當(dāng)前，新型冠狀病毒仍在持續(xù)，對(duì)產(chǎn)業(yè)及企業(yè)造成了一定程度的影響，也牽動(dòng)著各行各業(yè)人們的心。在此形勢(shì)下，中國(guó)半導(dǎo)體照明網(wǎng)、極智頭條，在國(guó)家半導(dǎo)體照明工程研發(fā)及產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟、第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟指導(dǎo)下，開(kāi)啟疫情期間知識(shí)分享，幫助企業(yè)解答疑惑。助力我們LED照明企業(yè)和產(chǎn)業(yè)共克時(shí)艱！
本期，我們邀請(qǐng)到廣東粵能凈環(huán)?？萍加邢薰靖笨偨?jīng)理張皓，帶來(lái)了 “UVA LED光催化技術(shù)的空氣殺菌消毒評(píng)價(jià)與應(yīng)用”的精彩主題分享，以下為文字實(shí)錄：
一、 光催化技術(shù)簡(jiǎn)介
光催化的發(fā)現(xiàn)來(lái)自于1972年，東京大學(xué)藤島昭首次發(fā)現(xiàn)受輻射的二氧化鈦（TiO2）可發(fā)生持續(xù)的水的氧化還原反應(yīng)而產(chǎn)生氫氣。這一效果作為 “ 本多 · 藤島效果 ” （Honda-Fujishima Effect）而聞名于世，該名稱(chēng)組合了藤島教授和當(dāng)時(shí)他的指導(dǎo)教師----東京工藝大學(xué)校長(zhǎng)本多健一的名字。
1. 光催化技術(shù)介紹
（1）光催化學(xué)科是催化化學(xué)、光電化學(xué)、半導(dǎo)體物理、材料科學(xué)和環(huán)境科學(xué)等多學(xué)科交叉的新興研究領(lǐng)域；
（2）半導(dǎo)體在紫外光（波長(zhǎng)小于380nm）激發(fā)下，產(chǎn)生光生電子和電子空穴；
（3）電子空穴的能力達(dá)到3.0eV，相當(dāng)于15000度溫度的能量
（4）光生電子具有還原性質(zhì)，可還原水產(chǎn)氫，直接產(chǎn)電-太陽(yáng)能電池---能源利用；
（5）光生空穴具有強(qiáng)氧化性，能降解或礦化污染物，殺滅細(xì)菌和病毒---環(huán)境應(yīng)用。
氧化性：F2＞·OH＞O3＞H2O2＞MnO4-＞Cl2
光催化技術(shù)可以有效降解幾乎所有有機(jī)物
礦化含硫、氮、磷的化合物
高效殺菌消毒
2. 光催化殺菌消毒原理
光催化劑產(chǎn)生的羥基自由基和活性離子氧可以氧化細(xì)菌和病毒體的氧化機(jī)理如下：
輔酶A氧化機(jī)理，細(xì)胞壁（膜）破壞機(jī)理，DNA&RNA遺傳物質(zhì)破壞機(jī)理
光催化殺菌，具有傳統(tǒng)無(wú)機(jī)抗菌劑無(wú)法比擬的優(yōu)良?xì)⒕Ч?，具有持久性，廣譜性，耐熱，不產(chǎn)生耐藥性，殺菌徹底等優(yōu)點(diǎn)，而且還具有無(wú)毒，無(wú)味，對(duì)皮膚無(wú)刺激，不消耗，可重復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)。
值得注意的是，在讓細(xì)菌病毒失活之后，細(xì)菌和病毒殘留的尸體都是由基本元素構(gòu)成，光催化可以高效地把殘留的尸體分解去除掉。醫(yī)學(xué)上有一種內(nèi)毒素，光催化也可以進(jìn)行分解。
關(guān)于光催化殺菌，包括肺結(jié)核、乙肝，常規(guī)細(xì)菌、病毒等，國(guó)內(nèi)外有很多種文獻(xiàn)，在機(jī)理和應(yīng)用，實(shí)驗(yàn)室層面論證，效果完全沒(méi)有問(wèn)題。
二、 光催化效果評(píng)價(jià)
關(guān)于評(píng)價(jià)，首先會(huì)有標(biāo)準(zhǔn)的問(wèn)題，對(duì)比國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，目前國(guó)內(nèi)關(guān)于光催化的標(biāo)準(zhǔn)很不健全。在空氣凈化、水凈化、光催化材料自潔、抗病毒、光催化用的紫外光源等方面，標(biāo)準(zhǔn)其實(shí)很少，而且還不是強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)。尤其是紫光的部分，不包括LED紫外光源。
