CN1226051C - 一种室温下催化空气中氧气消毒和净化室内空气的氧化催化剂 - Google Patents

Abstract

一种用空气中氧气作为氧化消毒剂的催化剂和消毒方法，其特征在于该催化剂可以在室温条件下吸附并氧化杀灭空气中的病毒、细菌和霉菌等微生物，同时氧化清除空气中的挥发性有机物和一氧化碳，而不需要加热和光照。该催化剂由负载在多孔性无机物载体上的铂、金、银、钯、铜、铁、钛、锆、锡、钨、钼、铈金属群中的一种或多种金属组分构成，各金属组分的负载量分别为0.1-50%(金属元素重量换算值)。该催化剂可以按照不同的使用要求预先加工成任何形状，放置在任何通风良好处即可自动进行空气消毒和净化，不需要加热和光照。例如，可以涂敷于中央空调、大楼通风过滤系统、或独立空调空气过滤介质上，或涂敷在室内墙壁、纱窗、口罩和防护服上使用。

Description

一种室温下催化空气中氧气消毒和净化室内空气的氧化催化剂

技术领域

本发明属于环境催化技术领域，涉及催化空气中的氧杀灭吸附在催化剂表面的微生物，同时氧化清除空气中挥发性有机和无机污染物，在室温下达到消毒空气和净化空气的目的，提高室内空气质量。

技术背景

自我国非典型性肺炎疫情发生以来，室内和通风系统的污染及病毒传播受到空前重视。收治SARS病患的医院对室内空气卫生的措施主要是通风换气、药物消毒和限制使用中央空调。然而问题是，大量使用消毒剂会对人体和生态环境造成不良影响，而炎热夏季中也不得不使用空调。

即使是医院之外，室内空气污染的问题也相当严重。现代的建筑物也越来越倾向于使用相对密闭的空调系统，现代人的时间也越来越倾向于在室内度过(约90％)，他们暴露于各种室内空气污染物中，例如挥发性有机物、一氧化碳和微生物。特别是受污染的中央空调系统可以成为细菌、霉菌和病毒的滋生地，强制通风可将微生物在整个建筑物中扩散。

室内微生物和有害化学物质可以引起人的各种不适和严重的的疾病，统称为“污染建筑物综合症”，著名的军团病就是其中已经定案的一例。

鉴于化学消毒法会带来严重的生态环境问题，目前光催化氧化技术已经被提案用来净化和消毒室内空气。特别是半导体材料，如二氧化钛被发现能够在紫外线的照射下降解有机物并杀死细菌。但是应用上的主要问题是，作为室内空气净化和消毒设备，系统过于复杂导致成本昂贵，如专利96197457.5和98240831.5。更为严重的是，紫外线的使用除了导致系统复杂外，还能引起空气的电离，造成新的空气污染。另外，紫外线的不慎外泄可以导致人体直接伤害。

发明内容

本发明针对上述问题，提供一种不需要紫外光源也不需要任何能源的空气自氧化催化剂和使用方法，在环保和节能的前提下达到杀灭微生物和净化空气的目的。

本发明的科学原理简述如下。现代表面科学的研究结果显示，室温下氧气吸附在许多过渡金属和一些贵金属表面时可以解离成吸附状态的氧原子或带电荷的过氧或超氧自由基。例如在室温下铂的表面上，氧分子极端倾向于解离成氧原子吸附，只有在低于-100℃时才能在铂的表面上发现分子状态的吸附氧。伴随着这些吸附物种的形成还总有化学吸附热产生，从80kJ/mol的银到几乎高达800kJ/mol的钨。我们在近期的研究中发现了一种负载型纳米尺度高度分散的金属催化剂，可以在室温下高效氧化净化空气中的一氧化碳和有机污染物。这些科学发现强烈地暗示了这样一种可能性，即利用空气中的氧和特定的金属催化剂表面平台，有可能达到和过氧乙酸等常用化学消毒剂类似的对病毒和细菌的氧化消毒效果。由于产生于催化剂表面的高活性的氧原子和自由基只能以正常的氧气分子的形式脱离催化剂表面，所以这种催化空气氧化消毒不会给人体和环境带来任何副作用。

本发明的催化剂由负载在多孔性无机物载体上的铂、金、银、钯、铜、铁、钛、锆、锡、钨、钼、铈金属群中的一种或多种金属组分构成。各金属组分的负载量分别为0.1-50％(金属元素重量换算值)。多孔性无机物载体可以是三氧化二铝、氧化铈、氧化铁、二氧化硅、沸石、海泡石、二氧化钛、二氧化锆、氧化锌、氧化镁、二氧化锡其中的一种或一种以上氧化物的混合物，或其复合氧化物，包括磷钨杂多酸、硅钨杂多酸、硼杂多酸、锗钨杂多酸、钴钨杂多酸。前述的多孔性无机物载体应有10平方米/克或更大的比表面积，优选为30平方米/克或更大的比表面积。

