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张皓:UVA LED光催化技术的空气杀菌消毒评价与应用

行业资讯 · 2020-02-15 22:24:41

转自:中国照明网、极智头条

当前,新型冠状病毒仍在持续,对产业及企业造成了一定程度的影响,也牵动着各行各业人们的心。在此形势下,中国半导体照明网、极智头条,在国家半导体照明工程研发及产业联盟、第三代半导体产业技术创新战略联盟指导下,开启疫情期间知识分享,帮助企业解答疑惑。助力我们LED照明企业和产业共克时艰!

本期,我们邀请到广东粤能净环保科技有限公司副总经理张皓,带来了 “UVA LED光催化技术的空气杀菌消毒评价与应用”的精彩主题分享,以下为文字实录:

一、 光催化技术简介

光催化的发现来自于1972年,东京大学藤岛昭首次发现受辐射的二氧化钛(TiO2)可发生持续的水的氧化还原反应而产生氢气。这一效果作为 “ 本多 · 藤岛效果 ” (Honda-Fujishima Effect)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。

1. 光催化技术介绍

(1)光催化学科是催化化学、光电化学、半导体物理、材料科学和环境科学等多学科交叉的新兴研究领域;

(2)半导体在紫外光(波长小于380nm)激发下,产生光生电子和电子空穴;

(3)电子空穴的能力达到3.0eV,相当于15000度温度的能量

(4)光生电子具有还原性质,可还原水产氢,直接产电-太阳能电池---能源利用;

(5)光生空穴具有强氧化性,能降解或矿化污染物,杀灭细菌和病毒---环境应用。

氧化性:F2>·OH>O3>H2O2>MnO4->Cl2

光催化技术可以有效降解几乎所有有机物

矿化含硫、氮、磷的化合物

高效杀菌消毒

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2. 光催化杀菌消毒原理

光催化剂产生的羟基自由基和活性离子氧可以氧化细菌和病毒体的氧化机理如下:

辅酶A氧化机理,细胞壁(膜)破坏机理,DNA&RNA遗传物质破坏机理

光催化杀菌,具有传统无机抗菌剂无法比拟的优良杀菌效果,具有持久性,广谱性,耐热,不产生耐药性,杀菌彻底等优点,而且还具有无毒,无味,对皮肤无刺激,不消耗,可重复使用等优点。

值得注意的是,在让细菌病毒失活之后,细菌和病毒残留的尸体都是由基本元素构成,光催化可以高效地把残留的尸体分解去除掉。医学上有一种内毒素,光催化也可以进行分解。

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关于光催化杀菌,包括肺结核、乙肝,常规细菌、病毒等,国内外有很多种文献,在机理和应用,实验室层面论证,效果完全没有问题。

二、 光催化效果评价

关于评价,首先会有标准的问题,对比国际标准,目前国内关于光催化的标准很不健全。在空气净化、水净化、光催化材料自洁、抗病毒、光催化用的紫外光源等方面,标准其实很少,而且还不是强制标准。尤其是紫光的部分,不包括LED紫外光源。

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现有光催化标准测试评价还存在问题,主要包括:测试条件和实际使用的条件差距大,无法反应实际使用场景的效果;接受国标标准认证的测试机构少,无法给出有效的检测报告。

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从粤能的角度,根据空气净化器国标设计了自己的光催化反应器,结构如下图:

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通过这样一个反应器,我们在实验室的立方仓中先测试一些甲醛,之后开始测试细菌,后来测试过病毒。在数据充分的基础上,进行了催化剂跟光源的各种适配。稳定以后,把它变成一个标准的光催化单元放到我们的净化设备中用来检测净化器或者消毒机的实际使用水平。

值得一提的是,通过测试发现,在一个小时之内,一立方仓里的甲醛降解效率可以超过90%。需要注意的是,大家可能对光触媒和光催化有一定的了解,也可能看到过很多报告,其中有一个值一定不能忽略,那就是作用时间。有一些厂家做测试,可以做到99%以上的光触媒,但是作用时间超过24个小时,甚至达到了48小时或72小时,效率会很低。

