N-TiO2涂料对甲醛降解与霉菌抑制的研究

张 颢，黄永捷，王文明，刘心中，卢伟帅，吴美琰，林耀楠，黎平智，张涵博（.福建工程学院生态环境与城市建设学院，福州 35008；.福州大学环境与资源学院，福州 35008）



N-TiO2涂料对甲醛降解与霉菌抑制的研究

张 颢1，黄永捷2，王文明2，刘心中1，卢伟帅1，吴美琰1，林耀楠1，黎平智1，张涵博1
（1.福建工程学院生态环境与城市建设学院，福州 350108；2.福州大学环境与资源学院，福州 350108）

摘 要：利用氮掺杂二氧化钛光催化涂料对室内甲醛进行降解以及抑制霉菌的繁殖。对甲醛降解的研究表明：在自然光、初始浓度为1mg/m3、温度为35℃的条件下对甲醛的降解率达到82%。对霉菌抑制效果的研究表明：在自然光、涂膜层数为4层、含水率为10%的条件下，霉菌的覆盖率仅为4%。

关键词：涂料；二氧化钛；甲醛；霉菌

1 引言

甲醛能与蛋白质结合，人体吸入高浓度甲醛时会出现水肿、眼刺激、头痛等症状。高浓度甲醛还是一种基因毒性物质，长期吸入会引起人体免疫力下降导致出现中毒等症状。因此，室内存在的甲醛对人体的危害极大［1］。霉菌繁殖影响居室美观，情况严重时还会造成墙面掉落。人体长期接触霉菌，可引发呼吸道疾病和过敏等症状，例如支气管炎、扁桃体炎、花粉热、哮喘病等。免疫力低的人还可能因此引起头疼、发烧、皮肤或黏膜发炎等［2］。因此，控制墙体霉菌繁殖，延长墙体使用年限，净化室内空气，对人的健康以及环境都极为重要。

本文将氮掺杂二氧化钛光催化剂加入到涂料中制成氮掺杂二氧化钛光催化涂料，并将其用于对室内甲醛进行降解，同时起到抑制墙面霉菌繁殖的效果。

2 实验部分

2.1 实验药品与仪器

锐钛型二氧化钛粉末（市售）、尿素（surea）、无水乙醇（AR）、颜填料（市售）、去离子水、成膜助剂（市售）、流平剂（市售）、消泡剂（anti-foam agent）、增稠剂（市售）、中和剂（市售）、改性丙烯酸乳液（市售）、聚丙烯酸钠分散剂（市售）、立式行星球磨机（XQM-0.4L 长沙天创粉末技术有限公司）、数显恒温磁力搅拌器（85-2 型 上海浦东物理光学仪器厂）、电热恒温鼓风干燥箱（DHG-9053A 上海精宏实验设备有限公司）、气象色谱仪（GC900B 上海天普分析仪器有限公司）、玻璃平板、电风扇（市售）、pH计（PHS-3C 上海天达仪器有限公司）、培养皿。

2.2 氮掺杂二氧化钛的制备

称取4.0g锐钛型二氧化钛粉末与0.4g尿素在转速为700rpm的条件下行星球磨机磨1小时，得到氮与二氧化钛的混合物。将产物置于空气中于400℃下加热1小时。称取2g加热处理后产物，将30mL的乙醇溶剂，40g直径为5mm的球一起放入球磨机中于200rpm下细磨20min。将细磨产物置于80℃条件下边加热边磁力搅拌以挥发掉剩余的乙醇溶液。将产物于80℃的烘箱中干燥12小时，即得氮掺杂二氧化钛。

2.3 氮掺杂二氧化钛光催化涂料的制备

将20份去离子水、0.7份聚丙烯酸钠分散剂、适量消泡剂、2份成膜助剂等加入至碘量瓶中，搅拌均匀后加入4份自制氮掺杂二氧化钛，加快搅拌速度。得到水性胶体后，缓缓加入30份颜填料，保持搅拌速度30min，使胶体与填料充分分散混合。降低搅拌速度，加入40份改性丙烯酸乳液，完全搅拌均匀后，用适量中和剂调节pH值至8.5。最后加入1份增稠剂、1份流平剂，搅拌均匀后陈化24h，制得氮掺杂二氧化钛光催化涂料［3］。

2.4 甲醛降解实验

自制一个体积为1m3的环境测试舱，模拟室内环境。环境测试舱的尺寸为1×1×1（m） = 1m3，壁、地板、顶板均为厚度5mm的浮法平板玻璃，在环境测试舱顶部安装1台小型风扇，用于使环境测试舱内的气体分布均匀。舱体连接处用硅橡胶密封。将装有适量甲醛溶液的锥形瓶置于支架上，底部用酒精灯加热，甲醛气体通过引气管进入环境测试舱。

准备5块500×500（mm）的玻璃板，将制备好的涂料均匀涂抹在5块玻璃板的表面，干燥24h。将5块玻璃板组成一个箱式结构，制成二氧化钛反应器，开口朝下放入测试箱内，关闭测试舱，再将甲醛气体通过注射器注入到反应器中，开始进行实验。实验过程中每间隔1h将反应器中的甲醛气体通入气相色谱仪进行检测，进行5次。

2.5 霉菌抑制效果实验

将制备好的涂料均匀刷在直径90mm的无菌培养皿上，表面干燥之后刷涂第二遍，以此类推。保证刷涂涂料的表面平整，无污染，涂料完全干燥之后进行灭菌处理，根据实验条件的不同调节涂层层数和含水率等。

