室内空气净化技术的研究进展及应用

-1-室内空气净化技术的研究进展及应用摘要：现今，室内空气污染已严重危害到人体的健康，并成为世界性的问题，对室内空气净化技术的研究显得十分必要。文章重点介绍目前主要的室内空气净化技术和方法，分析其作用原理和应用范围、各种技术的优缺点及研究进展，最后对净化技术的研究方向和前景进行了展望。引言室内空气污染早在上世纪60年代中期就已出现，随着人们生活水平的提高，装修业日益兴起，室内空气污染问题也日趋严重。人类有90%的时间是在室内工作和生活的，其中60%左右的时间是在家里。据有关国际组织调查，全世界每年有280万人直接或间接死于装修污染，世界上30%的新建和重修的建筑物存在有害于健康的室内空气污染[1]。因此，对室内空气的净化也变得越来越重要。室内空气净化是借助专门的系统分离或转化室内空气污染物，使其从室内空气中分离出来，或转化成无害的物质。该法特别适用于污染源控制和通风不能解决的室内空气污染的场所。目前应用较为广泛的室内污染物的净化技术主要有：吸附净化技术、离子化技术、光催化氧化技术、生物净化技术、植物净化技术等。1单一室内空气净化技术1.1吸附净化技术吸附净化技术是利用多孔性固体吸附剂处理气体混合物，使其中一种或多种组分吸附在固体表面上，从而达到分离的目的。吸附技术由于脱除效率高，富集功能强，适用于几乎所有的恶臭有害气体的处理，因而是脱除有害气体比较常用的方法，分为物理吸附和化学吸附两种。近来开发的活性碳纤维(ACF)具有吸附容量大、吸附速度快、对低浓度物质的吸附性能特别优良、再生条件不苛刻，还兼有催化氧化等特点，引起了人们广泛关注。C.H.AO和S.C.Lee对ACF与光催化结合净化室内空气中的VOCs进行-2-了研究，结果表明，即使在十亿分之一浓度水平，仍可取得满意效果[2]。1.2膜分离净化膜分离净化技术是一项简单、快速、高效和经济节能的新技术，是利用各组分在压力推动下透过膜的传质速率不同而达到分离的目的。目前用于分离气体的合成膜主要有有机聚合膜和无机膜两种类型。有机膜具有分离系数高的优点，但它耐热和耐腐蚀性差，使用过程中易老化，易堵塞，气体分离通透性低。目前用于室内空气中挥发性有机物的净化的研究还未见报道。无机膜分离技术已广泛应用于空气分离制取富氧、浓氮的气体及天然气分控制等领域，龚圣等[3]对利用无机陶瓷膜净化室内空气做了相关报道，但其对室内低浓度VOC的去除效果并不理想。而有机膜具有高的分离系数，因此怎样使两者有机结合起来，扬长避短，优势互补，也已成为研究的热点。1.3生物过滤技术生物法净化有机废气的研究，国外是从20世纪80年代初逐步展开的，最初应用是在堆肥场和动物脂肪加工场的有机废气脱臭处理方面。目前主要用在处理低浓度、高流量的臭味、氨氮化合物以及有机挥发性气体等，尤其是针对苯、甲苯、乙苯及苯乙烯的研究处理已经成为当前研究的一个热点。而国内是从20世纪90年代开始，利用生物技术处理挥发性有机污染化合物。金耀明[4]等利用生物膜分离技术分离醇、醛、酮和苯、甲苯、乙苯、二甲苯以及苯乙烯等简单的芳香族化合物，效果非常明显。殷峻等[5]进行了泥碳生物滤塔处理低浓度H2S恶臭气体的实验，去除率达到99%以上。生物过滤法有其广泛的前景，具有独特的优点，投资少、操作简单、运行费用低、可靠安全、较强的恶臭去除能力、能耗低、不受冬季寒冷气候的影响，如果设计得当，运行和维护费用很低。主要缺点是占地面积大、难以控制滤料的均一性、透气性、湿度、温度和pH等至关重要的操作参数。-3-1.4静电技术静电技术在工业除尘中的应用已有近100年历史，将其应用于小环境的空气净化是一种较新的空气净化方法。它主要是利用高压静电场形成电晕，在电晕区里有自由电子和离子逸出，这些带电粒子就会在运动中不断地碰撞和吸附到尘埃颗粒上。从而使灰尘带上电荷，荷电后的粉尘等微粒在电场力作用下，就会沉积并滑落，使空气中的颗粒物和尘埃等除去，达到使空气洁净的目的。