（热能工程专业论文）室内有机挥发物和颗粒污染物的控制研究——利用水溶液去除室内甲醛和pm10的试验及机理研究.pdf

摘要 摘要 以甲醛作为室内有机挥发物的代表，以p m l o 作为室内颗粒污染物的代表， 通过实验研究证明水溶液可有效吸收室内甲醛，1 8 5 n m 2 5 4 n m 紫外光可有效降解 水中甲醛，水膜对p m l o 的去除效果有限。 利用水溶液吸收甲醛的实验表明：空气中甲醛的初始浓度对水溶液吸收甲醛 的效果影响很大。空气中甲醛初始浓度越高，水溶液吸收甲醛的效果越好。在最 初3 0 分钟内空气中5 2 - - 5 9 以上的甲醛可以被水溶液吸收，在6 0 分钟内空气 中6 1 - 7 2 的甲醛可以被水溶液吸收。1 5 0 分钟后，水溶液几乎不再吸收甲醛。 增加清洗器的换气次数可以提高水溶液吸收甲醛的效果，开3 档吸收效果比丌1 档吸收效果可平均提高1 0 。添加表面活性剂可有效提高水溶液吸收空气中甲 醛的效果，不同表面活性剂增强吸收的效果不同。普通家用洗衣粉效果优于文塔 厂家提供的添加剂。吸收效果平均提高5 0 3 左右。洗衣粉饱和溶液添加量的最 佳体积百分比为1 6 。洗洁精不适宜作为清沈器内添加剂。 利用1 8 5n m 2 5 4 n m 紫外光降解水中甲醛实验表明：紫外光降解水中甲醛的 反应均符合一级反应规律。降解的效果与甲醛初始浓度相关，甲醛初始浓度越大， 甲醛降解的速率越慢。相同紫外灯功率，甲醛降解的反应速率与初始浓度有关。 紫外灯功率为4 0 w ，甲醛初始浓度为0 4 3 m g l 时，甲醛降解反应速率常数为 0 0 3 8 0 3 ；甲醛初始浓度为0 7 0 m g l 时，甲醛降解反应速率常数则为0 0 1 9 1 4 。紫 外灯功率为2 0 0 w ，甲醛初始浓度为3 0 m g l 时，甲醛降解反应速率常数为 0 1 8 9 8 7 ；甲醛初始浓度为5 0 m g l 时，甲醛降解反应速率常数则为0 1 6 9 9 8 ；甲 醛初始浓度为8 0 m g l 时，甲醛降解反应速率常数为0 1 1 8 3 。紫外灯功率对降解 效果影响很大，功率越大，降解效果越好。在同样初始浓度条件下，4 0 w 紫外 灯的甲醛降解反应速率常数为0 0 3 1 2 9 ，而7 0 w 紫外灯的甲醛降解反应速率常数 为0 0 9 7 2 2 ，提高将近3 倍。通过鼓泡未强化甲醛的降解效果，反而弱化甲醛降 解效果。2 0 0 w 紫外灯，初始浓度8 7 m g 1 ，不鼓泡时甲醛降解反应速率常数为 0 0 7 8 9 1 ；初始浓度7 4 m g l ，1 档鼓泡时甲醛降解反应速率常数为0 0 5 6 2 6 ，2 档 鼓泡时甲醛降解反应速率常数为o 0 6 0 1 9 。 利用清洗器去除空气中p m l o 的实验研究表明：清洗器去除大颗粒的效率远 高于去除小颗粒的效率。气流速度对清洗器去除室内p m l o 效率的影响较大。对 于实验室地面尘，清洗器开3 档的效率比开1 档的效率提高3 倍。添加剂对p m l o 的去除效率影响不大。清洗器对环境烟草烟雾颗粒的去除几乎不起作用。 利用清洗器吸收二甲基甲酰胺的实验证明：水膜可有效吸收二甲基甲酰胺。 关键词：室内空气品质甲醛p m l o 水溶液吸收真空紫外降解 摘要 a b s t r a c t i ti sa p p r o v e db yt e s tt h a tt h ea q u e o u ss o l u t i o n c a ne f f e c t i v e l ya b s o r bi n d o o r f o r m a l d e h y d ea n d1 8 5n m 2 5 4 n mu l t r a v i o l e tc a ne f f e c t i v e l yd e g r a d ef o r m a l d e h y d ei n w a t e r , w h i l ew a t e rf i l mc a n n o te f f e c t i v e l yr e m o v ep m l o , w i t hf o r m a l d e h y d e 勰t h e s a m p l eo fi n d o o rv o l a t i l eo r g a n i cc o m p o u n d s ( v o c s ) w h i l ep m l oa st h es a m p l eo f i n d o o rp a r t i c l ep o l l u t i o n ( p m ) 1 h et e s to fa b s o r b i n gf o r m a l d e h y d eb ya