室內(nèi)空氣凈化技術(shù)

室內(nèi)空氣凈化技術(shù)當(dāng)今，人類正面臨“煤煙污染”、“光化學(xué)煙霧污染”之后，以“室內(nèi)空氣污染”為主的第三次環(huán)境污染。美國專家檢測發(fā)現(xiàn)，在室內(nèi)空氣中存在500多種揮發(fā)性有機物，其中致癌物質(zhì)就有20多種，致病病毒200多種。危害較大的主要有：氡、甲醛、苯、氨以及酯、三氯乙烯等。大量觸目驚心的事實證實，室內(nèi)空氣污染已成為危害人類健康的“隱形殺手”，也成為全世界各國共同關(guān)注的問題。研究表明，室內(nèi)空氣的污染程度要比室外空氣嚴(yán)重2-5倍，在特殊情況下可達到100倍。近幾年，我國相繼制定了一系列有關(guān)室內(nèi)環(huán)境的標(biāo)準(zhǔn)，從建筑裝飾材料的使用，到室內(nèi)空氣中污染物含量的限制，全方位對室內(nèi)環(huán)境進行嚴(yán)格的監(jiān)控，以確保人民的身體健康。因此，人們往往認為現(xiàn)代化的居住條件在不斷的改善，室內(nèi)環(huán)境污染已經(jīng)得到控制。其實不然，人們對室內(nèi)環(huán)境污染的危害還遠未達到足夠的認識。最嚴(yán)近年來，室內(nèi)空氣質(zhì)量問題逐漸成為人們關(guān)注的熱點。隨著現(xiàn)代人生活和工作形態(tài)的改變，在室內(nèi)環(huán)境中的時間日益增長，有學(xué)者將“室內(nèi)空氣污染”視為繼“煤煙型”，“光化學(xué)煙霧型”空氣污染后進人第三時期污染的標(biāo)志。我國空氣污染在世界已屬于少數(shù)污染最嚴(yán)重的國家之一，不僅如此，有文獻表明，室內(nèi)空氣的污染程度甚至是室外空氣的5.10倍。因此，如何去除這些污染物，改善室內(nèi)空氣質(zhì)量已成為一個待解決的問題室內(nèi)空氣污染物類型室內(nèi)污染物的類型是多種多樣的，造成室內(nèi)空氣污染的原因也是多方面的，目前我國室內(nèi)空氣污染主要有：①建筑材料、裝飾材料、家具和家用化學(xué)品釋放的甲醛和揮發(fā)性有機污染物(VOC)等有害氣體。②各種燃料燃燒、烹調(diào)油煙及吸煙產(chǎn)生的CO、N02、S02、甲醛、多環(huán)芳烴和細微顆粒物等污染物：室內(nèi)淋浴和加濕空氣產(chǎn)生的鹵代烴等化學(xué)污染物。③家用電器和某些辦公設(shè)備導(dǎo)致的電磁輻射等物理污染和臭氧。④室內(nèi)環(huán)境是人們生活和活動的主要場所，人們每天有80%?90%的時間是在室內(nèi)度過的，通過人體呼吸、汗液等排出的氨類化合物、硫化氫、苯和甲苯等污染物以及通過咳嗽、打噴嚏等噴出的流感病毒、結(jié)核桿菌和鏈球菌等生物污染物u。.總的來說，根據(jù)污染物來源和性質(zhì)的不同，可以將室內(nèi)空氣污染物分為顆粒污染物、微生物和氣態(tài)污染物，其中，氣態(tài)污染物是室內(nèi)空氣主要的污染物。室內(nèi)空氣凈化技術(shù)概述目前，室內(nèi)空氣的凈化技術(shù)主要有過濾、吸附、低溫等離子體、光催化、靜電以及負離子等技術(shù)，另外一些新型空氣凈化技術(shù)如冷觸媒、微生物技術(shù)等也有所報道。2.1機械過濾式空氣凈化技術(shù)機械過濾式凈化技術(shù)一般多用于小型空氣過濾器，其通過多孔性過濾材料來實現(xiàn)的。室內(nèi)空氣經(jīng)過風(fēng)機加壓后通過過濾材料，把懸浮在氣流中的大于或接近過濾材料孑L徑的固體微?；蛞后w微粒截留而收集下來，從而達到凈化空氣的目的。這僅僅是一個物理過程，顯然，它只能有效去除空氣中一定粒徑范圍的顆粒污染物，但對氣態(tài)污染物卻無法去除。因而，過濾式凈化技術(shù)對于凈化空氣污染物不夠完善，總體凈化效果不佳。2.2過濾吸附型空氣凈化技術(shù)由于空氣中顆粒污染物和氣態(tài)污染物的性質(zhì)完全不同，因而應(yīng)分別采用不同的凈化機理予以去除。