現(xiàn)有光催化標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試評(píng)價(jià)還存在問(wèn)題，主要包括：測(cè)試條件和實(shí)際使用的條件差距大，無(wú)法反應(yīng)實(shí)際使用場(chǎng)景的效果；接受?chē)?guó)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證的測(cè)試機(jī)構(gòu)少，無(wú)法給出有效的檢測(cè)報(bào)告。
從粵能的角度，根據(jù)空氣凈化器國(guó)標(biāo)設(shè)計(jì)了自己的光催化反應(yīng)器，結(jié)構(gòu)如下圖：
通過(guò)這樣一個(gè)反應(yīng)器，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室的立方倉(cāng)中先測(cè)試一些甲醛，之后開(kāi)始測(cè)試細(xì)菌，后來(lái)測(cè)試過(guò)病毒。在數(shù)據(jù)充分的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了催化劑跟光源的各種適配。穩(wěn)定以后，把它變成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的光催化單元放到我們的凈化設(shè)備中用來(lái)檢測(cè)凈化器或者消毒機(jī)的實(shí)際使用水平。
值得一提的是，通過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，在一個(gè)小時(shí)之內(nèi)，一立方倉(cāng)里的甲醛降解效率可以超過(guò)90%。需要注意的是，大家可能對(duì)光觸媒和光催化有一定的了解，也可能看到過(guò)很多報(bào)告，其中有一個(gè)值一定不能忽略，那就是作用時(shí)間。有一些廠家做測(cè)試，可以做到99%以上的光觸媒，但是作用時(shí)間超過(guò)24個(gè)小時(shí)，甚至達(dá)到了48小時(shí)或72小時(shí)，效率會(huì)很低。
此后我們又做了其他有害氣體的測(cè)試，比如三苯有害氣體，包括甲苯、二甲苯等，臭氣典型代表，包括氨、二氧化硫、硫化氫等，對(duì)于光催化的材料去除工業(yè)廢氣、除臭，有了比較堅(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的支撐。針對(duì)細(xì)菌也做了一定的測(cè)試，效果也非常好。
量產(chǎn)的設(shè)備結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，做成的設(shè)備，對(duì)于白色葡萄球菌、H3N2流感病毒等的殺滅效率都比較高。
光催化空氣處理設(shè)備結(jié)構(gòu)
三、 現(xiàn)有UV殺菌技術(shù)比較
紫外線這部分，其實(shí)有紫外光解和紫外光光生臭氧兩個(gè)反應(yīng)。因?yàn)樽贤饩€的波長(zhǎng)越短，頻率越高，光波本身帶來(lái)的能量會(huì)越大，這個(gè)能量一旦大過(guò)有機(jī)物或化合物或者細(xì)胞本身的細(xì)胞鍵之間的能量，就會(huì)產(chǎn)生一定的光解效果。
紫外汞燈的UVC波段，主要集中在254nm和185nm兩個(gè)波段，因?yàn)楣庠粗荒芗ぐl(fā)這兩個(gè)峰值比較高的波長(zhǎng)。在185nm波段，汞紫外線的光解效果和光生臭氧效果會(huì)顯現(xiàn)出來(lái)，所以用185nm的紫外燈殺菌消毒的時(shí)候，跟光源本身波長(zhǎng)的殺菌效率有關(guān)的光解和光生臭氧的影響會(huì)出現(xiàn)。所以有時(shí)候很難區(qū)別185nm波段的汞燈是靠光源殺菌、光解殺菌還是光生臭氧殺菌。
但有一點(diǎn)可以確定的是，波長(zhǎng)越短的情況下，光波能量越大，衰減效率會(huì)變大，所以在長(zhǎng)距離上的作用能力也會(huì)越弱。
UV凈化技術(shù)比較
備注：圖中空氣殺菌，第一個(gè)為靜態(tài)空氣殺菌，第二個(gè)動(dòng)態(tài)空氣殺菌。
UV LED給光催化帶來(lái)了很大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，從能量強(qiáng)度和能量密度上已經(jīng)提高了不止一個(gè)數(shù)量級(jí)，單位面積已經(jīng)達(dá)到四五十毫瓦每平方厘米沒(méi)有任何問(wèn)題。
UVA-LED給光催化帶來(lái)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)
第三代半導(dǎo)體技術(shù)的低功率高光電效率窄帶UVA LED紫外光源光催化技術(shù)就有眾多優(yōu)勢(shì)：
