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前言
        二氧化鈦光觸媒材料自從1970年代日本東京大學的Akira Fujishima教授所發表之光觸媒電極分解水以產生氫氣與氧氣之研究成果,從此開啟了光觸媒反應研究的趨勢,而在1980年代中期,Fujishima教授將光觸媒之研究轉向利用光激發後產生電子與電洞之氧化還原能力,用來進行化學物質的光催化氧化還原反應,以拉近光觸媒之實用化時程。光觸媒材料與應用技術的開發就在日本東京大學、產業技術總合研究所為首的帶動下,促成日本產學研三方的通力合力,積極發展技術外,還廣泛申請各類專利,專利申請的範圍涵蓋光觸媒材料、固定化技術與應用技術,所擁有的相關專利占了全球90%以上的比重。整體而言,光觸媒材料的應用範圍大都集中在環境應用方麵,至於產氫與化學品合成等應用也有學者努力開發相關技術。以下將介紹光觸媒在自我潔淨與空氣淨化之應用技術原理與發展現況。

一.自我潔淨應用
(一)自我潔淨的作用原理

        自我潔淨指物質本身具特殊性質,有能保持表麵潔淨之功能。奈米光觸媒之是借助光能與雨水來達成自我潔淨效果。在此,另一個相關性的奈米技術議題為蓮花效應(Lotus effect)(Barthlott and Neinhuis, 1997),其為利用表麵奈米級的纖維結構來產生超疏水性,使雨水、灰塵不易附著其上,再利用水滴將汙染物沾附帶離物體表麵,達到自我潔淨效果。其作用示意圖如圖1所示。相對地,奈米光觸媒材料則是運用光源使塗層表麵具備超親水性(superhydrophilicity)與分解汙染物能力,使附著於光觸媒材料表麵汙染物,易被雨水衝刷掉落。因此,前者是屬於超疏水性的作用,而光觸媒則是屬於超親水性的作用。

        光觸媒自我潔淨原理為兩種機製作用而成:一是化學性的表麵汙染物分解作用,利用光觸媒吸收光線所產生的高氧化力的氫氧自由基等活性物質,分解表麵汙染物,使汙染物附著能力變弱而易被雨水帶走,達到清洗的效果清洗;二是物理性的除汙作用,利用光觸媒吸收光線所產生的超親水性,使水容易進入汙染物與底材間隙之中,而使汙染物易被雨水衝刷掉落。一般而言,奈米光觸媒的『除汙』功能係指化學性作用除汙,例如:表麵上的有機汙染物在日光與光觸媒長時間作用下,可被分解為水與二氧化碳,而從物質表麵逸散消失。但在很多情況下,汙染物尚未被分解至水與二氧化碳時,就已經被雨水自表麵衝刷掉落,達成自我潔淨功能。其作用如圖2所示。

(二)自我潔淨的應用範圍
        許多建築物外觀,需定期清洗維持潔淨,如歌劇院、鐵塔等,清理作業需要投入大量人力、金錢與時間,並包含一定風險,使用酸性或堿性清潔劑造成環境水質汙染問題,使用環境友善性光觸媒塗布於建築物外層,可利用自然日光與雨水保持外觀潔淨,並減少清洗次數與清潔劑使用量,因此光觸媒自我潔淨功能兼具經濟價值與環保意義。另外,在紡織品的自我潔淨方麵也有不少業者投入此方麵的開發研究,利用光觸媒的氧化能力來減少布料表麵的汙物附著。在此,舉幾個應用案例來說明光觸媒自我潔淨的功能。

1. 光觸媒道路隔音牆:
        道路隔音牆之應用是目前光觸媒在日本最大規模的實施例,在關東有青葉縣、東京、川崎;關西部分有名古屋、大阪和濱戶等地。主要目的在於降低交通要道空氣汙染物濃度與維持隔音牆之整潔,光觸媒去除空氣汙染物會在後續幾節詳述。圖3為日本大阪的實施例,此隔音牆為多孔複合型材料,可以具有隔音、及去除空氣汙染物功效。其自我潔淨的功效很好,可以長期保持其外觀潔淨,以大阪市的測試報告為例,一年後光澤度幾乎沒有改變;沒有塗過光觸媒的隔音牆,光澤度則大為降低,在圖中可以看出明顯的差異性,也可以證實適當的光觸媒塗層會具有良好的自我潔淨效果。

2. 光觸媒建物外牆應用:
        光觸媒材料在外牆的應用亦具有十分龐大的市場潛力,在此,以Fujishima教授的住宅做為實例,如照片圖4所示,Fujishima教授主持日本曹達公司的一項光觸媒塗料應用計劃,光觸媒塗布的施工時間是在1999年7月,而照相是2004年5月,即施工期間到拍照時間有5年時間,拍攝工作人員有實際去表麵摸過,外牆表麵沒有任何光觸媒脫落現象,固定化效果相當好,窗沿部分也沒有水垢等髒汙,也證實此部分的光觸媒塗料具有良好的自我潔淨功效。