q u e o u ss o l u t i o nd e m o n s t r a t e st h a tt h e i n i t i a lc o n c e n t r a t i o no ff o r m a l d e h y d ei nt h ea i rs t r o n g l yi n f l u e n c e dt h ee f f e c t i v e n e s s o fa b s o r p t i o n n eh i g h e rt h ei n i t i a lc o n c e n t r a t i o n ，t h eb e t t e rt h ea b s o r p t i o ni s i nt h e f i r s t3 0m i n u t e s ，5 2 - 5 9 o ff o r m a l d e h y d ec a nb ea b s o r b e db ya q u e o u ss o l u t i o n w h i l ei n6 0m i n u t e s6 1 - 7 2 c a nb ea b s o r b e d h o w e v e r1 5 0m i n u t e sl a t e r , t h e a q u e o u ss o l u t i o n c a l lh a r d l ya b s o r bf o r m a l d e h y d ea n y m o r e n ea b s o r p t i o nc a nb e i m p r o v e db yi n c r e a s et h ea i rc h a n g e so fa i rw a s h e r ：，n l ea b s o r p t i o nc a nb ei n c r e a s e d 1 0 a ta v e r a g eb yr u n n i n ga t 3l e v e l v s 1l e v e l a n o t h e rw a yi st oa d d s u r f a c t a n tw i t hd i f f e r e n ti n f l u e n c e b y d i f f e r e n ts u r f a c t a n t o r d i n a r yh o u s e h o l d w a s h i n gp o w d e r i sb e t t e rt h a na d d i t i v e ss u p p l i e db yv e n t ap l a n ti na b s o r p t i o n t h a t i st h ea b s o r p t i o ni s5 0 3 h i g h e ra ta v e r a g eb ya d d i n gw a s h i n gp o w d e rt h a nb y a d d i n gv e n t aa d d i t i v e s n eo p t i m i z e dv o l u m ep e r c e n t a g eo fw a s h i n gp o w d e r s a t u r a t i o nl i q u i da d d i t i v ei s1 6 w a s h i n g - u pl i q u i di sn o tp r o p e rt ob ea d d i t i v ef o r a i rw a s h e n t h et e s to fd e g r a d a t i o nf o r m a l d e h y d ei nw a t e rb yu l t r a v i o l e td e m o n s t r a t e st h a ta l l t n er e a c t i o n sm e e tt h ef h - s tr e a c t i o nr u l e t h er e s u l to fd e g r a d a t i o ni sr e l a t e dt ot h e i n i t i a lc o n c e n t r a t i o no ff o r m a l d e h y d e ：t h eh i g h e rt h ec o n c e n t r a t i o nt h es l o w e rt h e d e g r a d a t i o n w h e nt h ep o w e rc o n s u m p t i o no fu l t r a