光催化氧化光生物反应器及杀菌技术

基于纳米级TiO₂光催化原理，在适宜波长的光照射下将有机物（体）催化降解矿化为无毒的CO₂和H₂O，目前已证实其在废水处理、空气净化、水面油污染治理、杀灭细菌和抗癌等多方面具有现实的应用价值。

日本人Tadshi Matsunaga等首先发现了TiO₂在紫外光照射下油杀菌作用，细胞内辅酶A会被TiO₂所氧化，继而阻止细胞的呼吸，造成细胞的死亡。近年来已有报道的考察TiO₂光催化作用的细菌类有：乳杆嗜菌细胞（Lactobacill us acidopil us）、酵母菌（Saccarom yces cervisiae）、大肠杆菌（Escherichia coli）、链球菌（Strepococus mutansd）。Zheng Huang等在研究光催化对大肠杆菌细胞作用位点的实验中发现，细胞壁首先被破坏，渗透作用改变，随之，细胞膜和胞内物质也被破坏，菌体的存活率下降。在Kayano Sunada等的实验中证明，TiO₂光催化不仅使大肠杆菌细胞被杀灭，而且其内在毒素也被降解。一般抗菌剂只有杀菌作用，但不能分解毒素，这一点也是光催化除微生物污染的优势所在。Lee等对嗜菌体MS2光催化作用下的研究表明，紫外杀菌是嘌呤分子上形成双建来破坏RNA和DNA，而光催化中则是形成的羟基自由基-OH可以改变蛋白质结构，核酸易被-OH攻击，破坏病毒颗粒的RNA。Cai将TiO₂用于杀灭癌细胞实验，研究发现在加入TiO₂后对癌细胞的杀伤里比单纯用紫外光的效果好得多，结果表明：TiO₂在紫外光照条件下有明显杀灭肿瘤细胞的作用。TiO₂光催化杀菌的优势在于：光氧化过程中产生的羟基自由基的氧化势能可以杀死绝大多数微生物，能使大部分有机污染物被矿化。

国内外现有杀菌技术及存在问题

养殖场的消毒在我国已成为养殖业发展的关键问题，目前世界上用于杀菌的方法主要是臭氧法或紫外线法，我国用于消毒和病害防治的杀毒剂主要是化学消毒剂和抗生素两大类。利用纳米TiO₂光催化技术，随着高效多功能集成式光催化反应器的不断开发研究，使反应器成为既杀菌灭病毒、消除病原体及有机污染物残留毒素等多功能为一体的高效净装置。

光催化生物反应器的研究现状      

光催化反应器按照光源的不同可分为人工光源如紫外灯光，和自然光源如太阳能光催化反应器两类。国外研究表明，多种结构的光催化反应器已经被用于光降解有机污染物，并且取得了一些成功和经验，为了提高光生物反应器的光催化效率，研究光源系统、反应器结构及催化剂光敏性等方面的问题是光催化技术应用于大规模工业化生产的关键所在。

纳米TiO₂光催化反应机理

目前研究多的光催化半导体材料为金属氧化物和硫化物，如TiO₂、ZnO、Cds等等，由于纳米TiO₂无毒稳定、催化活性高、氧化能力强，因此应用广。

TiO₂的禁带宽度是3.2eV，当TiO₂收到波长小于387nm的紫外线照射时，价带上的电子跃升到导带，激发电离出光生电子的同时产生高活性光生空穴，形成电子-空穴对的氧化还原体系，经一系列可能的反应后产生大量的高活性自由基，在众多自由基中，-OH是主要的自由基；光催化纳米TiO₂表面的羟基化，使光催化反应的必要条件；光催化产生的-OH，是有水份存在时氧化剂中反应活性很强的，能氧化分解绝大多数有机和无机污染物，而且对作用物几乎没有选择。

但是，实际使用中的光催化效率不高属于极普遍现象。究其原因，无外乎光催化的光源和催化剂及其载体材料。

石墨烯吸附性能：

因为石墨烯拥有很大的比表面积和非常高的电子迁移率，所以，对它的吸附性能研究在其发现之初就得到广泛的关注。本征石墨烯、空位石墨烯以及掺杂石墨烯在吸附性能上的差异。利用石墨烯吸附性能制备的传感器工作原理是：当石墨烯将分子或原子吸附在表面时，吸附对象与石墨烯的电荷将会相互转移，这就导致载流子电子或空穴密度产生改变，石墨烯的电导率也就随之变化。更为重要的是：由于石墨烯具有很大的比表面积，所以在吸附分子或原子时会具有相当高的灵敏度。

1、本征石墨烯的吸附性能

研究石墨烯吸附性能的是Schedin发现：石墨烯传感器能够对石墨烯表面上吸附的分子进行判别，石墨烯对NH3\NO2\CO等都具有较强的吸附型；采用真空加热或紫外光照射，可以解吸。其结论：NO2位p型杂质，石墨烯中的电子流向NO2，从而导致石墨烯的空穴浓度变大，电阻明显下降；NH3位n型杂质，吸附后其电子流向石墨烯，并填充石墨烯导带中的空穴，使石墨烯的电阻变大。我国中科院金属所研究：因为碳原子本身的化学惰性，本征石墨烯对分子或原子的吸附能力是有限的，仅仅对极少的分子或原子具有比较强的吸附型，并且基本属于物理吸附范畴。

2、空位石墨烯

由于制备水平限制，实际制备过程中并不能得到非常纯净的本征石墨烯，也就是说，现阶段制备的石墨烯或多或少的都存在着不同的缺陷，不过实践证明，存在的缺陷反而是有益的。大量的研究者对空位石墨烯的吸附性能进行了研究证明：增大了石墨烯的吸附性能。

3、掺杂石墨烯的吸附能力

不同的掺杂石墨烯的吸附性能呈现出多样性与差异化。如：掺杂Al的石墨烯对于CO的吸附型提高到本征石墨烯的几十倍。

立足自主创新技术），以多波段真空紫外灯做光源、以石墨烯基复合材料做光催化剂，采用催化臭氧氧化技术+纳米二氧化钛光催化氧化技术组合，实现高效吸附+高效净化。集成：臭氧和紫外线抗菌杀病毒技术、石墨烯材料自身抑制细菌病毒能力，以及石墨烯光催化氧化技术等多种技术手段。

经广东省微生物分析检测中心检测：

除白葡萄菌：99.12%

除大肠杆菌：97.86%

氨净化效率：88.2%

除TVOC_S：大于90%

臭氧浓度：0.011mg/m³（标准要求：0.10mg/m³）、紫外线强度（泄漏量）：0