室内空气净化技术概论

室内空气净化技术概论纯属交流，谢绝他用摘要现代人平均有90%的时间生活和工作在室内。随着经济发展和人民生活水平的提高，室内装饰装修日益普及，伴随而来的则是室内环境污染问题越来越突出。世界卫生组织的调查表明：全世界每年因为室内空气污染而死于哮喘病的人数大约有10万人，其中35%是儿童；在国内，每年因室内空气污染引起死亡的人数已达11.1万人，每天大约死亡304人——平均每五分钟死一个人。室内环境污染已经成为继煤烟污染和光化学污染之后全球第三大空气污染。随着房屋装修业的发展，室内污染控制问题越来越受到人们的关注，本简述国内目前室内环境污染的主要类型、主要室内污染物的来源、危害，污染特点的基础上；对目前出现的主要室内污染治理技术进行了详细的比较分析，着重说明其各自的特点与利弊。关键词：室内环境污染、挥发性有机化合物、PM2.5、催化氧化、光催化、低温等离子体1.室内环境污染的类型、污染物来源、危害及污染特点室内环境污染一般可分为物理污染、化学污染、生物污染、放射性污染、颗粒物污染等五种类型。物理污染主要指室外交通工具产生的噪音、室内灯光照明不足或过亮、温湿度过高或过低等情况所引起的相关问题；化学污染主要指从装饰、装修材料、化妆用品中释放或排放出的无机和有机污染物；生物污染主要指由于室内不清洁及在湿度较大和通风较差的情况下，产生一些真菌等微生物，此外由于室内一些花卉而导致的花粉过敏也属于生物污染；放射性污染主要来自混凝土中释放出来的氡气及其衰变子体，还有由石材制成品如大理石台面、洁具、地板等释放的γ射线；颗粒物污染是指由室外进入或厨房烹饪过程中产生的颗粒物。目前，国内最突出的室内污染还是由装饰装修造成的化学污染，其中主要化学污染物有甲醛、苯系物、氨等挥发性有机化合物（VOCs）。甲醛污染主要来自家庭装修用的刨花板、纤维板、大芯板、胶合板、沙发用海绵、海绵床垫及墙壁、地面的装饰铺设用的粘合剂等。此外，一些化纤地毯、家具、塑料地板、油漆和用脲醛泡沫树脂作为隔热材料的预制板都会释放出甲醛。甲醛还可以来自化妆品、清洁剂、杀虫剂、消毒剂、防腐剂、印刷油墨、纸张等物质。室外空气中也含有甲醛，但很少。甲醛是世界上公认的潜在致癌物，其毒性危害主要表现为神经系统及呼吸系统症状，它刺激眼睛和呼吸道黏膜，最终造成免疫功能异常、肺损伤及神经中枢系统受到影响，如头疼、头晕、咽干、咳嗽等，而且还导致胎儿畸形。苯系物（苯、甲苯、二甲苯）为无色具有特殊芳香味的液体，是室内常见的挥发性有机物。苯系物来源于装修中使用的胶、漆、涂料和建筑材料的有机溶剂。高浓度苯蒸气可引起急性苯中毒。轻度中毒会造成嗜睡、头痛、头晕、恶心、呕吐、胸部紧束感等，并可有轻度黏膜刺激症状。重度中毒可出现视物模糊、震颤、呼吸浅而快、心律不齐、抽搐和昏迷。严重者可出现呼吸和循环衰竭，心室颤动。氨是一种无色而具有强烈刺激性的气体。室内氨主要来自混凝土的墙体。冬季施工过程中，在混凝土墙体中常使用以尿素和氨水作为主要原料的混凝土防冻剂，房子建成后氨气就从墙体中缓慢释放出来，造成室内氨污染。氨可麻痹呼吸道纤毛和损害黏膜上皮组织，减弱人体对疾病的抵抗力。吸入的氨容易通过肺泡进入血液，与血红蛋白结合，破坏其运氧功能。氨气刺激人的眼睛和气管，造成流泪、咽喉肿痛、呼吸困难等症状。室内空气颗粒物一般指悬浮在室内空气中的固体或液体微粒，包括来自室外的颗粒物、室内污染源释放的颗粒物以及室内外共有的颗粒物。按粒径大小可分为TSP(总悬浮颗粒物，即空气动力学直径小于或等于100μm的颗粒)、PMl0(可吸人颗粒物，即空气动力学直径小于或等于10μm的颗粒)和PM2.5(细粒子，即空气动力学直径小于或等于2.5μm的颗粒)，其中PM2.5可直接进人肺泡并沉积，导致与心和肺的功能障碍有关的疾病(如心血管病)，对人体健康构成较大危害。一般说来，颗粒物的粒径越小，就越易滞留在人体内;滞留的时间越长，所需的清除时间也就越长，越易使毒性物质转移到身体的其他部位，加剧对人体健康的危害即月。