v i o l e tl i g h ti s4 0 w , t h ei n i t i a l c o n c e n t r a t i o no ff o r m a l d e h y d ei s0 4 3 m g l ，t h er e s p e c t i v er a t ec o n s t a n t so ft h e r e a c t i o n ( r r c o r ) i s0 0 3 8 0 3 ；w h i l et h er r c o rc h a n g e si n t o0 0 1 9 1 4w h e nt h e i n i t i a lc o n c e n t r a t i o nt u r n st o0 7 0 m g a i ft h ep o w e r c o n s u m p t i o no fu l t r a v i o l e tl i g h ti s 2 0 0 w , t h ei n i t i a lc o n c e n t r a t i o no ff o r m a l d e h y d ei s3 0 m g l ，t h er r c o ri s0 1 8 9 8 7 ； w h i l et h er r c o r c h a n g e si n t o0 1 6 9 9 8a n d0 118 3w h e nt h ei n i t i a lc o n c e n t r a t i o n t u r n si n t ot o5 0 m g la n d8 0 m g 1 t h ep o w e rc o n s u m p t i o no ft h eu l t r a v i o l e tl i g h t s t r o n g l y i n f l u e n c e st h ee f f e c t i v e n e s so f d e g r a d a t i o n ：t h eb i g g e r t h e p o w e r 摘要 c o n s u m p t i o n ，t h eb e t t e rt h ed e g r a d a t i o n w h e nt h ei n i t i a lc o n c e n t r a t i o ni st h es a m e ， f o r4 0 wu l t r a v i o l e tl i g h tt h er r c o ro ff o r m a l d e h y d ei s0 0 312 9w h i l et h ed a t a c h a n g e si n t o0 0 9 7 2 2f o r7 0 wu l t r a v i o l e tl i g h t ，w h i c hi n c r e a s e da l m o s t3t i m e s b u b b l i n gc a n n o ti m p m v ed e g r a d a t i o no nt h ec o n t r a r yi tw i l lw o r s e nt h ea c t i o n f o r e x a m p l ei nt h ec o n d i t i o no f2 0 0 wu l t r a v i o l e tl i g h ta n d8 7 m g li n i t i a lc o n c e n t r a t i o n ， t h er r c o ro ff o r m a l d e h y d ei s0 0 7 8 9 1w i t h o u tb u b b l i n g h o w e v e ri ft h ei n i t i a l c o n c e n t r a t i o nt u r n si n t o7 4 m g 1 ，t h er r c o ri s0 0 5 6 2 6w i t h 1l e v e l b u b b l i n ga n d 0 0 6 0 1 9w i t h 2l e v e l b u b b l i n g t h et e s to fr e m o v i n gp m l oi na i rt h r o u g ha i rw a s h e rs h o w st h a ti ti sm o r ee f f i c i e n t i nr e m o v i n gb i g g e rp a r c e l st h a ns m a l l e ro n e s t h ea i rs p e