光触媒技术介绍--利用光分解污垢和有害物质

“光触媒”是日本开发的纯日本产基础技术。只要受到紫外线的照射，从细菌到大气中的有害物质就都能够分解。其应用范围已经拓展到了环境净化领域，如生产出了免污墙壁和免污玻璃等。“请比较一下。与普通玻璃相比，光触媒玻璃显然非常干净”——。今年3月，在峻工不久的位于东京汐留地区的松下电工东京总公司大楼前，该公司新业务推进部的涂料业务推进部门部长高滨孝一非常得意地指着玻璃窗向记者介绍。的确，从成排的玻璃窗来看，留有前一天大雨痕迹的玻璃和几乎没有污点的玻璃形成了鲜明对比。实际上，这一大楼的部分窗户采用了经光触媒加工的玻璃。这种玻璃受到阳光照射后，就开始分解污垢，下雨时，雨水会将分解的污垢冲洗干净。总之，这是一种即使不用清洗也不会脏的神奇玻璃。 　　其神奇得益于光触媒的两大特性的组合运用。首先，如果向使用氧化钛进行表面加工的材料照射紫外线，就会发生“氧化分解”反应，将附着在表面的有机物分解为水和二氧化碳。而且，当大量的水附着于表面时，就会出现亲水效果：不会凝聚成水滴、而是薄薄地扩散开。通过这两种现象，玻璃的污垢会被清洗得一干二净。 　　光触媒的这种“自我保洁效果”非常有效，所以近几年高层建筑物在装修中相继采用了这一技术。2002年9月开业的东京“丸之内大楼”就采用了经光触媒加工的外墙瓷砖。除保洁外，这种瓷砖还可以分解大气中的有害物质--NOx(氮氧化物)，其效果相当于200颗杨树。 　光触媒是在日本诞生的基础技术。光触媒于1967年被发现。当时还是研究生的东京大学藤岛昭教授在一次试验中对放入水中的氧化钛单结晶进行了光线照射，结果发现水被分解成了氧和氢。这一效果作为“本多·藤岛效果”而闻名于世，该名称组合了藤岛教授和当时他的指导教师----东京工艺大学校长本多健一的名字。由于是借助光的力量促进氧化分解反应，因此后来将这一现象中的氧化钛称作光触媒。 　　一开始，这一技术作为从水中提取氢的划时代方法受到了瞩目，但由于很难在短时间内提取大量的氢气，因此在轰动一时后迅速降温。但20多年后，这一氧化分解效果再次受到关注。在东京大学的藤岛研究室开始了将氧化分解效果应用于除臭方面，九十年代开始与东陶（TOTO）联手展开研究。此后，作为抗菌瓷砖，东陶推出了光触媒型产品。 　　光触媒产品在投入使用之前走过了曲折的道路。 　　这是因为在光触媒的反应中存在“如果照射不到光线就无法产生效果的致命弱点”（东陶综合研究所材料技术研究部部长佐伯义光）。为克服这一弱点，技术人员反复试验，结果发现，加入原本就有杀菌作用的铜及银后，即使在光线昏暗的场所也可以保持同样效果。 　　而且，在这一研究中还发现了水在氧化钛的表面薄薄扩散的亲水性能，并且发现只要加入硅就可以保持亲水效果。通过反复研究，这一技术的应用范围不断扩大，连最初的发现人--藤岛教授本人也说“根本没想到应用范围会如此广泛”。 　　在开发应用光触媒反应的产品时，如何缩小氧化钛薄膜的厚度并做涂层处理是其中的一大难题。这一薄膜越厚，催化剂的效果就越高，但如果厚度越薄，越接近于透明，产品的外观评价就会越高，两者互相矛盾。 　　成功开发丸之内大楼采用的光触媒瓷砖的东陶佐伯部长回顾开发过程时说，“要想同时实现美观和防污效果，就必须开发无色透明的薄膜涂层技术”。在瓷砖上形成薄膜时，向表面涂布包含透明的釉和氧化钛的液体原料。东陶开发的技术是：在大约800度的高温中烧制瓷砖，并覆盖厚度200纳米（1纳米为10亿分之1米）的高硬度氧化钛膜。 　　与松下电工联手开发光触媒玻璃的日本板硝子对向液体原料加入树脂的配合比率、氧化钛膜镀在玻璃上时的温度以及时机等细节上展开了研发。