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光觸媒產生自由基毫無機會吸入人體    

轉載 自中央大學 蔣孝澈 教授

   日前報載,有人提出警告,認為光觸媒口罩在照光後會產生自由基,假若此自由基被吸入肺部,可能造成穿孔。

    我相信此一說法應該是記者未將事情始末完整交代而斷章取義。因為簡單的學理就可以證明絕對不會有這種顧慮。首先,光觸媒照光後,的確會產生自由羥基。所有光觸媒之淨化空氣、淨化水質、親水易潔等能力,正是這些自由羥基、臭氧、過氧化氫、負氧離子等活性物質之氧化還原效果。但是光觸媒究竟會產生多少這類活性物質,又是否能被人吸入肺部,卻不可想當然耳的隨便牽扯。

  光觸媒所以會產生自由基,基本上是因為具有高能量之光子撞擊氧化鈦等半導體後,將一個電子由低能階激發到高能階,並在低能階留下一電洞。一般而言,激發之電子很快就落回原來能階並與電洞抵銷。僅有少數可以與吸附在光觸媒表面上之氧分子、水分子等反應形成自由基或負氧離子。所以只要知道每分鐘有多少光子撞擊到光觸媒,而多少比例之激發電子可以形成自由基,我們就可以估計自由基產生速率。

  究竟會有多少紫外光照射到光觸媒表面呢?就這點,我先要了解在室外夏日正午日光直射下,紫外光(365 nm波長)之照度約為每平方公分2~3毫瓦(mW),而室內靠窗處或午後在門邊之紫外光照度約為每平方公分1毫瓦。距離窗口門邊越遠的地方,紫外光強度越弱。到室內中,紫外光照度大約為每平方公分0.01毫瓦。

   就人造光而言,20瓦之紫外燈(或捕蚊燈)表面紫外光照度約為每平方公分2毫瓦。而20瓦螢光燈表面之紫外光強度就只有每平方公分0.2毫瓦。離開燈管50cm處,照度很快就降低約百倍。所以我們若以每平方公分0.1毫瓦之紫外光照度作為推論之依據應該可以適用通常狀況。

   我們可以根據此一照度,可以換算出大約一平方公分內每秒有200兆個具高能量光子撞擊。這些光子所激發之電子與電洞大部分馬上復合,只有小於百分之ㄧ的之電子或電洞可能擴散到表面,與吸附在光觸媒表面上之氧分子、水分子等形成活性自由基或負氧離子。所以,每平方公分0.1毫瓦之紫外光若都照射到光觸媒表面,每平方公分之光觸媒可以產生每秒兩兆個活性基。

兩兆個活性基好像是天文數字。難怪會引起一般人之疑慮。但是我們要知道,每立方公分的空氣中含有之分子數目,是兩兆乘上一千萬倍。而且這些分子快速運動、不停碰撞。在常溫常壓下,空氣中之分子每秒鐘要互相碰撞六十億次以上。自由基既然有高活性,只要幾次碰撞後就被空氣中氧氣、水分或其他自由基等捕捉反應掉了。所以光觸媒所產生知自由基壽命不到十億分之ㄧ秒。毫無機會被人吸入肺中。

    我們還可以更進一步計算自由基每次碰撞間可以移動多遠。此乃所謂分子之平均自由路徑長。在常溫常壓下,此一距離大約僅有一奈米。也就是說,光觸媒表面所產生之自由基,最多只能飛行數十奈米就會被空氣中其他分子捕捉掉。根本不可能進入呼吸道。

由這些學理我們還發現一有趣推論。假若光觸媒表面每平方公分每秒可以產生十兆個活性基,則光觸媒表面以上約一奈米高度之範圍內,幾乎全被自由基佔據。所以可以說,光觸媒在紫外光照射下,產生一個奈米尺度的自由基層。任何物染物分子、細菌等靠近到這個尺度,都會被反應掉。這或許是光觸媒為何可以歸類在奈米科技的真正原因。

當然,即使光觸媒產生的自由基在數十奈米距離內就被空氣中分子捕捉,但是萬一有幾個自由基逃離,我們仍然不放心。或者說,自由基與氧氣、水分等所產生之臭氧、負氧離子等是否仍會被吸入肺中,也要考慮。

在討論此一問題前,我們先要知道所謂乾淨空氣究竟有多乾淨。環保署過去花了很大努力,再台灣建立許多個空氣品質監測站。各位可以到環保署網頁內之空氣品質監測網上找到各地之空氣品質。就可以發現台灣各地空氣中,其實都含有臭氧。即使是空氣品質良好的情況,臭氧濃度也在20~40 ppb左右。

我們平常呼吸的時候,每分鐘約吸氣24次,每次約0.5升。假若我們以每平方公分0.1毫瓦之紫外光照射一個約100平方公分面積的光觸媒,又假設所有產生的自由基都轉化成臭氧後不會再分解。然後將口鼻湊到光觸媒最近的地方(先不要考慮光線被遮去),用最快的速度將所產生的臭氧都吸進鼻中。但是即使在這種極端不可能的情況下,所吸進空氣中的臭氧濃度也不超過20 ppb,與平常空氣沒有兩樣。所以我們可以很放心的說,報載所謂光觸媒所產生的自由基、會被吸進肺中造成穿孔云云,完全是危言聳聽製造新聞。 說到這裡,大家可以順便看一看前述環保署空氣品質監測網上關於空氣中懸浮微粒的數據。即使是空氣品質良好如台東地區,每立方米空氣中都含有約50微克左右之懸浮微粒。不論是微米還是奈米大小,懸浮微粒才是肺部最大的傷害。其實這也是大家帶口罩最大的目的,要將「灰塵」過濾。

註:懸浮微粒會造成多種病,請參考IAQ對人體之影響及.PM2.5懸浮微粒( Fine Particulate Matters)

 

 

 

                                                                                               
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