殺菌廣普和能力強(qiáng)，無(wú)耐藥性，分解徹底；有毒有機(jī)物的徹底礦化，均可高效降解；效率高，壽命長(zhǎng)；維護(hù)簡(jiǎn)單，運(yùn)行費(fèi)用底；無(wú)污染，無(wú)毒，衛(wèi)生安全，環(huán)境友好。
空凈市場(chǎng)需求分析
根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，我們可以把空凈市場(chǎng)簡(jiǎn)單分為民用、商用、醫(yī)用、工業(yè)、軍工等這幾個(gè)大的行業(yè)。不同應(yīng)用場(chǎng)景里有不同的凈化需求，很多現(xiàn)有的解決方案與解決技術(shù)都無(wú)法解決問(wèn)題，大家可以根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)參考。
總體而言，基于第三代半導(dǎo)體材料的紫外光源給整個(gè)光催化技術(shù)帶來(lái)了新的變革。比如從光源的能量角度帶來(lái)了數(shù)量級(jí)的提高；壽命，環(huán)境安全性能得到了質(zhì)的飛越；給光催化的研究與應(yīng)用帶來(lái)新的契機(jī)；撬動(dòng)環(huán)保與大健康與病毒防疫的巨大產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)；淘汰落后材料與技術(shù)（汞、活性炭等）帶來(lái)了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。
光催化技術(shù)應(yīng)用
廣東粵能凈環(huán)保科技有限公司
公司擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，研發(fā)和制備新型環(huán)保材料，設(shè)計(jì)和制造新型環(huán)保設(shè)備的高科技技術(shù)性環(huán)保企業(yè)。
問(wèn)答環(huán)節(jié)
1.臭氧濃度的控制，各個(gè)引用環(huán)境對(duì)臭氧濃度的標(biāo)準(zhǔn)如何？
張皓：可以參照國(guó)標(biāo)《GB21551.3—2010家用和類(lèi)似用途電器的抗茵、除茵、凈化功能空氣凈化器的特殊要求》里關(guān)于臭氧濃度、紫外線泄漏濃度的測(cè)試方法和要求。我們的測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，光催化在用UV光源的情況下不會(huì)產(chǎn)生臭氧。第三方報(bào)告安規(guī)測(cè)試也可以驗(yàn)證。
2.光觸媒的消耗怎樣，是易耗品嗎？
張皓：催化劑的特性是不參與化學(xué)反應(yīng)，只會(huì)影響反應(yīng)速率，所以是不消耗的。但過(guò)程中很多催化劑會(huì)出現(xiàn)中毒或者失效的狀況，跟使用工況有關(guān)系。還有一些催化劑是在高溫高壓下使用，這些情況下可能會(huì)有其他的物理和化學(xué)的反應(yīng)在里面，會(huì)導(dǎo)致催化性的特性失活。
3.UVA強(qiáng)度增加是否可以提高光催化效率？
張皓：UVA光源與催化劑可以理解為工具跟工人的關(guān)系。如果單獨(dú)用UVA LED跟UV汞燈比較，工具的量差了很多個(gè)數(shù)量級(jí)。為了便于理解，舉個(gè)例子，如果把催化劑想象成工人，假如平面上催化劑只有十個(gè)工人，如果用UV汞燈，單位時(shí)間內(nèi)只能給出一把工具，那么會(huì)有9個(gè)工人沒(méi)有工具無(wú)法工作。但如果用UVA光源，單位時(shí)間內(nèi)可以給出10把工具，那10個(gè)工人都能完全工作。
不過(guò)，如果光源強(qiáng)度再提高，單位時(shí)間內(nèi)能給出100把工具給10個(gè)工人，然而工人的數(shù)量有限。所以，光源對(duì)于催化劑，如果過(guò)飽和，那么光源功率提高帶來(lái)的溫度和壽命影響會(huì)得不償失。
催化劑跟光源需要匹配，首先要定量，其次在定量的基礎(chǔ)上增大有效光輻照面積下催化劑的量，也要提高有效面積下輻照均勻度跟輻照強(qiáng)度，這是相輔相成的。
4.UVA LED用于醫(yī)療美容領(lǐng)域較多，UVC LED滅菌最好的波長(zhǎng)是多少？現(xiàn)在LED封裝可以做到254nm嗎？
張皓：UVA LED現(xiàn)在應(yīng)用最廣的市場(chǎng)是光固化,跟美妝市場(chǎng)有關(guān)系的是美甲燈,其次是驗(yàn)鈔機(jī)廠。殺菌最好的波長(zhǎng)是在260nm到275nm之間。之所以會(huì)有254nm的說(shuō)法，是因?yàn)楣庠醇ぐl(fā)的UVC波段峰值波長(zhǎng)只有254nm，但這并不是說(shuō)254nm是最好的。