但是其除菌的具体效果还有待进一步验证，而且该方法不能有效除去室内空气中的有害气体如VOCs等[6]，同时，该技术的使用会产生臭氧，而臭氧对人体是有害的[7]，静电技术还存在吸附不彻底的缺点[8]。1.5纳米TiO2光催化技术在光作用下，纳米TiO2能把空气中的甲醛、氨气、苯等有害气体转化为无毒化合物，对环境空气起到极好的净化作用，并能避免二次污染的发生。王晓强等[9]在净化空气多功能内墙涂料的制备及其性质研究中得出：随着光照时间的延长，不含纳米TiO2的样品箱内甲醛浓度几乎没有变化，而在含有纳米TiO2的样品箱内甲醛浓度逐渐下降。在纳米TiO2含量分别为1%、2%、3%时，甲醛降解率分别为81.4%、86.1%、92.3%，在3%时降解率达到最大。陈小泉[10]等对纳米TiO2晶体胶体膜的光催化降解作了研究，在某100平方米居民楼居室，测浓后，进行纳米胶体处理，施工一周后，按相关标准测定残留浓度。其结果见表1-1：表1-1纳米胶体对实际居室空气的净化效果单位：mg/m31.6低温等离子体净化技术低温等离子体净化技术去除气态污染物的作用机理：常压下，气体放电产生-4-的高度非平衡等离子体中，数万度的电子温度远高于气体温度，此种特性对治理有害气体具有极其重要的价值。这种高度非平衡等离子体中含有大量的激发态、亚稳态、游离态粒子以及各种离子、电子和光子等。它们的能量和部分气体分子结合能如表1-2所示[11]，从表中的数据比较可以看出，这些活性粒子的化学性质比基态分子活跃得多。在电场作用下，气体分子处于激发态，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，有害气体分子直接分解成单质原子或由单一原子构成的无害气体分子。表1-2低温等离子体能量和一些气体分子的键能袁旭东等[12]对低温等离子体净化室内挥发性有机物方面作了研究，汇总了几种挥发性有机物在低温等离子体作用下的分离效率，如甲烷为29％，丁烷为58％，乙烯为96％，三氯乙烷为90％，三氯乙烯为99％，四氯乙烯为99％等。目前，对于低温等离子体净化技术的研究或改进不断的进行着，特别是低温等离子体与光催化相结合方面。二者如果结合运用，能够有效的发挥各自的优点，相互协同作用，能够更快的分解空气中的有害物质和灭菌除臭，在一定的程度上能够提高其净化效率。1.7负离子技术空气负离子净化技术的原理为：空气中的负离子能与空气中的微小污染颗粒相吸附，成为带电的大离子，而沉降下来。在污染物沉积的过程中，负离子的数目也在大量的减少。此外，负离子还能起到消毒与灭菌的目的。适当浓度的负离子对人体的生理功能有某些促进作用，但负离子并不能真正的清除室内空气中的污染物，把它们-5-排出室外，只是单纯的使其附着在地面或家具表面上，有可能因飞扬再次污染室内空气。冯艳文等[13]应用天然矿物的改性活化技术和纳米稀土激活技术研制的健康环保型建筑内墙涂料，不仅具有较为优越的常规性能，还集无污染、抗菌、防霉、辐射远红外线、释放负离子等对人体健康有益的功能于一身。负离子技术也可应用到建材上，如负离子涂料，其能够持续释放的负离子与室内污染源持续释放的有害气体（正离子）不断中和、降解，可长期起到去除甲醛的作用。1.8其它净化技术绿色植物净化技术是靠绿色植物自身的阻滞吸收、贮藏和转化作用降低室内污染物的浓度提高室内空气品质，以降低对人体的损害。绿色植物能净化室内空气，保持室内空气有较高的品质。能净化空气中污染物的植物主要有芦荟、吊兰、绿萝、君子兰、仙人掌、鹅掌柴、美人蕉、常春藤和文竹等。李庆君[14]对7种观赏植物吸收甲醛能力进行了测定，结果为海芋绿萝虎皮兰绿宝石佛肚竹肉桂，且2年生的虎尾兰吸收甲醛的能力强于5年生的虎尾兰。黄爱葵[15]用改良Wolvertio的试验装置，对4种植物净化苯及甲醛能力进行了研究结果表明，爱玉合果芋黄金葛金边虎尾兰吊兰；但对4种植物在苯环境中的生理抗性研究表明，爱玉合果芋吸收苯的效果最好，并且抗性最强，其次是黄金葛、金边虎尾兰，吊兰的抗性最差，有个别叶片叶尖出现枯萎现象，其它植物叶片表面未出现变化。