在此基础上，为了均匀涂布一定量的液体原料，改进了机械的喷嘴部分，成功地形成了厚100纳米的薄膜。 　　该公司玻璃技术部功能商品技术部门负责人田中齐介说：“同时实现美观和耐久性能非常困难，但总算开发出了预期效果的产品”。 　　东陶率先投产了光触媒瓷砖，此后在将这一技术应用于玻璃中时采用了更为严格的条件。该公司的目标是，通过玻璃表面的氧化钛膜防止光的折射。佐伯部长说：“要想在不损害耐久性能及原有效果的同时，防止光的折射及反射，就必须将膜厚控制在20纳米以下，并实现均匀涂布”。 　　因此，该公司使用5～10纳米的细微氧化钛粒子开发出了通过滚轴状的材料将膜粘帖在玻璃上的薄膜形成法。由此，不仅实现了膜厚目标，而且耐久性能也提高了一倍。佐伯部长表示，“要想进一步提高耐久性能，就必须制作进一步提高氧化钛粒子密度的薄膜。为了实现这一目标，我们将进一步开发纳米级别的涂层技术”。 　　目前，这些瓷砖及玻璃的价格要比普通产品高出2成左右。虽然也有人认为“如果考虑墙壁及窗户的保洁成本，5年左右就可以补回差价”（日本板硝子的部门负责人田中），但是由于尚未完全证实与价格相当的性能，因此各公司的客户并不象想像得那么多。 　　但是，众多建材业界的相关人士认为，“今后市场肯定会因效果明显的自我保洁用途而不断扩大”。据东陶介绍，目前光触媒相关产品的国内市场规模达300亿日元（约合人民币20亿元），正以年均20%的速度增长。该公司的光触媒相关产品的年销售额为100亿日元，但计划“到2005年增长1倍，达到200亿日元”（佐伯部长）。 　　关于光触媒，最近人们对“可视光应答型光触媒”表现出了浓厚的兴趣。这种光触媒在室内微弱的紫外线下也能发生反应。 　　可视光应答型光触媒是在原有的氧化钛中采取了促进紫外线吸收的表面处理等措施，即使在室内光线下也可以进行反应。从2001年开始，已有多家制造商开始投入使用，有的甚至应用在了内部装修材料中。这些产品不仅可净化室内空气，还可消除导致出现办公室症候群的有害物质--甲醛。 　　不过，关于可视光应答型催化剂，也有人认为其反应水准尚未达到实用水平。松下电工的高滨部长表示，“如果不进一步提高性能，就很难信心十足地向客户推荐”。东陶也持相同看法，目前正在推进通过组合氧化钛与在表面凿有1～10纳米的细微洞孔的陶瓷来提高吸收有害物质的研究。佐伯部长充满信心地说，“希望在3年内投入使用”。 　　如上所述，在现阶段，围绕光触媒效果的分歧并不少见。由于没有一个统一的验证标准，因此“有的甚至堂而皇之地说在无光线的场所中使用的产品也具有光触媒效果”（某制造商的技术人员）。虽然以日本经济产业省为中心的部门正在制定统一规格，但是，在目前情况下用户只能凭自己的感觉来判断产品的性能。 　　光触媒有望使用于环境净化用途，比如分解土壤中的有害物质或改善河流水质等。 　　东陶就有这样一种构想，即通过组合只对特定物质产生反应的抗体和氧化钛，只吸附和分解有害物质。佐伯部长说：“如果将组合抗体和氧化钛的这一催化剂制作成数百纳米左右的胶囊状产品，就可以使用于水和土壤的净化用途。可以回收吸附有害物质的胶囊，在其它场所进行处理”。 　　针对这种尝试，藤岛教授说，“光触媒是一种能够解决环境问题的潜力巨大的基础技术。这一技术能够从日本传播到全球，将是非常自豪的事情”。 　　但是，在象目前这样没有统一规格及指标的情况下，很难充分发挥这种技术所具有的可行性。从这一意义上，为了克服存在的问题，众多企业尽早构筑超越利益的合作关系是非常重要的。 信息来源于：中国建材网