e ds t r o n g l yi n f l u e n c e st h e e f f e c t i v e n e s so fr e m o v i n gi n d o o rp m l o f o rg r o u n dp a r t i c l ei nl a b ，t h ee f f i c i e n c yi s3 t i m e sh i g h e rw h e nt h ea i rw a s h e rr u n n i n ga t 3l e v e l v s 1l e v e l t h ea d d i t i v e s d o n ti n f l u e n c et h er e m o v i n go fp m l o t h ea i rw a s h e rc a nh a r d l yr e m o v ee t s t h et e s to fa b s o r p t i o nd i m e t h y l f o r m a m i d eb ya i rw a s h e rd e m o n s t r a t e st h a tw a t e r f i l mc a ne f f e c t i v e l ya b s o r bd i m e t h y l f o r m a m i d e k e y w o r d s ： i n d o o ra i rq u a l i t y ( i a q ) ，f o r m a l d e h y d e ，p m l o , a q u e o u ss o l u t i o n ， a b s o r p t i o n ，v a c u u mu l t r a v i o l e t ( v o v ) ，d e g r a d a t i o n 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济人学关丁收集、保存、使h j 学位论文的规定，同意如。卜各项内容：按 照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本：学校有权保存学位论文的印刷本和电子版， 并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供本 学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有关部fj 或者机构送交论文 的复印1 ：，l ：和电子版；在不以赢利为目的的前提f ，学校可以适当复制论文的部分或全部内容 h j 于学术活动。 学位论文作者签名： 年月日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名： 年月日 学位论文作者签名： 年月 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均己在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名： 沙z 年 第1 章绪论 第1 章绪论 空气是人类赖以生存的重要环境因素之一。空气污染影响人类健康。 空气污染包括室外大气污染和室内空气污染。室外大气污染会影响室内空气 污染。 人们在室内的停留时间远远大于室外停留时间，据资料调查显示：发达国家人口 在室内度过的平均时问比例约为9 0 ，不同个体| 日j 有很大变化【。即便在农村， 人们在室内停留时间也不少于5 0 ，老人和儿童等敏感人群在室内度过的时间更 长，因此室内空气污染引起的健康危害将明显大于室外的大气污染。 室内空气污染主要是人为造成的，以化学性污染和生物性污染为主。化学性 污染是指因化学因子如甲醛、苯、氨气、氡和悬浮颗粒物等引起的污染；生物性 污染则指因生物污染因子，包括细菌、真菌、花粉、病毒和生物体引起的污染。 污染物主要源于6 个方面：室内装修和建筑材料、室内用品( 家用化学品、 室内家具和现代办公用品) 、人类活动( 烹饪、采暖和吸烟) 、人体自身新陈代谢、 生物性污染源、室外大气污染物i 引。 由于所处环境不同，室内空气污染与室外大气污染的污染特征不同。室内空 气污染具有如下特征。 ( 1 ) 累积性 室内环境是相对封闭的空间，其污染形成的特征之一是累积性。从污染物进 入室内导致浓度升高到排出室外浓度趋近于零，均需要较长的时间。室内各种污 染源散发的有害物质在室内逐渐积累，如不采取有效措施，会导致污染物浓度增 大，构成对人体的危害。 室外空气发生污染时，在某种意义上说空气对污染物质具有近似于无限稀释 的能力。而对采用通风空调设备的室内空气，其稀释能力很显然是很有限的。