目前已知的PM2.5的化学成分包括可溶性成分(无机离子，如N03-、SO42-)、有机成分如多环芳烃(PAHs)等]、微量元素等。对颗粒物的化学组成研究表明，由较细小的颗粒组成的复杂结构集合体比由较大颗粒组成的简单结构集合体比表面积大，所以更容易吸附一些对人体健康有害的重金属和有机物，同时也使这些有毒物质在肺中更容易溶解，其毒性更大。室内微生物污染主要指有害微生物和致病微生物，其主要来源是人们在室内的活动,使微生物随飞沫与悬浮颗粒物飞扬于空气中。附着于悬浮颗粒物和飞沫上的许多致病微生物在通风不良、光照不足、空气湿度大的环境中，可保持较长的生存时间，很容易引起各种传染性疾病。另外，居民在室内饲养的猫、狗等宠物也会使微生物大量繁殖，很容易滋生真菌和细菌，,容易导致鼻炎、哮喘、湿热、齿槽炎、遗传性过敏皮炎等疾病。2.室内污染的主要特点（1）影响范围广。室内环境不同于特定的工矿企业环境，它包括居室环境、办公室环境、交通工具内环境、娱乐场所环境和医院疗养院环境等，故受危害的人群数量大，几乎包括了整个年龄组。（2）接触时间长。人一生中至少有一半的时间是在室内度过的，一些调查表明，既使浓度很低的污染物，长期作用于人体后，也会影响人体健康。（3）污染物浓度高。特别是刚刚装修完毕的房屋，从各种装修材料中释放出的污染物浓度均很高，并且在通风换气不充分的条件下污染物不易排放到室外，使得室内污染物浓度很高，严重时室内污染物浓度可超过室外的几十倍之多。（4）污染物释放周期长。对于从装修材料中释放出来的污染物，有研究表明：尽管在通风充足的条件下甲醛释放的时间也可达十几年之久，而对于放射性污染其发生危害作用的时间可能更长。3.室内环境污染的主要治理方法及优缺点比较如前所述，目前室内环境污染的主要特点在于由室内装饰装修材料所造成的化学污染比较严重，因此，目前国内市场上出现的室内污染治理技术主要针对治理化学污染。下面将常见的室内污染治理方法加以介绍，并分析其利弊。（1）炭吸附法对于低浓度的VOCs、CO2、SOx和NOx，吸附技术是一种比较有效且简便易行的方法。商业化的吸附剂有粒状活性炭和活性炭纤维两种，它们的吸附原理和工艺流程完全相同。其他的吸附剂，如沸石、分子筛等，也已在工业上得到应用，但因费用较高没有被广泛使用。吸附法：吸附剂所具有的较大的比表面积对废气中所含的VOC起到吸附作用，此吸附多为物理吸附，过程可逆；吸附达饱和后，用水蒸气脱附，再生的活性炭可循环使用。活性炭吸附法最适合处理浓度为300·10-6～5000·10-6的VCI有机废气，此法主要用于吸附回收脂肪和芳香族碳氢化合物、大部分含氯溶剂、常用醇类、部分酮类和酯类等，但能与活性炭发生反应的VOC、会发生聚合反应的VOC和大分子高沸点的有机物，不宜用该法回收。其优点在于物理去除，安全无害，可去除大多基态污染物；缺点是为了和空气充分接触，需要动力（电源），因此，只能对释放到空气中的气态污染物有效，另外，填料会饱和，需要定期替换。（2）光触媒（又称光催化）净化方法该技术由日本在1973年发明。“光触媒”的工作原理是采用纳米级的二氧化钛（TiO2）通过紫外线催化,产生游离电子及空穴，进而产生极强氧化作用的氢氧自由基，它可氧化分解各种有机化合物和部分无机物，使之分解成为无害的CO2、H2O和矿物酸，起到净化环境作用。光催化是二十世纪七十年代以来逐步发展起来的一门新兴研究领域。发现某些半导体氧化物材料，如TiO2，在光照下表面能受激活化可产生空穴和电子，这些光生电子和空穴能与吸附在表面的氧分子作用生成具高活泼和强氧化还原能力的羟基自由基和超氧阴离子自由基，从而可氧化分解有机物和某些无机物。半导体氧化物在这个过程中并不消耗，光照结束后会恢复原态，它所起的是媒介，即催化剂的作用。显然，光催化就是在催化剂存在下的光化学过程。大量的基础研究已经证明，有数百种主要的有机或无机污染物可在光催化下被完全氧化。