室内空气净化技术

室内空气净化技术当今，人类正面临“煤烟污染”、“光化学烟雾污染”之后，以“室内空气污染”为主的第三次环境污染。美国专家检测发现，在室内空气中存在500多种挥发性有机物，其中致癌物质就有20多种，致病病毒200多种。危害较大的主要有：氡、甲醛、苯、氨以及酯、三氯乙烯等。大量触目惊心的事实证实，室内空气污染已成为危害人类健康的“隐形杀手”，也成为全世界各国共同关注的问题。研究表明，室内空气的污染程度要比室外空气严重2-5倍，在特殊情况下可达到100倍。近几年，我国相继制定了一系列有关室内环境的标准，从建筑装饰材料的使用，到室内空气中污染物含量的限制，全方位对室内环境进行严格的监控，以确保人民的身体健康。因此，人们往往认为现代化的居住条件在不断的改善，室内环境污染已经得到控制。其实不然，人们对室内环境污染的危害还远未达到足够的认识。最严近年来，室内空气质量问题逐渐成为人们关注的热点。随着现代人生活和工作形态的改变，在室内环境中的时间日益增长，有学者将“室内空气污染”视为继“煤烟型”，“光化学烟雾型”空气污染后进人第三时期污染的标志。我国空气污染在世界已属于少数污染最严重的国家之一，不仅如此，有文献表明，室内空气的污染程度甚至是室外空气的5.10倍。因此，如何去除这些污染物，改善室内空气质量已成为一个待解决的问题室内空气污染物类型室内污染物的类型是多种多样的，造成室内空气污染的原因也是多方面的，目前我国室内空气污染主要有：①建筑材料、装饰材料、家具和家用化学品释放的甲醛和挥发性有机污染物(VOC)等有害气体。②各种燃料燃烧、烹调油烟及吸烟产生的CO、N02、S02、甲醛、多环芳烃和细微颗粒物等污染物：室内淋浴和加湿空气产生的卤代烃等化学污染物。③家用电器和某些办公设备导致的电磁辐射等物理污染和臭氧。④室内环境是人们生活和活动的主要场所，人们每天有80%〜90%的时间是在室内度过的，通过人体呼吸、汗液等排出的氨类化合物、硫化氢、苯和甲苯等污染物以及通过咳嗽、打喷嚏等喷出的流感病毒、结核杆菌和链球菌等生物污染物u。.总的来说，根据污染物来源和性质的不同，可以将室内空气污染物分为颗粒污染物、微生物和气态污染物，其中，气态污染物是室内空气主要的污染物。室内空气净化技术概述目前，室内空气的净化技术主要有过滤、吸附、低温等离子体、光催化、静电以及负离子等技术，另外一些新型空气净化技术如冷触媒、微生物技术等也有所报道。2.1机械过滤式空气净化技术机械过滤式净化技术一般多用于小型空气过滤器，其通过多孔性过滤材料来实现的。室内空气经过风机加压后通过过滤材料，把悬浮在气流中的大于或接近过滤材料孑L径的固体微粒或液体微粒截留而收集下来，从而达到净化空气的目的。这仅仅是一个物理过程，显然，它只能有效去除空气中一定粒径范围的颗粒污染物，但对气态污染物却无法去除。因而，过滤式净化技术对于净化空气污染物不够完善，总体净化效果不佳。2.2过滤吸附型空气净化技术由于空气中颗粒污染物和气态污染物的性质完全不同，因而应分别采用不同的净化机理予以去除。这种净化技术符合这一原则，将普通空气过滤技术与吸附材料的吸附技术结合起来，利用吸附材料对气体具有较强吸附能力的特点，提高了对气态污染物的净化效果，在总体上改善了净化性能，还适用于几乎所有的恶臭有害气体。而且脱除效率高，富集功能强，从而使其成为脱除有害气体比较常用的方法，是目前最常用的空气净化技术。但由于吸附材料存在吸附饱和状态，再生麻烦，对分子量小、沸点低的物质吸附效果差，实际使用还不够方便。吸附法是利用活性炭、分子筛、硅胶、活性氧化铝等具有吸附能力的物质吸附污染物来达到净化室内空气的目的。吸附法包括物理吸附和化学吸附，它几乎适用于所有恶臭有害气体，且脱除效率高，是脱除有害气体常用的一种方法。用作吸附材料的物质主要为活性炭，它具有表面积大、吸脱速度快、吸附容量大等优点，但是活性炭纤维的应用仍处于探索阶段，性价比较低，影响了其应用范围。