尤 其是从节能考虑减少换气次数，增加维护结构密闭性，使这种有限的稀释能力更 加减小。 ( 2 ) 多样性 室内空气污染的多样性既包括污染物种类的多样性，又包括污染物来源的多 样性。室内空气中的污染物既有生物性污染如细菌：又有化学性污染如甲醛、氨 气、苯、甲苯、一氧化碳、二氧化碳、氮氧化物等；还有放射性污染物氡及其子 体。室内空气污染物的来源既有室外污染源，又有室内污染源。这些污染物不仅 种类很多，而且形态很多，从固体的可吸入颗粒物到气态的污染物。比如仅香烟 烟雾就可直接测出2 0 0 0 多种化合物，并已证明至少有4 0 种致癌物质。 室内污染物种类繁多，单就某一种污染物来说，其浓度远低于l ：工业企业卫 生标准和其它相关标准，但多种污染物综合对人体产生的影响远大于单一污染 第1 章绪论 物的影响。污染物之间的组成比例受温度、湿度等多种因素的影响不断变化。各 种因素之间可能同时呈现协同、相加、拮抗等不同类型的联合作用，与单一污染 物相比，对人体的作用机制更为复杂。 ( 3 ) 长期性 调查表明，大多数人大部分时问处于室内环境。即使浓度很低的污染物，在 长期作用于人体后，也会影响人体健康，引起慢性毒害。 ( 4 ) 受气候和社会条件影响 室内空气污染是在人工环境中产生的，不是简单的自然现象，是受社会文明 程度、技术发展水平、经济发展水平、民俗风俗习惯等多方面的因素影响。 室内有害物从形态划分，主要为有机挥发物和颗粒污染物。有机挥发物和颗 粒物对人体的危害主要是通过呼吸系统对人体健康产生负面影响。 1 1 可吸入颗粒物在人体呼吸道中的运动状况 1 1 1 可吸入颗粒物在呼吸道内的沉积状况 人体呼吸道可根据其清除功能分成几个部位，每个部位中附着的可吸入颗 粒，其清除速度或途径是不一样的。 前鼻孔处：附着在没有鼻毛覆盖的鼻腔前区的颗粒，停留在附着部位的时间 不同，通常是不固定的，当拭鼻子、流鼻涕或打喷嚏时，这些颗粒会被清除掉。 鼻道中：吸入的空气在经过鼻孔后，通过鼻毛网环绕着鼻甲流经狭窄的通道 时被加湿加热，空气动力学直径大于l u m 的颗粒，由于在鼻毛和气道弯曲处碰 撞和沉降而减少了一部分。小于0 1 u m 的颗粒则可由于扩散作用而附着在这个区 段。此处表面覆盖着由纤毛及杯状细胞所组成的一层粘膜。杯状细胞所产生的很 多粘液携带着附着于粘膜层表面的不溶性颗粒，由于纤毛向上摆动而被推送到咽 部。可溶性颗粒则可在粘液中溶解。有的粘液携带全部吸入的或溶解了的颗粒进 入前鼻孔，而在该处间断性地进行机械清除。 口腔、咽和喉部：经鼻孔吸入而附着于鼻咽部的颗粒，或经口腔吸入而附着 于口腔及口咽部的颗粒，都可在几分钟内咽下，并由食道进入胃肠道。不论是经 哪条途径吸入的颗粒都可以附着于喉部而被来自气管的粘液迅速转运进入食道， 颗粒在这些部位停留的时间可能很短，但这些部位表面集结的颗粒可能达到很高 的浓度( 超出了人体自身的清除能力) ，因而可能成为鼻癌与咽癌的致病原因。 气管支气管：气管是一条长约l l c r n 的纤维弹性管。支气管在结构上和气管 相似，右支气管较左支气管短而粗。左、右主支气管之间的交角一般为6 5 - - 8 0 0 ， 平均7 0 0 。气管中轴线与左主支气管之间的夹角一般为4 0 , - - - , 4 5 0 ，与右主支气管 之间的央角一般为2 5 - 3 0 度，故气管异物易进入右主支气管。左主支气管平均 长约4 9 c m ，它较右主支气管( 2 3 1 c i l l ) 细而长，前者是后者的二倍多。左主支气 2 第1 章绪论 管中部的内径平均为1 1 l c m ：右主支气管中部的内径平均为1 4 9 c m 。在这一段 呼吸道中，随着逐级分支管径逐级变小，但由于支气管的数目增多，故气流通 过的总截面积随之而增加，其未端的气流速度也减慢。在较大的气道内，过大的 尘粒不能随气道的弯曲前进，以致由于碰撞而附着。在较小的气道内气流速度减 慢，尘粒则通过沉降和扩散而附着该处。附着在具有纤毛的j 下常气道内的不溶性 惰性颗粒，可在一天内被流动着的粘液裹住而送到喉部。可溶性颗粒的清除要快 得多，可能是经由支气管内的血液循环而被清除。 肺泡区：这是终端支气管后的清除区，是进行气体交换的部位。到达这个部 位的可溶性颗粒可以在数分钟内进入肺血液循环；不溶性颗粒则以沉降与扩散的 方式附着于这个区段，而且排出很慢，大约要一个月或是更长的时自j j 能清除一 半。现今对不溶性颗粒在肺泡内的清除机理尚不完全了解。但尘肺的致病原因与 不溶性颗粒的存在浓度有直接的关系。 1 1 2 影响可吸入颗粒物沉积的主要因素 可吸入颗粒物在人体呼吸道中每个部位的沉积率取决于颗粒的空气动力学 特性、呼吸道的几何结构以及气流在呼吸道中形成的流场。 