霉菌抑制效果计算采用网格计数法。判断霉菌抑制效果情况时，未满半格的视为该格未被霉菌覆盖，超过半格的视为该格被霉菌覆盖。最终的霉菌生长情况为总霉菌覆盖格数之和。

3 结果与讨论

3.1 氮掺杂二氧化钛光催化涂料对甲醛的降解研究

3.1.1 光源类型对甲醛降解效果的影响

保持氮掺杂二氧化钛光催化剂加入量为4g，甲醛初始浓度为1mg/m3，环境温度为20℃不变，研究不同类型光源对甲醛降解效果的影响，其中每1h取样测试一次，连续取5次样。结果如图1所示。

图1 光源类型对甲醛降解效果的影响

图1显示，自然光下涂料对甲醛的降解效果最好，无光源环境下甲醛的降解效果较低。氮掺杂使二氧化钛对光的响应范围有所拓展，在自然光条件下增强了对光谱的吸收率。无光环境下，氮掺杂二氧化钛光催化剂的效果未得到充分发挥。

3.1.2 甲醛初始浓度对甲醛降解效果的影响

保持氮掺杂二氧化钛光催化剂加入量为4g，光源为自然光，环境温度为20℃不变，研究不同的甲醛初始浓度对甲醛降解效果的影响。结果如图2所示。

图2 甲醛初始浓度对甲醛降解效果的影响

图2显示，甲醛初始浓度的大小决定了开始反应的反应动力的大小。甲醛浓度的差异使得在反应初期甲醛降解率差异较为明显，初始浓度越高，降解率越高。反应3h后，降解率的规律基本一致，均趋于饱和，且甲醛初始浓度越大，趋于饱和时的降解率越低，1mg/m3与2mg/m3降解率在5h时差异不大。

3.1.3 温度对甲醛降解效果的影响

保持氮掺杂二氧化钛光催化剂加入量为4g，甲醛初始浓度为1mg/m3，光源选用自然光，研究不同环境温度对甲醛降解效果的影响。结果如图3所示。

图3 温度对甲醛降解效果的影响

图3显示，环境温度对甲醛降解效果的影响较为明显，说明氮掺杂二氧化钛光催化剂降解甲醛的反应需要一定的能量，环境温度高，反应物相对运动加快，从而提高反应速率。

综上所述，氮掺杂二氧化钛光催化剂加入量为4g，甲醛初始浓度为1mg/m3，光源选用自然光，环境温度为35℃的条件下对甲醛的降解效果较好。

3.2 氮掺杂二氧化钛光催化涂料对霉菌抑制效果的研究

3.2.1 光源类型对霉菌抑制效果的影响

实验条件为：实验板涂层为4层，培养温度30℃，培养时间为2d，含水率为10%，研究不同光源类型对霉菌抑制效果的影响。结果如图4所示。

图4 光源类型对霉菌抑制效果的影响

图4显示，在有光源的条件下，不同光源类型之间霉菌覆盖率的差别不明显，可能是由于三种光源的光谱范围相对较广，氮掺杂二氧化钛光催化剂较活跃。无光源情况下，霉菌覆盖率较高。自然光下霉菌覆盖率最低。

3.2.2 涂膜次数对霉菌抑制效果的影响

实验条件为：自然光条件下，培养温度30℃，培养时间为2d，含水率为10%，研究涂膜次数对霉菌抑制效果的影响。结果如图5所示。

图5可知，涂层越多，霉菌覆盖率越低。但涂膜层数4层与3层相比，霉菌覆盖率大体相同。为经济考虑，涂料使用过程中，涂膜达到3层时对霉菌就具有较好的抑制效果。

图5 涂膜次数对霉菌抑制效果的影响

3.2.3 含水率对霉菌抑制效果的影响

实验条件为：自然光条件下，培养温度30℃，培养时间为2d，含水率为10%，研究含水率对霉菌抑制效果的影响。结果如图6所示。

图6 含水率对霉菌抑制效果的影响

由图6可知，随着涂料实验板中水分含量的增加，霉菌覆盖率有所上升，这可能是因为高含水率正好为细菌的生长提供了必要的环境要素，不利于涂料中光催化反应的进行。当含水率为10%时，霉菌的覆盖率仅为4%，表明干燥环境对霉菌具有较好的抑制效果。

4 结论

将氮掺杂二氧化钛光催化剂添加到涂料中，将其抹于墙面，能有效降解室内的甲醛，且对霉菌具有良好的抑制效果。

对甲醛的降解效果的研究表明：在自然光、甲醛初始浓度为1mg/m3、温度为35℃的条件下，氮掺杂二氧化钛光催化涂料对甲醛的降解率达到82%。

对霉菌抑制效果的研究表明：在自然光、涂膜层数为4层、含水率为10%的条件下，霉菌的覆盖率仅为4%。表明氮掺杂二氧化钛光催化涂料对霉菌具有良好的抑制效果。

参考文献：

［1］ 李艳莉，尹诗，黄宝妍.室内甲醛污染来源及其对人体的危害［J］.佛山科学技术学院学报：自然科学版，2003，21（1）：49-52.

［2］ 苏泽斌.墙面霉变的原因及对策［J］.山西建筑，2010，7，19（36）：144-145.

［3］ 耿启金.纳米TiO2改性多功能建筑涂料的制备与性能研究［J］.新型建筑材料，2005，12（10）：30-33.

中图分类号：X51

文献标志码：A

文章编号：1006-5377（2016）02-0025-03

Study of N-TIO2Coating on Degradation of Formaldehyde and Repression of Mildew

ZHANG Hao， HUANG Yong-jie， WANG Wen-ming， LIU Xin-zhong， LU Wei-shuai， WU Mei-yan，LIN Yao-nan， LI Ping-zhi， ZHANG Han-bo