对于吸附方法而言,也存在着吸附饱和的问题，当吸附材料达到饱和状态时得注意及时对其进行更换，这也制约着该技术的广泛使用。2.3等离子体空气净化技术等离子空气净化技术就是利用介质放电，在电极间加上电压电晕放电，产生大量的离子、电子、自由基和激发态分子等活性粒子，活性粒子与气体分子碰撞使气体分子键打开，同时又产生如-OH等自由基和氧化性极强的03,氧化分解空气污染物，从而达到处理净化空气的效果。该技术净化能力强，受到广泛关注，但降解不彻底，会产生二次污染。低温等离子净化法是在常温常压下利用高压放电来获得非平衡等离子体，大量高能电子的轰击会产生・O和・OH等活性粒子,一系列反应使有机物分子最终降解为CO2、H2O。其催化净化机理包括两个方面[4]:①在产生等离子体的过程中，高频放电产生的瞬时高能量破坏某些有害气体的化学键,使其分解成单原子或无害分子；②等离子体中包含了大量的高能电子、离子、激发态离子和具有强氧化性的自由基，这些活性粒子的平均能量高于气体分子的健能，它们和有害分子频繁碰撞，气体分子的化学键破裂生成单原子和固体颗粒，同时产生的-OH、・HO2、•O等自由基和O3与有害气体分子反应生成无害产物。等离子体净化法可净化的污染物粒径达纳米级,比传统方法降低了数个数量级,具有很好的发展前景。低温等离子技术与其他室内空气净化技术相结合可以起到更好的净化效果，典型的等离子空气净化装置主要有采用光催化的等离子体空气净化装置和与静电收集器结合的空气净化装置。2.4光催化空气净化技术光催化氧化技术是建立在N型半导体能带理论基础上的，其实质是在光电转换中进行氧化还原反应。当N型半导体吸收一个能量大于或等于禁带能量的光子后，进入激发状态，此时价带上的受激发电子越过禁带而进入导带，同时在价带上形成光致空穴。光致空穴h十具有很强的捕获电子的能力，而导带上的光致电子e'又具有很强的活性，在Ti0表面形成了氧化还原体系。h+和e与空气中的水分和氧气发生氧化还原反应产生2氧化能力非常强的・OH等基团，可以氧化、分解有机污染物，最终将其分解为C02和H0。常见的可以用作光催化剂的N型半导体种类很多，如Ti0、W0、SrTi03、BaTi0、KaTi0、Fe0和In0等，其中w0、Fe0和In0具有较窄的禁带宽度（分3 3 23 23 3、 2,32、，3别为2.7ev、2.2ev、2.8ev）对可见光敏感，但稳定性差：Ti02禁带宽度为3.2ev，性质与SrTi0等相近，仅对紫外光敏感，对可见光利用率低，但其化学稳定性好、难溶、对人体无毒、来源充足、成本低，所以绝大多数的光催化反应的研究都采用Ti0作为催化剂。光催化氧化虽然具有化学性质稳定，氧化还原性强，使用寿命长等优点，但当污染物浓度较低时，光催化降解速率较慢，而且会生成许多有害的中间产物，影响净化效果。催化净化法是在催化剂的作用下，将有害气体氧化分解成无害物质的一类方法的总称。以TiO2光催化剂为例，其净化原理是TiO2在受到阳光或荧光灯的紫外线照射后，其内部电子（即空穴对）受激发，产生具有强氧化分解能力的活性氢氧（羟）基原子团。在光、氧、水的作用下可降解几乎所有附着在氧化钛表面的各种有机物，如氢化物、氮氧化物、硫化物、氯化物等。催化净化法分为传统催化法、等离子体催化法和纳米材料光催化法等。室内空气污染物的浓度一般比较低，所以对于传统催化法而言，其运行费用比较高，因而应用范围受到了限制。目前用得比较好的有等离子体催化技术和纳米材料光催化技术。等离子体催化技术几乎对所有有害气体都有很高的净化效率，但是易产生CO、03，需增加进一步氧化和碱吸收的后处理过程，且设备费用昂贵，因此在应用方面也有一定的局限性。纳米光催化技术是最新发展起来的技术，能耗低、操作简单、无二次污染，有很好的发展前景。2.5其它空气净化技术另外，负离子、静电式等净化技术也都广泛应用于空气净化领域，还有一些新型的空气净化技术如微生物、冷触媒II净化技术等也时有报道。