此后我们又做了其他有害气体的测试,比如三苯有害气体,包括甲苯、二甲苯等,臭气典型代表,包括氨、二氧化硫、硫化氢等,对于光催化的材料去除工业废气、除臭,有了比较坚实的实验基础和实验数据的支撑。针对细菌也做了一定的测试,效果也非常好。

量产的设备结构很简单,做成的设备,对于白色葡萄球菌、H3N2流感病毒等的杀灭效率都比较高。

光催化空气处理设备结构

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三、 现有UV杀菌技术比较

紫外线这部分,其实有紫外光解和紫外光光生臭氧两个反应。因为紫外线的波长越短,频率越高,光波本身带来的能量会越大,这个能量一旦大过有机物或化合物或者细胞本身的细胞键之间的能量,就会产生一定的光解效果。

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紫外汞灯的UVC波段,主要集中在254nm和185nm两个波段,因为汞光源只能激发这两个峰值比较高的波长。在185nm波段,汞紫外线的光解效果和光生臭氧效果会显现出来,所以用185nm的紫外灯杀菌消毒的时候,跟光源本身波长的杀菌效率有关的光解和光生臭氧的影响会出现。所以有时候很难区别185nm波段的汞灯是靠光源杀菌、光解杀菌还是光生臭氧杀菌。

但有一点可以确定的是,波长越短的情况下,光波能量越大,衰减效率会变大,所以在长距离上的作用能力也会越弱。

UV净化技术比较

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四、 UVA LED光催化市场应用

UV LED给光催化带来了很大的技术优势,从能量强度和能量密度上已经提高了不止一个数量级,单位面积已经达到四五十毫瓦每平方厘米没有任何问题。

UVA-LED给光催化带来的技术优势

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第三代半导体技术的低功率高光电效率窄带UVA LED紫外光源光催化技术就有众多优势:

杀菌广普和能力强,无耐药性,分解彻底;有毒有机物的彻底矿化,均可高效降解;效率高,寿命长;维护简单,运行费用底;无污染,无毒,卫生安全,环境友好。

空净市场需求分析

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根据经验,我们可以把空净市场简单分为民用、商用、医用、工业、军工等这几个大的行业。不同应用场景里有不同的净化需求,很多现有的解决方案与解决技术都无法解决问题,大家可以根据自己的经验参考。

总体而言,基于第三代半导体材料的紫外光源给整个光催化技术带来了新的变革。比如从光源的能量角度带来了数量级的提高;寿命,环境安全性能得到了质的飞越;给光催化的研究与应用带来新的契机;撬动环保与大健康与病毒防疫的巨大产业市场;淘汰落后材料与技术(汞、活性炭等)带来了坚实的技术基础。

光催化技术应用

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广东粤能净环保科技有限公司

公司拥有完全自主知识产权,研发和制备新型环保材料,设计和制造新型环保设备的高科技技术性环保企业。

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问答环节

1.臭氧浓度的控制,各个引用环境对臭氧浓度的标准如何?

张皓:可以参照国标《GB21551.3—2010家用和类似用途电器的抗茵、除茵、净化功能空气净化器的特殊要求》里关于臭氧浓度、紫外线泄漏浓度的测试方法和要求。我们的测试数据显示,光催化在用UV光源的情况下不会产生臭氧。第三方报告安规测试也可以验证。

2.光触媒的消耗怎样,是易耗品吗?

张皓:催化剂的特性是不参与化学反应,只会影响反应速率,所以是不消耗的。但过程中很多催化剂会出现中毒或者失效的状况,跟使用工况有关系。还有一些催化剂是在高温高压下使用,这些情况下可能会有其他的物理和化学的反应在里面,会导致催化性的特性失活。

3.UVA强度增加是否可以提高光催化效率?

张皓:UVA光源与催化剂可以理解为工具跟工人的关系。如果单独用UVA LED跟UV汞灯比较,工具的量差了很多个数量级。为了便于理解,举个例子,如果把催化剂想象成工人,假如平面上催化剂只有十个工人,如果用UV汞灯,单位时间内只能给出一把工具,那么会有9个工人没有工具无法工作。但如果用UVA光源,单位时间内可以给出10把工具,那10个工人都能完全工作。

不过,如果光源强度再提高,单位时间内能给出100把工具给10个工人,然而工人的数量有限。所以,光源对于催化剂,如果过饱和,那么光源功率提高带来的温度和寿命影响会得不偿失。

催化剂跟光源需要匹配,首先要定量,其次在定量的基础上增大有效光辐照面积下催化剂的量,也要提高有效面积下辐照均匀度跟辐照强度,这是相辅相成的。

4.UVA LED用于医疗美容领域较多,UVC LED灭菌最好的波长是多少?现在LED封装可以做到254nm吗?