光催化方法用于环境的污染治理，具有：一、可利用太阳能作能源，经济廉价：二、能在室温实现水、土壤和大气中有机污染物完全氧化，不产生二次污染；三、催化剂自身无毒；四、具有一般催化过程的基本特征，催化剂可长久循环使用。这些独特性能是传统的高温焚烧、常规的催化技术及吸附技术无法比拟的，被认为是一种理想的具有广阔应用前景的绿色环境治理技术，受到各国政府的高度重视和科学界的极力推崇。新近的研究还发现，TiO2光催化剂同时具有超亲水性可用于抗雾材料制备、具有灭菌、抗菌和杀灭病毒、癌细胞的作用，可用于自清洁材料的制备和医疗中。目前市场上见到的光催化空气净化器就是按照上述原理并针对居室环境污染情况设计的，虽然不同的机型内部结构不同，但其核心部件都包括一个由光催化剂载件和紫外光源组成的净化单元和吸排风机。工作时带有污染物的气体被风机吸入机内穿过催化剂单元，空气中的毒气分子由被光照的催化剂单元氧化分解成无毒物，流出的无污染物的空气再从净化器里排放到室内，房间的空气经过如此反复分批循环处理将得到净化。为了使机器的性能能长久稳定、催化剂能长期使用,不少此类净化器在设计时常加有其它的辅助单元，如万利达生产的YKJ-180型多功能光催化净化器还附有空气过滤单元和高压静电单元(用于除烟去尘)、负离子发生单元(使空气清新)和臭氧发生装置等。近年来，我们还研制出了光催化自清洁瓷砖，即将光催化剂溶胶通过提拉、旋转、喷涂、涂摸等方法覆着在建筑瓷砖的表面，再经过焙烧使之在瓷砖表面形成一层坚固的光催化剂膜。这种光催化瓷砖具有分解油污、杀菌灭菌等功能，可以用于厨房、卫生间的墙面。研究表明，光催化瓷砖还具有良好的灭菌和抑菌性能。当把一定数量的大肠杆菌和金黄色葡萄球菌转移到光催化瓷砖表面并光照20分钟，这些细菌杀灭率达90%以上；当把一个光催化瓷碟和经高温灭菌后的普通瓷碟放在同样的室内环境一周时间，发现普通瓷碟的表面有细菌滋生，而光催化瓷碟表面依然无菌如初。这说明光催化剂具有强的抑菌作用。利用光催化剂的这一性质可以制造有抗、抑菌的性能的厨房用具和卫生洁具。最近的检测还表明，砌于墙面的光催化瓷砖对于室内的有害有机气体还具有一定的氧化分解作用。该方法的优点是不消耗能源，可大面积喷涂。但是，长期以来，TiO2光催化材料在实际应用中，遇到了两大技术问题，一是必须有波长小于400nm的紫外光的存在，二是光催化效率仍较低、性能不稳定。“光触媒”作用的必要条件在于光线，在晚上无光照或家庭室内光照不足时，就不会产生作用，甚至由于突然无光对某些有害气体分解不充分，形成新的对人体有害的中间体。还有喷涂工艺要求较高，空气不流动时效率较低，覆盖无效，有可能产生少量二次污染，对壁纸、木制家具的油漆表面等会产生影响。（3）低温等离子净化方法低温等离子体内部富含电子、离子、自由基和激发态分子，其中的高能电子与气体分子（原子）发生非弹性碰撞时，将能量转换成基态分子（原子）的内能，发生激发、离解和电离等一系列现象，使气体处于活化状态，气体放电时产生高度非平衡等离子体，当气体分子获得的能量大于其分子键的结合能时，气体分子的分子键断裂，有害气体分解成单质无害气体分子。等离子体作为物质存在的第四态,是由电子、离子、自由基和中性粒子所组成。但它与普通气体有本质的区别：首先，它是一种导电流体，而又能在宏观尺度内维持电中性；其次，气体分子之间不存在净电磁力(即带电粒子之间不存在净库仑力)，这也是区别于一般电离气体的特征。等离子体按粒子的温度的不同大致可分为热平衡等离子体(Thermalequilibriumplasma)和非热平衡等离子体(Non-thermalequilibriumplasma)。在热平衡等离子体中，离子温度和电子温度相等；而非热平衡等离子体中离子温度和电子温度不相等，电子的温度很高，可达数万度，而中性气体分子的温度只有300~500K。因此整个体系的温度还是很低，低温等离子体(Coldplasma)也由此得名，也叫非平衡态等离子体。影响等离子体的因素很多，如：放电形式、气体压强、电极形状等对等离子体会