负离子净化技术通过强电场产生负离子，与空气中的颗粒污染物结合形成“重离子”而沉降或吸附在物体表面，同时，通过负离子还能杀灭某些细菌，有一定的杀菌和净化颗粒污染物的作用，但无法净化气态污染物，同时也会产生臭氧等二次污染物。静电式净化技术对粒径较大的颗粒污染物的净化效果较好，但是无法净化气态污染物，还会产生臭氧等二次污染物。微生物净化技术就是利用微生物菌团将污染物分解成碳酸气和水而达到去除空气污染物的效果，但净化的效率不高。冷触媒净化技术着重考虑了在无光和可见光条件下对污染物及微生物的去除，广谱高效，但有效作用时间不长，须时常更新材料。2.6臭氧消毒法臭氧作为消毒剂对空气中细菌等微生物具有很强的杀灭效果。臭氧杀灭微生物作用机制是破坏肠道病毒的多肽链，使RNA受到损伤，它可与氨基酸残基（色氨酸、蛋氨酸和半胱氨酸）发生反应而直接破坏蛋白质。臭氧可使噬菌体中的RNA被释放出来，电镜观察还可发现噬菌体被断裂成小的碎片。有研究表明，嘌吟和嘧啶经臭氧作用后紫外吸收发生改变。臭氧可与细菌细胞壁脂类双键反应,穿入菌体内部，作用于脂蛋白和脂多糖,改变细胞的通透性,从而导致细胞溶解、死亡。破坏或分解细菌的细胞壁,迅速扩散入细胞内，氧化破坏细胞内的酶,使之失去生存能力。臭氧靠其强氧化性能可快速分解产生臭味及其它气味的物质,如胺、硫化氢、甲硫醇等，臭氧对其氧化分解，生成无毒无气味的小分子物质。邢协淼［11］等人进行了低浓度臭氧净化室内空气中甲醛的实验研究，实验中低浓度臭氧对甲醛的去除率为41117%，说明了臭氧对甲醛具有净化作用。虽然臭氧消毒法具有诸多优势，但是利用臭氧氧化处理室内空气时应该首先考虑可能导致的负面影响［12］。因为室内污染物之间的潜在化学反应会产生一些新的活泼自由基，并由此引发了多种反应过程;这些化学反应能够产生许多附加的产物和复杂的官能团，它们通过不同的反应途径和反应机制衍生出来。这主要包括:醛、酮、羧酸、有机硝酸盐过酰基硝酸酯和各类稳定自由基，而室内污染物间的反应都直接或间接与臭氧有关。综上所述，各种空气净化手段都有一定的优点，但本身也存在很多的局限性。总的来说，目前对颗粒污染物的净化方法较成熟，但对气态污染物还缺乏实用高效的净化手段。因此，室内空气净化技术的改进应以提高气态污染物的净化效果为重点，才能适应当前的需要。2.7多种控制技术的组合上述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。空气净化技术的发展方向单纯利用某种空气净化技术都无法满足当前室内空气净化的要求，但是如果通过一定的复合方式将两种或者多种气净化技术结合在一起则能收到取长补短、优势互补的效果。目前，很多学者也都在向采用复合净化技术发展。将光催化技术与吸附技术结合在一起，发展吸附与光催化的复合进化技术是一个重要的发展方向。吸附与光催化复合技术就是采用吸附材料作为载体负载光催化剂，利用吸附剂的吸附性能和光催化剂的催化降解功能，达到对室内空气中的低浓度有害气体彻底去除的效果。国内外的研究人员在吸附与光催化复合技术方面都进行了一些探索性研究。LynetteA、Tsukasa古政荣口、林兰钰II、徐敏11、赵丽宁u等学者研究都表明吸附剂的吸附性能与Ti02的光催化作用能够相互促进，达到了更好的净化效果。光催化与吸附剂复合具有以下特点:1）可制成合理的结构形状，增大了净化的比表面积，提高了光利用率；2）借助吸附材料的吸附性能使空气中低浓度污染物在Ti02表面富集，加快了反应速率，抑制了中间产物，提高了污染物的矿化率；3）Ti02的光催化降解作用促使被吸附材料吸附的污染物NTi02表面迁移，从而实现了吸附材料的原位再生，达到更理想的空气净化效果。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