张皓:UVA LED现在应用最广的市场是光固化,跟美妆市场有关系的是美甲灯,其次是验钞机厂。杀菌最好的波长是在260nm到275nm之间。之所以会有254nm的说法,是因为汞光源激发的UVC波段峰值波长只有254nm,但这并不是说254nm是最好的。

5. 臭氧灭毒效果好还是UV灭毒效果好?

张皓:从定量的效果上来看,两者差别不是特别大,但实际使用的时候跟这两个的特性有关系。UV杀菌,只对受照面有用。要想哪里杀菌,必须光照到哪里才可以。臭氧的特性是可以充满整个空间,都能杀消。虽然臭氧有优势,但是对上呼吸道的刺激非常厉害,容易癌变,臭氧也是国家规定的其他污染物之一,有利有弊,使用时一定要封闭空间。

6.新冠肺炎通过气溶胶传播,光催化是否有预防作用呢?

张皓:不能直接说光催化对气溶胶有作用。气态颗粒物包括粉尘,如果粒径小于2.5微米,很容易在空气中悬浮,颗粒物如果只是固体粉尘,很简单,就只是颗粒物。但像甲醛等在颗粒小的情况下,跟空气中的粉尘或者水分子结合之后,可以形成气溶胶,很容易通过空气扩散到四处。

光催化净化器的原理很简单,就是通过大风量的循环让空气主动接触催化剂,再通过催化剂发挥分解作用,如果空气中有甲醛,气溶胶里面含有细菌或者病毒成分,可以在封闭环境中把气溶胶的浓度降低,但是无法100%去除。

二是气溶胶中含有细菌、病毒的浓度是有限的。人体受感染之后,要达到一定限度,一定量级才会有传染效果。使用光催化技术可以保证在动态平衡过程中让空气中的气溶胶达到比较低的水平,变相的降低污染可能。

7. UVA照射光触媒产生的羟基自由基有效距离是多少,是否做过30立方米仓实验,如果距离更远,是否能达到杀菌效果?

张皓:羟基自由基是光催化分解空气中的水分产生的,在空气中,羟基自由基是游离不出催化剂表面的。羟基自由基的定量,目前有方法可以做到。

实际上,做气相色谱测试时,进入气相色谱的气体标准气湿度是0%。做测试之后发现,光催化不需要产生羟基自由基一样能够有很好的氧化效果,因为电子空穴氧化效果很高,但是电子空穴的定量测试氧化效果,目前没有任何手段能做到。

我们的经验是换风效率变高,可以让单位时间内通过光催化材料的气体量变多,提高效果。但是若想通过羟基发出去主动杀菌的话,羟基的氧化能力比臭氧还高,一定会伤人,所以理论和实践都不可行。羟基在空气中不会离开催化剂,在水中可以离开,但是它能存活的时间很短。

8. 光催化随着使用,功效是否会有衰减,如何评判?

张皓:根据实际经验和老化设备状况来看,时间久了会有衰减。因为在实验室条件下,可以保证实验仓的空气组分很干净纯洁,但实际应用场合很复杂,空气中有水分、细菌、自然菌、病毒、甲醛等,这些相互影响因素有很多,很难排除。

综合来看,影响光催化效率的主要因素,一是光源的光衰,如果主动改变降低电功率之后,光源的过饱和状态情况下衰减到不饱和,光催化效率会降低。二是如果实际使用中不做颗粒粉尘保护,时间久了催化剂表面在高倍数(500-700倍)显微镜下可以看到粉尘,可能会严重阻挡催化剂表面,甚至导致催化剂变色,会影响效率。

根据两年时间左右老化设备情况来看,新设备可能一个小时分解甲醛效率在92%~95%之间,使用一年之后复测效果,还可以达到80%以上。(文字根据直播内容编辑整理,略有删减)

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