球變暖。甲烷的光催化是將其氧化成二氧化碳，能夠有效地降低全球變暖潛能；一氧化二氮可通過(guò)光催化技術(shù)還原成氮?dú)夂脱鯕?；同時(shí)鹵烴可以通過(guò)紅氧光催化反應(yīng)被鹵化物和二氧化碳礦化[8]。光催化技術(shù)避免了先將這些大氣成分分別捕獲和隔離再處理的過(guò)程。

(1)二氧化鈦光催化技術(shù)應(yīng)用在太陽(yáng)能煙囪發(fā)電廠上

De Richter R和Ming T[8]研究團(tuán)隊(duì)將二氧化鈦光催化技術(shù)與太陽(yáng)能煙囪發(fā)電廠相結(jié)合，通過(guò)二氧化鈦催化技術(shù)去除大氣中的非二氧化碳溫室氣體，該團(tuán)隊(duì)提出將二氧化鈦光催化技術(shù)與太陽(yáng)能煙囪發(fā)電廠(SCPPs)結(jié)合起來(lái)，通過(guò)氣體的流動(dòng)，在達(dá)到凈化大氣中的非二氧化碳溫室氣體的同時(shí)，在一個(gè)包含軸流式渦輪機(jī)的太陽(yáng)上升氣流塔中利用可再生能源發(fā)電技術(shù)進(jìn)行發(fā)電[7]。

SCPP-PCR是一種負(fù)排放技術(shù)，可能有助于對(duì)抗全球變暖，通過(guò)防止或消除近1600千克當(dāng)量二氧化碳當(dāng)量(每個(gè)200兆瓦的電廠)來(lái)應(yīng)對(duì)氣候變化。光催化科學(xué)技術(shù)以及工業(yè)應(yīng)用的進(jìn)展指出了光催化降低大氣中溫室氣體的潛力，對(duì)氣候變化的影響具有積極影響。

(2)中央空調(diào)系統(tǒng)空氣凈化裝置

中央空調(diào)系統(tǒng)空氣凈化裝置，是指與中央空調(diào)系統(tǒng)配套的空氣凈化設(shè)備，是全新的產(chǎn)品。凈化裝置可以分為三類：1、光催化、過(guò)濾與電子集塵技術(shù)組合的空氣凈化裝置；2、活化活性炭吸附和電子集塵凈化組合的空氣凈化裝置；3、納米光催化、活性炭吸附及等離子體凈化組合的中央空調(diào)空氣凈化裝置。這三種凈化裝置主要目的是去除室內(nèi)空氣中的有害氣體物質(zhì)、殺滅細(xì)菌和病毒等污染物。

對(duì)已有的中央空調(diào)系統(tǒng)空氣凈化裝置分析，光催化空氣凈化技術(shù)是利用光催化原理，將來(lái)自有機(jī)質(zhì)腐敗分解，工業(yè)污染擴(kuò)散，涂料、塑料、建筑材料等釋放到室內(nèi)空氣中的有害氣體，以及寵物和人體排除的氣體(如：H2S、SO2、NH3、CO、醛類及苯系物等)等綜合催化處理，光解為無(wú)害、無(wú)臭便于回收處理的物質(zhì)。光催化劑對(duì)H2、NH3、CO、SO2的光解率依次為：96%、83%、78%、72%(22平方米的密閉房間中運(yùn)轉(zhuǎn)1小時(shí))[8]?？梢杂行У貞?yīng)用在家庭、醫(yī)院、賓館、車(chē)站等場(chǎng)所進(jìn)一步優(yōu)化空氣質(zhì)量，以及化工、冶煉、制藥、印染等高污染作業(yè)場(chǎng)所。該技術(shù)可與空調(diào)制冷技術(shù)相結(jié)合，用于空調(diào)機(jī)上，更增加了它的競(jìng)爭(zhēng)力。

二、未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

光催化材料納米TiO2在各領(lǐng)域已得到了普遍的使用。利用納米TiO2在光照的條件下可以分解氮氧化物的特性，人們把其應(yīng)用到道路材料上，來(lái)有效的分解汽車(chē)尾氣中的碳氧化物。納米TiO2還可以應(yīng)用在光催化水泥基復(fù)合材料[9]、光催化涂層技術(shù)[12]以及其他各種光催化材料[10]等。

2009年我國(guó)抗菌及水凈化站占光觸媒產(chǎn)品市場(chǎng)份額的10%，自我清潔類產(chǎn)品占比是抗菌及水凈化站的2倍，空氣凈化器占比是抗菌及水凈化站的七倍，而日本建筑外裝飾材料占光觸媒產(chǎn)品市場(chǎng)份額的58%，類比說(shuō)明在我國(guó)建筑外裝飾材料也將占據(jù)光觸媒產(chǎn)品很大的市場(chǎng)，有很大的發(fā)展空間。

三、結(jié)論

基于此，作者認(rèn)為，工業(yè)通風(fēng)技術(shù)有很廣闊的發(fā)展前景，將光催化技術(shù)廣泛應(yīng)用在工業(yè)通風(fēng)領(lǐng)域中，可以為在中國(guó)氣候條件下控制和回收溫室氣體，提供堅(jiān)實(shí)的理論支撐體系。將光催化自潔涂料應(yīng)用在工業(yè)通風(fēng)系統(tǒng)中，在風(fēng)量循環(huán)過(guò)程中，使風(fēng)道具備自潔性的同時(shí)，治理PM2.5、解決溫室效應(yīng)和分解有害有毒氣體。作者認(rèn)為，將光催化材料在工業(yè)通風(fēng)技術(shù)中被廣泛應(yīng)用之前，以下問(wèn)題需要解決：1、降低光催化材料的生產(chǎn)成本；2、提高光催化劑的光轉(zhuǎn)化效率及其穩(wěn)定性；3、光催化材料與工業(yè)通風(fēng)技術(shù)的最佳耦合關(guān)系的選取。