对于单个颗粒而言，颗粒在呼吸道中的沉积机理主要有五种： 阻留：阻留对纤维状的颗粒作用比较大。当颗粒非常接近呼吸道表面而且有 颗粒边缘接触到呼吸道表面时，就有可能出现沉积。因此与呼吸道直径相比，颗 粒应该足够大才行。 碰撞：由于呼吸道几何结构复杂，其中存在很多弯曲的气道，如口腔与咽部 的交界，支气管中的上下级分支之间，气流每次在弯曲处改变方向时，颗粒由警 其自身的惯性作用，都有撞击到各个弯曲阻力面上的可能。碰撞作用还取决于颗 粒在呼吸道中的部位。例如，在支气管上下两级的分支处，吸气中沿着分支前的 主气管中心线前进的颗粒沉积的可能性要比靠近管壁移动的颗粒高很多，最易沉 积的部位是在分支的突起处。 沉降：重力沉降在较小的支气管、细支气管及肺泡内比较显著。由于在这些 部位中气道较小，气流速度比较慢，所以颗粒受气流的影响相对要小，而主要受 到重力沉降作用的影响。 扩散：是由于空气中亚微米颗粒因气体分子的碰撞而进行不规则的布朗运动 而造成的。这种布朗运动对于空气动力学直径小于0 5 u r n 的颗粒，在较小的支气 管、肺泡以及支气管分支处都有重要的影响。 静电沉降：电活性高的颗粒，即使没有外界电场作用于呼吸道中，其在气道 内的沉积作用也会加强。带电荷的颗粒在气道表面上诱导的镜像电荷引起沉积。 然而，大多数外界环境的可吸入颗粒物都已经达到了电荷平衡，其电荷水平要低 3 第1 章绪论 得多。因此，由于电荷而引起的沉积作用通常要比上述各种机理所引起的要低。 另外，空气流动速度也是影响颗粒沉积的一个重要参数。气流速度增大则碰 撞沉积作用增强，但是由于气流停留的时间缩短，又使得沉降和扩散作用降低。 呼气时，呼吸道内的气流分布与吸气时不同，对碰撞作用的影响更大。而在支气 管中，由于支气管的平均长度只有其直径的3 倍，所以气流总是达不到完全充分 的发展，每一段术端都有分支，进入的气流截面流速也不均衡，因而，气流分布 变得很复杂。更进一步的研究呼吸道中的气流分布有助于更深入的掌握可吸入颗 粒物的沉积状况及机理，这是医学、尘物学和力学需要联手解决得多学科问题。 除了颗粒的空气动力学特性，呼吸道的几何结构以及气流状况会影响颗粒沉 积外，还有多种因素。例如，气道中粘液层的厚度，这是生理因素；大气的温度、 湿度以及可吸入颗粒物的浓度等，这是环境因素；还有呼吸道疾病患者的非正常 呼吸道也会对沉积作用产生影响。 1 2 室内污染物控制的一般思路 1 2 1 室内有机挥发物的一般控制思路 室内有机挥发物的控制一般采取以下几种防治的方法： ( 1 ) 源控制 所谓源控制就是从室内建筑和装饰材料生产开始就控制可能产生有机挥发 物的使用，从而使室内有机挥发物从根本上得到减量，是最为积极主动得措施。 ( 2 ) 空气净化 另一行之有效的方法是选用确有效果的室内空气净化器和空气换气装置，以 保持空气的净化。由于v o c s 为气体，所以必须选用可对气体起到净化作用的空 气净化器。其作用机理包括物理吸附式、化学吸附式、光催化分解、负离子发生 器、等离子净化等多种机理【引。 ( 3 ) 增强通风效果 清除室内空气污染的最有效的方式是通风换气，在室外空气好的时候打开窗 户通风，有利于室内有害气体的散发和排出。而对于依赖空调系统的密闭空间， 必须改善空调系统，保证新风量与换气量。然而美国劳伦斯伯克利实验室的 o f e r m a n 等实验证明，机械通风对室内甲醛浓度并无明显作用，此时单靠机械通 风降低醛浓度并不经济可行。 ( 4 ) 室内绿化 对室内进行绿化，在西方国家和我国部分地区已有成功的经验，如在室内种 植吊兰、芦荟等植物以降低室内有害气体浓度。 1 2 2 室内颗粒物的一般控制思路 4 第1 章绪论 ( 1 ) 源控制 消除污染源被认为是控制室内空气污染最有效的控制措施。控制室外微细颗 粒污染源进入室内和减少室内颗粒产生是同等重要的两个方面。 ( 2 ) 通风控制 通风是外界颗粒污染物进入室内或室内颗粒污染物通过空调系统二次污染 室内的主要途径。为了保证工作区域的空气品质，国际上的研究主要采取以下几 种控制手段：( 1 ) 采用有效的气流组织形式( 如置换通风、个性化通风等) 1 5 】； ( 2 ) 采用调节新回风比例的智能控制设备 6 1 ；( 3 ) 采用空气净化设掣7 l 。 ( 3 ) 空气净化 国际上关于低温等离子体技术的研究较为集中。h a r r i s o n 建立了一个关于离 子发生器去除粉笔灰尘的实验台，展示了灰尘浓度随时间而衰减的过程1 8 】。 c l e m e n t h a r r i o n 建立的一组颗粒荷电的求解方程，包括离子方程和颗粒荷电方 程，并考虑了自荷电，双极荷电和扩散、漂移等因素，在加强放射性颗粒物自荷 电方面取得了理论突破【9 1 。m a y y a 建立一系列包括电场方程、颗粒荷电方程、离 子平衡方程等方程组，以描述离子发生器中颗粒物去除变化的过程1 1 0 l 。