二 空氣淨化應用
(一)空氣淨化的作用原理
        空氣汙染以所處區域分為室內與室外的空氣汙染。室外空氣汙染來源為氮氧化物、硫氧化物、揮發性有機化合物、懸浮微粒、臭氧為主,會導致大氣溫室效應、呼吸道係統疾病、酸雨等問題,以汽機車與工廠排放的廢氣為主。室內空氣汙染來源,以衛浴與廚房等日常生活所製造的臭氣為主。使用光觸媒技術可降低空氣汙染程度,目前國內外已有多家廠商積極投入此範圍,商品化的趨勢也以空氣淨化的應用最快最廣。

空氣汙染物可以大略再分成有機(VOC等)與無機(NOx、SOx與O3等)汙染氣體。光觸媒分解有機與無機氣相汙染物的作用可分為以下兩類:

1.有機氣相汙染物:
可分為下列步驟:
(1).光觸媒受到光線激發表麵附近的水氣與氧氣轉換為活性物質,即氫氧自由基、超氧離子與雙氧水等具氧化力的活性物質。
(2).有機氣相汙染物接觸到活性物質後,汙染物被活性物質破壞其分子結構(鍵結)分解成水與二氧化碳,或是被分解成更小的有機分子,以利於被微生物分解或吸收。


2.無機氣相汙染物:
可分為下列步驟:
(1).光觸媒受到光線激發表麵附近的水氣與氧氣轉換為活性物質,氫氧自由基、超氧離子與雙氧水等具氧化力的活性物質。
(2).無機氣相汙染物接觸到活性物質後,汙染物被活性物質氧化成轉變為水溶性的分子,而暫時附著於光觸媒表麵,進而被水洗衝走,可以被微生物與植物吸收,或由弱堿性水溶液中和後放流至環境中。


(二)光觸媒空氣淨化的應用範圍
         空氣中含有多種具有異味的分子,而在不同的場合中所含有的種類也不相同,例如:甲醛(福爾馬林)、硫化氫、異丙醇、氨氣等等,都是常見的臭味來源,而其濃度含量很低就可被察覺,例如:甲醛的嗅覺閾值為0.05~1.0ppm,有時雖不致於危害人體健康,但是會造成人體的不悅感,以公共場所與密閉空間內最需要改善臭味的問題。因此,光觸媒溫和而長效性的分解能力很適合用於解決低濃度的異味分子,達成除臭的效果。傳統上一般處理空氣汙染物質時,常使用活性碳與沸石等具吸附力物質來集中汙染物,但吸附劑不容易再生,須不斷更新,含高濃度汙染物吸附劑更需固定化後掩埋或高溫燃燒處理,會產生二次公害與浪費資源等問題。此外,有部分種類的氣相汙染物,也不易被吸附劑集中吸附,因此,傳統處理方式有時會有其限製與困難之處。

        光觸媒可利用室內或日光光源來達成長期空氣淨化的目的,且可以利用雨水達成汙染物收集與再生光觸媒的作用,減少吸附劑的使用與二次汙染的問題。在工業製程中所產生高濃度的空氣汙染物,比較不適合使用光觸媒技術來處理,因為光觸媒是屬於溫和而持續性的作用,特別適用處理低濃度的範圍,如臭味去除可達成良好效果。但也有研究單位與業者開發將光觸媒與吸附劑結合的技術,可以達成吸附與光催化的效果