這種凈化技術(shù)符合這一原則，將普通空氣過濾技術(shù)與吸附材料的吸附技術(shù)結(jié)合起來，利用吸附材料對氣體具有較強吸附能力的特點，提高了對氣態(tài)污染物的凈化效果，在總體上改善了凈化性能，還適用于幾乎所有的惡臭有害氣體。而且脫除效率高，富集功能強，從而使其成為脫除有害氣體比較常用的方法，是目前最常用的空氣凈化技術(shù)。但由于吸附材料存在吸附飽和狀態(tài)，再生麻煩，對分子量小、沸點低的物質(zhì)吸附效果差，實際使用還不夠方便。吸附法是利用活性炭、分子篩、硅膠、活性氧化鋁等具有吸附能力的物質(zhì)吸附污染物來達到凈化室內(nèi)空氣的目的。吸附法包括物理吸附和化學(xué)吸附，它幾乎適用于所有惡臭有害氣體，且脫除效率高，是脫除有害氣體常用的一種方法。用作吸附材料的物質(zhì)主要為活性炭，它具有表面積大、吸脫速度快、吸附容量大等優(yōu)點，但是活性炭纖維的應(yīng)用仍處于探索階段，性價比較低，影響了其應(yīng)用范圍。對于吸附方法而言,也存在著吸附飽和的問題，當(dāng)吸附材料達到飽和狀態(tài)時得注意及時對其進行更換，這也制約著該技術(shù)的廣泛使用。2.3等離子體空氣凈化技術(shù)等離子空氣凈化技術(shù)就是利用介質(zhì)放電，在電極間加上電壓電暈放電，產(chǎn)生大量的離子、電子、自由基和激發(fā)態(tài)分子等活性粒子，活性粒子與氣體分子碰撞使氣體分子鍵打開，同時又產(chǎn)生如-OH等自由基和氧化性極強的03,氧化分解空氣污染物，從而達到處理凈化空氣的效果。該技術(shù)凈化能力強，受到廣泛關(guān)注，但降解不徹底，會產(chǎn)生二次污染。低溫等離子凈化法是在常溫常壓下利用高壓放電來獲得非平衡等離子體，大量高能電子的轟擊會產(chǎn)生?O和?OH等活性粒子,一系列反應(yīng)使有機物分子最終降解為CO2、H2O。其催化凈化機理包括兩個方面[4]:①在產(chǎn)生等離子體的過程中，高頻放電產(chǎn)生的瞬時高能量破壞某些有害氣體的化學(xué)鍵,使其分解成單原子或無害分子；②等離子體中包含了大量的高能電子、離子、激發(fā)態(tài)離子和具有強氧化性的自由基，這些活性粒子的平均能量高于氣體分子的健能，它們和有害分子頻繁碰撞，氣體分子的化學(xué)鍵破裂生成單原子和固體顆粒，同時產(chǎn)生的-OH、?HO2、?O等自由基和O3與有害氣體分子反應(yīng)生成無害產(chǎn)物。等離子體凈化法可凈化的污染物粒徑達納米級,比傳統(tǒng)方法降低了數(shù)個數(shù)量級,具有很好的發(fā)展前景。低溫等離子技術(shù)與其他室內(nèi)空氣凈化技術(shù)相結(jié)合可以起到更好的凈化效果，典型的等離子空氣凈化裝置主要有采用光催化的等離子體空氣凈化裝置和與靜電收集器結(jié)合的空氣凈化裝置。2.4光催化空氣凈化技術(shù)光催化氧化技術(shù)是建立在N型半導(dǎo)體能帶理論基礎(chǔ)上的，其實質(zhì)是在光電轉(zhuǎn)換中進行氧化還原反應(yīng)。當(dāng)N型半導(dǎo)體吸收一個能量大于或等于禁帶能量的光子后，進入激發(fā)狀態(tài)，此時價帶上的受激發(fā)電子越過禁帶而進入導(dǎo)帶，同時在價帶上形成光致空穴。光致空穴h十具有很強的捕獲電子的能力，而導(dǎo)帶上的光致電子e'又具有很強的活性，在Ti0表面形成了氧化還原體系。h+和e與空氣中的水分和氧氣發(fā)生氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生2氧化能力非常強的?OH等基團，可以氧化、分解有機污染物，最終將其分解為C02和H0。