5. 臭氧滅毒效果好還是UV滅毒效果好？
張皓：從定量的效果上來(lái)看，兩者差別不是特別大，但實(shí)際使用的時(shí)候跟這兩個(gè)的特性有關(guān)系。UV殺菌，只對(duì)受照面有用。要想哪里殺菌，必須光照到哪里才可以。臭氧的特性是可以充滿(mǎn)整個(gè)空間，都能殺消。雖然臭氧有優(yōu)勢(shì)，但是對(duì)上呼吸道的刺激非常厲害，容易癌變，臭氧也是國(guó)家規(guī)定的其他污染物之一，有利有弊，使用時(shí)一定要封閉空間。
6.新冠肺炎通過(guò)氣溶膠傳播，光催化是否有預(yù)防作用呢？
張皓：不能直接說(shuō)光催化對(duì)氣溶膠有作用。氣態(tài)顆粒物包括粉塵，如果粒徑小于2.5微米，很容易在空氣中懸浮，顆粒物如果只是固體粉塵，很簡(jiǎn)單，就只是顆粒物。但像甲醛等在顆粒小的情況下，跟空氣中的粉塵或者水分子結(jié)合之后，可以形成氣溶膠，很容易通過(guò)空氣擴(kuò)散到四處。
光催化凈化器的原理很簡(jiǎn)單，就是通過(guò)大風(fēng)量的循環(huán)讓空氣主動(dòng)接觸催化劑，再通過(guò)催化劑發(fā)揮分解作用，如果空氣中有甲醛，氣溶膠里面含有細(xì)菌或者病毒成分，可以在封閉環(huán)境中把氣溶膠的濃度降低，但是無(wú)法100%去除。
二是氣溶膠中含有細(xì)菌、病毒的濃度是有限的。人體受感染之后，要達(dá)到一定限度，一定量級(jí)才會(huì)有傳染效果。使用光催化技術(shù)可以保證在動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程中讓空氣中的氣溶膠達(dá)到比較低的水平，變相的降低污染可能。
7. UVA照射光觸媒產(chǎn)生的羥基自由基有效距離是多少，是否做過(guò)30立方米倉(cāng)實(shí)驗(yàn)，如果距離更遠(yuǎn)，是否能達(dá)到殺菌效果？
張皓：羥基自由基是光催化分解空氣中的水分產(chǎn)生的，在空氣中，羥基自由基是游離不出催化劑表面的。羥基自由基的定量，目前有方法可以做到。
實(shí)際上，做氣相色譜測(cè)試時(shí)，進(jìn)入氣相色譜的氣體標(biāo)準(zhǔn)氣濕度是0%。做測(cè)試之后發(fā)現(xiàn)，光催化不需要產(chǎn)生羥基自由基一樣能夠有很好的氧化效果，因?yàn)殡娮涌昭ㄑ趸Ч芨?，但是電子空穴的定量測(cè)試氧化效果，目前沒(méi)有任何手段能做到。
我們的經(jīng)驗(yàn)是換風(fēng)效率變高，可以讓單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)光催化材料的氣體量變多，提高效果。但是若想通過(guò)羥基發(fā)出去主動(dòng)殺菌的話，羥基的氧化能力比臭氧還高，一定會(huì)傷人，所以理論和實(shí)踐都不可行。羥基在空氣中不會(huì)離開(kāi)催化劑，在水中可以離開(kāi)，但是它能存活的時(shí)間很短。
8. 光催化隨著使用，功效是否會(huì)有衰減，如何評(píng)判？
張皓：根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和老化設(shè)備狀況來(lái)看，時(shí)間久了會(huì)有衰減。因?yàn)樵趯?shí)驗(yàn)室條件下，可以保證實(shí)驗(yàn)倉(cāng)的空氣組分很干凈純潔，但實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合很復(fù)雜，空氣中有水分、細(xì)菌、自然菌、病毒、甲醛等，這些相互影響因素有很多，很難排除。
綜合來(lái)看，影響光催化效率的主要因素，一是光源的光衰，如果主動(dòng)改變降低電功率之后，光源的過(guò)飽和狀態(tài)情況下衰減到不飽和，光催化效率會(huì)降低。二是如果實(shí)際使用中不做顆粒粉塵保護(hù)，時(shí)間久了催化劑表面在高倍數(shù)（500-700倍）顯微鏡下可以看到粉塵，可能會(huì)嚴(yán)重阻擋催化劑表面，甚至導(dǎo)致催化劑變色，會(huì)影響效率。
根據(jù)兩年時(shí)間左右老化設(shè)備情況來(lái)看，新設(shè)備可能一個(gè)小時(shí)分解甲醛效率在92%~95%之間，使用一年之后復(fù)測(cè)效果，還可以達(dá)到80%以上。
（文字根據(jù)直播內(nèi)容編輯整理，略有刪減）
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