结果表 明，颗粒污染物的损耗特性和浓度衰减因子与颗粒物大小、浓度、外部通风等因 素有关。 在国内，哈尔滨工业大学、同济大学以及中科院等离子体所等科研机构在放 电形式及反应器结构、气体降解率影响因素、净化居室空气的效率等方面取得了 较多的成果1 1 1 。1 引。 1 2 3 室内有机挥发物和颗粒物的同时控制 室内有机挥发物和颗粒污染物是同时存在的，二者协同对人体健康造成危 害，研究对二者可同时的控制技术有重要的实际意义和理论价值。 1 2 3 1颗粒污染物放大有机挥发物危掣1 4 j 由于颗粒物的粒径很小，一般从几个纳米到几个微米，具有很大的比表面积 ( 4 - - - - 2 0 0 m 2 g ) ，吸附或附着能力强，而挥发性有机物本身所具有的易挥发性及其 它一些物理化学方面的性质( 如难降解、难溶于水) ，使其很容易被大气中的颗粒 物吸附，因而大气中大部分有害元素和化合物都富集在较细的颗粒物上，而且随 微粒粒径的降低，粒子在大气中的停留时间由几天增加到几个星期【1 5 j 并通过人 的呼吸道进入人体而引起各种各样的疾病。因此，研究环境中v o c s 的存在、来 源、分布规律、迁移转化及其对人体健康的影响一直受到人们的重视，尤其是颗 粒物对有机物的吸附更成为国内外研究的焦点。 细小颗粒物不是单一成分的空气污染物，而是由不同的人为或自然污染源产 5 第1 章绪论 生的大量不同化学组分组成的一种复杂而可变的大气污染物，除了具有自身的成 分外，其表面还吸附着许多其他的有毒有害物质包括无机物c 、s 及f e ，m n ，n i 等各种稀有会属有机物如各种微生物和碳氢化合物多环芳烃( p a h ) 类致癌物质 等，一起构成了颗粒物的主要毒性物质。赵毓梅等1 1 6 j 对太原市某点的粗细颗粒 物的成分研究表明，细颗粒物的毒性较大，对人体有害的5 3 的物质以及6 0 的 p a l l 分御于细颗粒物上。李大秋等采用g c m s ( 色谱质谱联用技术) ，系统分析 了1 0 0 0 多个不同颗粒物样品中有机污染物的结果表明，环境中有机污染物集中分 佰在细颗粒物上，几乎所有的p a i l 和一半以上的苯并芘吸附在粒径 0 3 趴m 的极 细颗粒物中，这些极细颗粒物的降速为o ，能长期漂浮在大气中，危害深远。美、 英、加、同等国对不同城市不同粒径颗粒物的成分分析认为6 0 - 9 0 的有机 物质存在于 弘m ) 。 不同模态颗粒的来源、形成与消除过程各不相同，核模态的颗粒可凝聚为积聚模 态的颗粒，而积聚模态与粗粒模态之间一般不会相互转化。 不同粒径的颗粒物产生的机理不同，其在自然界被去除的机理也不同。对于 由机械产生的大颗粒主要依靠重力沉降作用得以去除，对于积聚模范围的小颗粒 主要依靠雨除和冲刷，对于爱根核模范围的颗粒，其单独存在的时间很短，很快 转换为积聚模范围的小颗粒。 室内颗粒污染物的粒径范围多属于积聚模范围，为本文重点关注的对象。 图1 3 按照不同粒径对自然界的颗粒物进行了分类。 第1 章绪论 0 葛 蕞 ： 盏叠 鏊 辩 胃 o 辍经i l m 卜墅型玺銎鍪鲢鳖i 塞至堑坠_ - 篓鐾丝堑鬯 i 照缝! 羔塑耋童丝玉簦墼薹鬯1 0 一塑熊至 1 篓丝王 1 图1 3 自然环境中颗粒物粒径分类及去除机理【3 1 l f i 9 1 3t h ep a r t i c l es i z ed i s t r i b u t i o no fp a r t i c u l a t ei ne n v 2 r o n m e n ta n dr e m o v e m e n t m e c h a n i s m1 3 1 j 1 3 2 1 湿清除过程1 3 2 l 按清除机理，湿清除过程可分为两种，一种是在云中清除，叫做云沈( r a i n o u t ) 或叫雨洗；另一种是在云下雨滴下降过程中清除，叫做水冲洗( w a s h o u t ) 也叫 冲刷。 一、云洗 地球至少有4 0 左右的地方为云天，云的厚度从几百米到几公里不等。观 察结果证明微粒在云中清除的效率对各种尺度的粒子来说都是很高的。 云清除气溶胶粒子最有效的过程是通过云滴进行的，即通过成核、扩散或漂 1 2 第1 章绪论 移、电效应以及惯性碰并作用，使粒子转化成云滴，再由足够的云滴聚合成雨滴， 在重力作用下降到地面从大气中清除。 云滴的形成过程也就是云沈过程。由成核机制知道，由于大气中均质成核作 用需要的过饱和度太高( 约为3 4 0 ，相当于相对湿度为4 4 0 ) ，因而由均质成 核过程生成云滴是不可能的，只有通过异质成核过程生成，也就是水汽在固体核 上凝结而成。 对流层中的冷却率和粒子的浓度决定了在自然云滴形成期间，最大的过饱和 度很少达到1 ，比较典型的值为千分之几。