1.室內空氣淨化應用實例:
        目前因為人口密集的關係,都市內的建築日漸密集擁擠,再加上工業與交通繁忙的原因,使得戶外空氣質量不佳,開窗的比例很低。因此,在室內的空氣流動不如農業社會,低換氣率造成室內的空氣質量不良,也會出現所謂大樓症候群(sick building syndrome),這是由於近二十年來在一般非工業用的建築物當中,有愈來愈多的非特異性的症狀盛行,盛行率有逐漸升高的趨勢。其中主要原因之一就是室內的汙染源,如地毯、複印機、二手煙、微生物暴露、揮發性有機物等都屬於室內的汙染源,光觸媒可以針對這些汙染源進行分解去除或降低的功效。因此,目前在市麵上出現了許多標榜具有光觸媒功能的室內空氣淨化產品,常見的可分為主動式與被動式係統兩類:
(1).主動式係統:
        因為空調相關設備通常都有提供送風裝置或照光的光源,所以把它分類為主動式係統。如:空氣清靜機、冷氣機、電風扇等,所用方法主要是在風道中裝設光觸媒濾網與紫外燈管,使光觸媒材料能接觸到室內空氣中的汙染分子,而發揮淨化的效果。光源方麵,紫外燈管有使用UV-A範圍的捕蟲燈管、黑燈管以及UV-C範圍的殺菌燈管。
(2).被動式係統:
        主要是指像光觸媒塗料、光觸媒建材與燈具,因為沒有提供送風係統或光源,所以定義為被動式係統。以便利性來看,光觸媒塗料因為使用方便而且應用範圍很廣,所以是光觸媒業者極力開發的產品,它的優點是在室內具有抗菌及空氣淨化功效,在戶外除了具有空氣淨化功效以外,還具有自我潔淨功效,可大幅節省房屋的粉刷或清潔費用。但是一般塗料主要成分為樹脂,雖然初期固定化效果不錯,但長期照光下,光觸媒會將之分解,塗層容易脫落。所以其施工必須分為多道程序,含有塗料、保護隔離層與光觸媒層,整個程序較一般傳統工法繁複。塗料方麵的實例商品如圖5,而圖4中Fujishima教授的住宅即是使用日本曹達公司的塗料商品NRC-350A來施工。在光觸媒室內建材方麵,有光觸媒塗布的磁磚或陶板材料,可以具有自我潔淨、抗菌及空氣淨化的功能,國外以日本東陶公司最具有代表性,而國內和隆興業公司、羅馬磁磚等公司目前也已經投入研發與生產此類產品,其外觀實例如圖6所示。另外,國內亦有業者開發光觸媒照明產品,一般光觸媒燈管主要在燈管外麵套上一層光觸媒玻璃纖維網、燈衣或直接在燈管表麵塗布一層光觸媒薄膜。其主要的要求點在與良好通風係統搭配時,具有室內除臭的功效,但是燈管壽命有限,而價格偏高,所以一般市場推廣較不易。圖7為一般坊間經常看到的光觸媒燈管,圖上是套了光觸媒玻璃纖維的套管,圖下是直接在燈管表麵塗布一層光觸媒薄膜,其部分外觀可以看出二氧化鈦薄膜的虹光色彩。國內有東亞、旭光、菲利浦、阿密裏照明與尚緣等公司有開發相關產品。
2.環境大氣空氣淨化應用實例:
        在根據2002年資料,台灣地區的環境負荷,在人口數部份達到2,252萬人,國民年成長率約在0.5~0.9%;車輛數目在1,791萬輛,年成長率4~7%;能源消耗量9,996萬公秉當量,年成長率4~7%。而在台灣屬於地小人稠的區域,因此,空氣質量並不理想,根據環保署數據目前空氣質量現況以臭氧(O3)及懸浮粒狀物(PM10)為主要問題。且以臭氧問題最為嚴重,由民國87年由54%增加到91年78%。而臭氧產生的機製為大氣環境裏的有機化合物與空氣裏麵的氮氧化物經過紫外線照射以後,就會產生臭氧或多環芳香氨化合物(PAN),此兩者會對呼吸道產生危害。光觸媒可在將臭氧的產生源如氮氧化物與有機化合物加以分解降低,來達成降低臭氧的濃度。在前小節所提到的道路隔音牆,是目前光觸媒在日本最大規模的實施例,主要目的除前節所述的自我潔淨功用外,也在於降低交通要道空氣汙染物濃度,特別是氮氧化物,而道路隔音牆除阻擋車輛噪音,也阻擋車道空氣循環,車輛排放廢氣容易積蓄在隔音牆附近區域,造成高濃度空氣汙染物,以光觸媒與日光來處理環境大氣中氮氧化物有很好效果,且無須提供光源,偶爾的雨水可再生光觸媒功效,維持光觸媒活性。在國內,工研院的前環安中心(現為綠能所)曾經在台北市與新竹市的交通要道測試過光觸媒處理氮氧化物的效果,其去除的效果都十分不錯。其選在台北車站附近的測試地點,因為其周圍有建築物阻擋,風速也不快,此地點這個位置全天候車輛都很多,圖8為測試結果,藍色部分是路旁濃度,經過光觸媒處理後是比較下麵虛線的位置,當有光照的部分,去除率大約都在九成左右,也說明在有光照時光觸媒處理功效非常好,去除率約都在九成。其餘環境大氣的應用產品還有光觸媒路麵材料,其因為最接近汙染源,將光觸媒有效固定在柏油或水泥路麵,因為它最接近汙染源,可以將車輛所排放的廢氣,像是氮氧化物、硫氧化物、總碳氫化合物...等,都可以加以氧化分解,可以有效降低車輛排放廢氣對環境的衝擊。其作用示意圖與日本東京近郊的光觸媒實施例外觀照片如圖9所示。光觸媒處理氮氧化物會讓轉換成硝酸,下雨後硝酸可以就被水洗移除,可以再生光觸媒活性。

結論
        二氧化鈦光觸媒無疑地為奈米科技中最能快速地展現成果的材料之一,因其用途廣泛且具有環境友善性,目前也在各種民生化工的產品中漸漸占有重要的位置,也為許多傳統產業創造產業升級的機會。在光觸媒的應用方麵,主要的環境應用技術的領先國目前仍為日本,在需多方麵的專利布局方麵也有成熟的表現,在國內學術界也有許多學者積極地的投入光觸媒的基礎與應用研究。而以目前國內的環境情況而言,室內的空氣質量(除異味與抗菌)與大氣環境的淨化應為光觸媒最實時的應用目標。在國內目前許多業者也已經積極投入產品營銷與技術開發,而順勢成立台灣光觸媒產業發展協會,但領先國日本的光觸媒技術與專利在未來國內光觸媒產業發展時,將會成為產業界的限製,因此,國內目前仍需要積極地投入技術開發與專利申請布局,以順利達成產業升級與提升國內環境生活質量的目標。
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