常見的可以用作光催化劑的N型半導(dǎo)體種類很多，如Ti0、W0、SrTi03、BaTi0、KaTi0、Fe0和In0等，其中w0、Fe0和In0具有較窄的禁帶寬度（分3 3 23 23 3、 2,32、，3別為2.7ev、2.2ev、2.8ev）對可見光敏感，但穩(wěn)定性差：Ti02禁帶寬度為3.2ev，性質(zhì)與SrTi0等相近，僅對紫外光敏感，對可見光利用率低，但其化學(xué)穩(wěn)定性好、難溶、對人體無毒、來源充足、成本低，所以絕大多數(shù)的光催化反應(yīng)的研究都采用Ti0作為催化劑。光催化氧化雖然具有化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，氧化還原性強，使用壽命長等優(yōu)點，但當(dāng)污染物濃度較低時，光催化降解速率較慢，而且會生成許多有害的中間產(chǎn)物，影響凈化效果。催化凈化法是在催化劑的作用下，將有害氣體氧化分解成無害物質(zhì)的一類方法的總稱。以TiO2光催化劑為例，其凈化原理是TiO2在受到陽光或熒光燈的紫外線照射后，其內(nèi)部電子（即空穴對）受激發(fā)，產(chǎn)生具有強氧化分解能力的活性氫氧（羥）基原子團。在光、氧、水的作用下可降解幾乎所有附著在氧化鈦表面的各種有機物，如氫化物、氮氧化物、硫化物、氯化物等。催化凈化法分為傳統(tǒng)催化法、等離子體催化法和納米材料光催化法等。室內(nèi)空氣污染物的濃度一般比較低，所以對于傳統(tǒng)催化法而言，其運行費用比較高，因而應(yīng)用范圍受到了限制。目前用得比較好的有等離子體催化技術(shù)和納米材料光催化技術(shù)。等離子體催化技術(shù)幾乎對所有有害氣體都有很高的凈化效率，但是易產(chǎn)生CO、03，需增加進一步氧化和堿吸收的后處理過程，且設(shè)備費用昂貴，因此在應(yīng)用方面也有一定的局限性。納米光催化技術(shù)是最新發(fā)展起來的技術(shù)，能耗低、操作簡單、無二次污染，有很好的發(fā)展前景。2.5其它空氣凈化技術(shù)另外，負離子、靜電式等凈化技術(shù)也都廣泛應(yīng)用于空氣凈化領(lǐng)域，還有一些新型的空氣凈化技術(shù)如微生物、冷觸媒II凈化技術(shù)等也時有報道。負離子凈化技術(shù)通過強電場產(chǎn)生負離子，與空氣中的顆粒污染物結(jié)合形成“重離子”而沉降或吸附在物體表面，同時，通過負離子還能殺滅某些細菌，有一定的殺菌和凈化顆粒污染物的作用，但無法凈化氣態(tài)污染物，同時也會產(chǎn)生臭氧等二次污染物。靜電式凈化技術(shù)對粒徑較大的顆粒污染物的凈化效果較好，但是無法凈化氣態(tài)污染物，還會產(chǎn)生臭氧等二次污染物。微生物凈化技術(shù)就是利用微生物菌團將污染物分解成碳酸氣和水而達到去除空氣污染物的效果，但凈化的效率不高。冷觸媒凈化技術(shù)著重考慮了在無光和可見光條件下對污染物及微生物的去除，廣譜高效，但有效作用時間不長，須時常更新材料。2.6臭氧消毒法臭氧作為消毒劑對空氣中細菌等微生物具有很強的殺滅效果。臭氧殺滅微生物作用機制是破壞腸道病毒的多肽鏈，使RNA受到損傷，它可與氨基酸殘基（色氨酸、蛋氨酸和半胱氨酸）發(fā)生反應(yīng)而直接破壞蛋白質(zhì)。臭氧可使噬菌體中的RNA被釋放出來，電鏡觀察還可發(fā)現(xiàn)噬菌體被斷裂成小的碎片。有研究表明，嘌吟和嘧啶經(jīng)臭氧作用后紫外吸收發(fā)生改變。臭氧可與細菌細胞壁脂類雙鍵反應(yīng),穿入菌體內(nèi)部，作用于脂蛋白和脂多糖,改變細胞的通透性,從而導(dǎo)致細胞溶解、死亡。破壞或分解細菌的細胞壁,迅速擴散入細胞內(nèi)，氧化破壞細胞內(nèi)的酶,使之失去生存能力。臭氧靠其強氧化性能可快速分解產(chǎn)生臭味及其它氣味的物質(zhì),如胺、硫化氫、甲硫醇等，臭氧對其氧化分解，生成無毒無氣味的小分子物質(zhì)。邢協(xié)淼［11］等人進行了低濃度臭氧凈化室內(nèi)空氣中甲醛的實驗研究，實驗中低濃度臭氧對甲醛的去除率為41117%，說明了臭氧對甲醛具有凈化作用。雖然臭氧消毒法具有諸多優(yōu)勢，但是利用臭氧氧化處理室內(nèi)空氣時應(yīng)該首先考慮可能導(dǎo)致的負面影響［12］。