多种金属组分可以同时或以任何先后顺序负载在同一多孔性无机物载体上构成催化剂，也可以分别负载在不同多孔性无机物载体上通过混合构成催化剂。金属组分在多孔性无机物载体上的负载，可以是浸渍法、共沉淀法，溶胶-凝胶法、络合法和离子交换法，或以上方法的联合使用。负载在多孔性无机氧化物载体上金属组分有平均5-500纳米的粒径，优选为平均10-50纳米。前述金属组分可以是该金属或该金属的氧化物以及任何一种无机盐的形式而不改变其作用。

本发明的催化剂可以按照不同的使用要求预先加工成任何形状，例如，可以涂敷于中央空调、大楼通风过滤系统、或独立空调空气过滤介质上，或涂敷在室内墙壁、纱窗、口罩和防护服上使用，可自动进行空气消毒，不需要加热和光照。本发明特别适用于需要封闭循环且需要减少异味和防止微生物滋生的过滤系统，通过空气循环可以使微生物吸附在催化剂表面并被氧化灭活和分解，同时不断地氧化清除空气中的挥发性有机物和一氧化碳，达到空气消毒和净华的目的。本发明可以应用于一般建筑物，还可用于医院，包括SRAS病房和对空气的无菌状态要求非常严格的手术室。

本发明的催化剂和使用方法和现有技术相比，具有如下优点：

(1)本发明的催化剂以使用廉价金属为主，不使用或使用很少量高度分散的贵金属，制备工艺简单，制造成本低廉。

(2)本发明的催化剂可以利用和空气的接触催化氧化，自动消毒和净化空气，不需要紫外光源和热源，设备简单，运行成本低廉。

(3)本发明的催化剂在对空气消毒和净化过程中不会对人体和生态环境构成任何伤害。

为了更清楚地说明本发明，列举以下实施例，但其对本发明的范围无任何限制。

实施例1

取100克γ-三氧化二铝粉末浸泡于所定浓度的硝酸铈、硝酸铁和氯铂酸的混合水溶液中，搅拌1小时，在90℃过夜干燥后，在空气中阶段性地从100℃升温至500℃，保持3小时，降至室温，即获得实施例1催化剂。制成品催化剂的铂组分负载量为0.1％(金属元素重量换算值)，铁组分负载量为15.0％(金属元素重量换算值)，铈组分负载量为5％(金属元素重量换算值)。

实施例2

将0.5克实施例1催化剂放置于管式固定床反应器中反应，实验条件如下所示：

体积组成：氮气：78％，氧气：20％，水蒸气：1％，一氧化碳：1％，反应空速(GHSV)为10,000/小时。在25℃，一氧化碳到二氧化碳的转化率为30％。在30℃，一氧化碳到二氧化碳的转化率为45％。在35℃，一氧化碳到二氧化碳的转化率为55％。

实施例3

将0.5克实施例1催化剂放置于管式固定床反应器中反应，实验条件如下所示：

体积组成：氮气：78％，氧气：20％，水蒸气：1％，甲醛：50ppm，反应空速(GHSV)为10,000/小时。在25℃，甲醛到二氧化碳的转化率为15％。在30℃，甲醛到二氧化碳的转化率为20％。在35℃，甲醛到二氧化碳的转化率为30％。

实施例4

将0.2克实施例1催化剂在20大气压下压成直径1厘米的圆片，室温25℃下大气中，将酵母菌悬液(Debaryomyces polymorphus，10⁸，20μl)滴在催化剂表面。培养实验结果显示，5分钟的杀菌效率超过99.8％。对照实验显示，同样条件下滤纸以及三氧化二铝载体没有杀菌效果。

实施例5

将0.2克实施例1催化剂在20大气压下压成直径1厘米的圆片，室温25℃下大气中，将大肠杆菌悬液((DH5α，Amp⁺，10⁸，20μl)滴在催化剂表面。培养实验结果显示，5分钟的杀菌效率达到100％。对照实验显示，同样条件下滤纸以及三氧化二铝载体没有杀菌效果。

实施例6

将0.2克实施例1催化剂在20大气压下压成直径1厘米的圆片，室温25℃下大气中，将SARS病毒(TCID₅₀，106，100μl)滴加至催化剂表面，5分钟收集病毒液，接种Vero细胞，结果发现无明显病毒感染和生长。对照实验显示，同样条件下滤纸对照组病毒感染力未见下降。

Claims (4)

1.一种利用催化剂和空气中的氧气来杀灭空气中的病毒、细菌和霉菌的消毒方法，其特征在于该催化剂可以在室温条件下吸附并氧化杀灭空气中的病毒、细菌和霉菌；该催化剂活性组分为铂、金、银、钯、铜、铁、钛、锆、锡、钨、钼、铈金属群中的一种或多种金属组分构成；该催化剂的载体是三氧化二铝、氧化铈、氧化铁、二氧化硅、沸石、海泡石、二氧化钛、二氧化锆、氧化锌、氧化镁、二氧化锡其中的一种或一种以上氧化物的混合物。

2.如前述权利要求1所述的消毒方法，其特征在于病毒为SARS病毒。

3.如前述权利要求1所述的消毒方法，其特征在于细菌和霉菌分别为酵母菌和大肠杆菌。

4.如前述权利要求1所述的消毒方法，其特征在于该催化剂活性组分由铂、铁、铈三种金属组成。