干的可溶性粒子成核的临界半径， 即在过饱和度为时能够发展成核的最小半径是： 1 1 6 x 1 0 。6 s ，一纠3 ( 1 2 6 ) 跏李篇( 晋厂沁2 了丽【百j 此式把临界过饱和度与表面自由能o r 、水的分子量m 一凝结核的分子量 m 、v a n th o f f 因子f 、凝结核的质量m 、液体密度a 联系起来了。成核过程 将使大量可溶性非常细小的粒子被清除。 成核过程使半径为0 0 1 - 0 1 u m 的粒子迅速长大( 大约只需1 0 s ) 成l 一- , 1 0 u m 的云滴。而且，在云滴形成过程中和形成后，由于气溶胶粒子向云滴的扩散运动 和漂移运动，使云滴不断捕获那些做上述运动的粒子。同时，云滴具有足够的惯 性( 虽然下降速度一般只有l c m s 大小) ，可以通过重力碰并聚合成更大的云滴， 或被更大的云滴或雨滴所捕获，从而最后从大气中清除。显然，在云中粒子通过 云洗过程被清除要比无云的大气中快得多，尤其是亚微米级粒子。 应当指出，云洗过程本身并不能完成清除过程。如果云最终没有形成降水， 云消失时水分蒸发原来的凝结核和被云滴捕获的气溶胶粒子重又回到气溶胶状 态，大气中悬浮的颗粒物总质量并未改变，只是粒度频谱分布发生了变化。 二、水冲刷 冲刷是雨滴从云底降落到地面，在降落过程中捕获粒子而使之从大气中清除 的机制。这种机制通常是通过降水滴造成的惯性清除和与降水有关的扩散清除完 成的。 由降水造成的惯性清除，就是雨滴降落过程中通过惯性碰并捕获粒子的过 程。这一过程的物理模型是，当障碍物( 如雨滴) 下落时，扫过某一体积的空气， 这一体积的空气被分开雨滴得以通过。其中的粒子将跟随空气流动。由于惯性作 用，一部分粒子能够与雨滴发生碰撞。碰撞并不一定被雨滴所捕获，一些粒子可 1 3 笫1 章绪论 能跳回或被空气重新卷挟。碰撞后并 合在雨滴中的效应称为碰并因而， 这里可以定义出碰撞效率、碰并效率 和捕获效率几个惯性碰并的参数。 当粒子大小一定( j d ，和r 几乎不 变) ，雨滴下降造成的去除效率取决于 u r 。1 吮m 的大云滴下降的速度u 遵 守斯托克斯定律，u r 随尺呈线性增 加。一旦捕获小滴的半径超过4 0 1 比m 时就会明显偏离斯托克斯定律，此时 u 随尺增加变慢。事实上u r 有一个 极大值，如图1 4 所示。 对于位势流，捕获效率e = & 是 一种相当好的关系式，这意味着直到 & 一1 。粒子均能被有效地捕获，而那 些数很小的粒子，被捕获的效率很 低，甚至根本不被捕获。 图1 4 降水小滴的末速度、雷诺数以及下降 速度与半径的比值 f i 9 1 4t e r m i n a lv e l o c i t y , r e y n o l d sn u m b e ra n d t h er a t eo fd e s c e n d i n gs p e e da n dr a d i u sf o r p r e c i p i t a t i o nd r o p l e t s 所以，随着气溶胶粒子尺度的减小， 大约在半径为1 m 或稍小于1 t m 时，捕 获效率发生急剧变化，即从有效捕获变为 很少捕获或不被捕获。因为大雨中水分较 多，并以大粒子形态存在，因此在惯性捕 获粒子过程中，u r 值比小雨滴或毛毛雨 更小。但是，对小雨滴来说，流型是粘滞 性的，而当雨滴半径接近或超过l m m 时， 流型逐渐变为湍流性。因此，u r 随尺增 加而减小，被由于流型改变而造成的更有 效捕获所弥补。这种捕获可以通过关于大 粒子的位势流作近似处理 关于与降水有关的扩散清除，和惯性 清除半径大于1 口m 的租粒子恰好相反， 是由于做扩散运动的粒子向下降着的雨 滴扩散而被清除的。 1 4 半径c m ) 图1 5 小气溶胶粒子被雨滴扩散清除的效率 f i 9 1 5e f f i c i e n c yo fs m a l la e r o s o lp a r t i c l e sc l e a r e db y r a i n d r o p 第1 章绪论 由麦克斯韦理论可以导出粒子向孤立球的扩散通量： f 一锄黜。 尺为球的半径，d 为扩散系数，n 。是离球很远处粒子的浓度， 程为： o n 。d v 2 刀一y v ni n l ， ( 1 - 2 7 ) 此时扩散方 ( 1 - 2 8 ) ，为流体的速度。在稳定条件下，流动由雷诺数p r v o l , 7 表征，且扩散场中包 括了附加项r v o d ，定义2 r v o d 为“p e c l e t ”数。所以，一个j 下在下降的雨滴通过 扩散系数为d 的粒子，其捕获率完全由雷诺数( r e ) 和p e c l e t 数( e e ) 决定，即 e d z l