因為室內(nèi)污染物之間的潛在化學(xué)反應(yīng)會產(chǎn)生一些新的活潑自由基，并由此引發(fā)了多種反應(yīng)過程;這些化學(xué)反應(yīng)能夠產(chǎn)生許多附加的產(chǎn)物和復(fù)雜的官能團，它們通過不同的反應(yīng)途徑和反應(yīng)機制衍生出來。這主要包括:醛、酮、羧酸、有機硝酸鹽過酰基硝酸酯和各類穩(wěn)定自由基，而室內(nèi)污染物間的反應(yīng)都直接或間接與臭氧有關(guān)。綜上所述，各種空氣凈化手段都有一定的優(yōu)點，但本身也存在很多的局限性。總的來說，目前對顆粒污染物的凈化方法較成熟，但對氣態(tài)污染物還缺乏實用高效的凈化手段。因此，室內(nèi)空氣凈化技術(shù)的改進應(yīng)以提高氣態(tài)污染物的凈化效果為重點，才能適應(yīng)當(dāng)前的需要。2.7多種控制技術(shù)的組合上述方法均存在一定的局限性，無法全面祛除室內(nèi)空氣污染，必須進行綜合使用各種技術(shù)，將多種技術(shù)融合，取長補短，才能徹底解決室內(nèi)空氣污染問題。程琰［16］等的研究報道，發(fā)展組合技術(shù)是技術(shù)發(fā)展的趨勢之一，如活性炭吸附技術(shù)與光催化技術(shù)的組合，活性炭的吸附能力使氣態(tài)污染物富集到某一特定的環(huán)境，從而提高了光催化氧化反應(yīng)速率，而且可以吸附中間副產(chǎn)物使其進一步被催化氧化，達到完全凈化。另外，由于被吸附的污染物在光催化劑的作用下參與了氧化反應(yīng)，使活性炭得以再生，從而也延長了活性炭的使用周期。文遠高［17］等提出了依次采用多種控制技術(shù)的組合來控制和解決室內(nèi)空氣污染方案，靜電除塵用于去除空氣中的顆粒物及塵埃；活性炭用于可吸入粒子的進一步凈化，同時吸附空氣中的部分有害氣體；光催化氧化系采用光源照射納米材料（如TiO2）有效分解甲醛、苯、氯乙烯等有機污染物和SOX、NOX等無機物；光源一般采用紫外光，其兼有除臭、殺菌等功能；負離子發(fā)生器產(chǎn)生負氧離子，能使空氣清新，有助于消除人體疲勞，同時可中和空氣中帶正電的微粒。該方案處理過程較復(fù)雜，需定期更換吸附材料，實際應(yīng)用中效果如何有待進一步研究?？諝鈨艋夹g(shù)的發(fā)展方向單純利用某種空氣凈化技術(shù)都無法滿足當(dāng)前室內(nèi)空氣凈化的要求，但是如果通過一定的復(fù)合方式將兩種或者多種氣凈化技術(shù)結(jié)合在一起則能收到取長補短、優(yōu)勢互補的效果。目前，很多學(xué)者也都在向采用復(fù)合凈化技術(shù)發(fā)展。將光催化技術(shù)與吸附技術(shù)結(jié)合在一起，發(fā)展吸附與光催化的復(fù)合進化技術(shù)是一個重要的發(fā)展方向。吸附與光催化復(fù)合技術(shù)就是采用吸附材料作為載體負載光催化劑，利用吸附劑的吸附性能和光催化劑的催化降解功能，達到對室內(nèi)空氣中的低濃度有害氣體徹底去除的效果。國內(nèi)外的研究人員在吸附與光催化復(fù)合技術(shù)方面都進行了一些探索性研究。LynetteA、Tsukasa古政榮口、林蘭鈺II、徐敏11、趙麗寧u等學(xué)者研究都表明吸附劑的吸附性能與Ti02的光催化作用能夠相互促進，達到了更好的凈化效果。光催化與吸附劑復(fù)合具有以下特點:1）可制成合理的結(jié)構(gòu)形狀，增大了凈化的比表面積，提高了光利用率；2）借助吸附材料的吸附性能使空氣中低濃度污染物在Ti02表面富集，加快了反應(yīng)速率，抑制了中間產(chǎn)物，提高了污染物的礦化率；3）Ti02的光催化降解作用促使被吸附材料吸附的污染物NTi02表面遷移，從而實現(xiàn)了吸附材料的原位再生，達到更理想的空氣凈化效果。結(jié)論與展望目前，室內(nèi)污染物種類繁多，成分復(fù)雜，包括無機物、VOCs、微生物等。盡管各種