说明植物在有较高污染物浓度的环境下，其生理状况会发生变化，在一定程度上影响其生长。选择植物净化室内空气的前提是轻度污染。应有针对性地根据污染物种类，选择所需要的植物进行净化。紫外线消毒净化技术主要是用于消毒真菌、细菌。紫外线消毒装置平均去除空气中菌数效率能达到84%以上。臭氧净化技术原理是以普通空气通过高压电场，使空气中的氧电离，并迅速合成臭氧，它克服可紫外线及一些常用化学消毒剂的不足之处。另外，对室内空气污染防治新技术、新方法的研究取得了显著的进展，相继开发出遮盖法、相消法、掩蔽法、冷凝法、高温燃烧法和湿式除气法(吸收法)等一系列新方法、新技术。-6-2多种控制技术的组合上述的各种单一净化技术，虽然在某些污染物的去除上取得了满意的效果，但由于室内污染物来源广，种类多，各种净化技术受限于自身的局限性，表现在：(1)只能对一种或几种污染物具有良好的净化效果，而对其它污染物却无能为力；(2)反应生成的副产物会造成二次污染；(3)有些副产物如O2或O3等会影响净化效果；(4)受环境因素影响较大；(5)能耗偏大，能量的利用率低。上述单一的方法均存在一定的局限性，无法全面祛除室内空气污染，必须进行综合使用各种技术，将多种技术融合，取长补短，才能彻底解决室内空气污染问题。程琰[16]等的研究报道，发展组合技术是技术发展的趋势之一，如活性炭吸附技术与光催化技术的组合，活性炭的吸附能力使气态污染物富集到某一特定的环境，从而提高了光催化氧化反应速率，而且可以吸附中间副产物使其进一步被催化氧化，达到完全净化。另外，由于被吸附的污染物在光催化剂的作用下参与了氧化反应，使活性炭得以再生，从而也延长了活性炭的使用周期。文远高[17]等提出了依次采用多种控制技术的组合来控制和解决室内空气污染方案，静电除尘用于去除空气中的颗粒物及尘埃；活性炭用于可吸入粒子的进一步净化，同时吸附空气中的部分有害气体；光催化氧化系采用光源照射纳米材料（如TiO2）有效分解甲醛、苯、氯乙烯等有机污染物和SOX、NOX等无机物；光源一般采用紫外光，其兼有除臭、杀菌等功能；负离子发生器产生负氧离子，能使空气清新，有助于消除人体疲劳，同时可中和空气中带正电的微粒。该方案处理过程较复杂，需定期更换吸附材料，实际应用中效果如何有待进一步研究。3结论与展望目前，室内污染物种类繁多，成分复杂，包括无机物、VOCs、微生物等。尽管各种净化技术有其优势，但基于单一净化技术的局限性，在室内空气净化的研究方面人们积极探索联合处理方法。现阶段，根据所处理的污染物类型的不同，将目前主要的室内净化技术(静电、过滤、吸附、光催化、等离子、负离子、膜技术以及生物技术等)合理地结合在一起，综合各种方法的优势，弥补单一方法-7-的不足。为此，学者们将高效滤料用于室内空气污染物净化，高效滤料结合了过滤吸附，电化学氧化还原，离子化相结合，即避免了单一净化技术的弱点，又可以反复冲洗利用，是当前用于室内空气净化方法中最具有生命力的新方向之一。结合室内空气污染及其控制技术的应用现状，提出以下几点展望。（1）采用综合方法，净化室内空气污染。现有的技术都各有长短，单凭某一种技术很难达到理想的效果。发展组合技术是技术发展的方向之一。（2）选用经济合理、无二次污染或副作用的技术。技术是否实用很大程度上取决于其经济性；有违“技术绿色化”趋势的技术缺点，必不利于实际应用。（3）开发一体化、小型化的空气净化装置。由于室内空气污染涉及到污染物的种类多样，目前使用的空气净化器都不是采用某个单一的技术手段，而是针对所需去除污染物的种类，采用多种技术进行优化组合的复合式技术手段。（4）以装饰治理装饰污染，开发具有净化功能的建筑装饰材料。空气净化材料与建筑装饰材料实现复合，充分发挥后者的载体功能，以装饰治理装饰污染，该方法从源头进行防治，是一种值得考虑的方法。参考文献[1]陈晓东.中国室内装修污染及健康危害研究进展[J].中国公共卫生，2003，19(10)：126