室内空气净化技术概论

室内空气净化技术概论摘要现代人平均有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111万人，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、PM25、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100M的颗粒、PML0可吸人颗粒物，即空气动力学直径小于或等于10M的颗粒和PM25细粒子，即空气动力学直径小于或等于25M的颗粒，其中PM25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PM25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3001065000106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YKJ180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NONTHERMALEQUILIBRIUMPLASMA。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300500K。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产生很大的影响，即使是同一种等离子体，也会因条件的改变出现不同的放电形式，如电晕放电可分为正极放电和负极放电，而这两种等离子体又会因电压的升高而出现不同的放电形式。等离子体化学中用到的是低温等离子体，低温等离子体按产生的方式、压强范围、电极形状可分为五类1辉光放电等离子体GLOWDISCHARGE2电晕放电等离子体CORONADISCHARGE3介质阻挡放电等离子体DIELECTRICBARRIERDISCHARGE4射频放电等离子体RFDISCHARGE5微波放电等离子体MICROWAVEDISCHARGE等离子体化学的产生有两个要素一是激发并维护等离子体放电；二是如何在等离子体内引发化学反应。在气体压强较低时这两个条件都比较容易实现，高气压条件则相对困难,因此要使等离子体中的电子获得较高能量而又不致于过度到高温等离子体，对放电形式就提出较高的要求，一般认为，脉冲电晕放电和介质阻挡放电是比较合适的放电形式。这种办法有见效快，无污染，能耗低，不留死角的特点。可以定期采用；缺点是耗电量大而且作用时间较短，需要不定期进行处理。该法工业上用的较多，室内使用较少，有待进一步完善。（4）封闭法原理是使用专用的密封剂密封释放污染物的材料表面，封闭释放污染的缝隙，阻止污染物向室内散发，主要适用于家具、墙体。优点在于见效快、使用简单、方便；缺点是不能彻底根除污染物，一旦封闭物质遭到破坏就失去了效果。（5）植物生态法在居室内放一些抗污染的花草，也能起到“空气净化器的作用。如吊兰、芦荟、兰花、一叶兰、虎尾兰、大花蕙兰和龟背竹均能对甲醛污染有去除作用；而常青藤、天南星的苞叶、铁树等则对苯有净化作用。但由于夜间植物呼吸作用旺盛，释放出二氧化碳，因此卧室内不宜放过多的植物；卫生间、书房、客厅、厨房的装修材料不同，污染物质也不同，可以选择不同数量、不同净化功能的的植物。一般来说，大约每10M2面积内放置1盆2盆花草就能起到去除污染的效果。该方法的优点在于比较经济实用，且属于生物技术，不会产生二次污染；缺点是如摆放过多，夜间会使房间内二氧化碳浓度过高，影响健康。（6）化学反应法利用能与室内空气中污染物发生氧化反应或配位化学反应的化学试剂，生成无害物质，常见的有CLO2、生物提取液中的蛋白质和酶，该方法虽然每次使用成本低，但对TVOC的消除率不足40，时效性极短，叠加成本很高。优点在于成本低廉、使用方便；缺点是大量反复使用会造成新的二次污染。（7）膜分离方法该技术原理是利用有机蒸气与空气透过膜的能力不同，使二者分开。其过程分两步首先压缩和冷凝有机废气，而后进行膜蒸气分离。装置的中心部分为膜元件，常用的膜元件有平板膜、中空纤维膜和卷式膜。膜分离法在物流流量和VOC浓度方面适应范围较宽，弥补了炭吸附法和冷凝法的不足，扩大了VOC回收的种类，较适合于处理VOC浓度较高的物流，运转费用与物流流速成正比，与浓度关系不大。对大多数间歇过程，因温度、压力、流量和VOC浓度会在一定范围内发生变化，所以要求回收设备具有较强的适应性，膜系统正能满足这一要求。用该法可回收的VOC有脂肪族和芳香族碳氢化合物、氯代烃、酮、醛、腈、酚、醇、胺、酸、氯氟烃等，如丁烷、辛烷、三氯乙烯、二氯乙烯、苯乙烯、丙酮、乙醛、乙腈、甲基溴、甲基氯、甲基异丁基酮、二氯甲烷、氯仿、四氯化碳、甲醇、环氧乙烷、环氧丙烷、CFC11、CFC12、CFC13、HCFC12等。该方法的优点在于操作简单、不会产生二次污染，缺点是膜的成本较高。（8）臭氧氧化方法利用臭氧强氧化性净化空气的治理技术，可清除空气中的有害成分，此法是目前国际公认的室内空气治理的一种常用、安全的物理方法，它适用于中度、轻度污染。其明显特点在于不会生成任何残留物及二次污染。但采用这种技术对居室进行治理时，人要暂时离开房间，避免臭氧中毒，而且需要不定期进行重复处理。该法优点在于其寿命长、功率可调、能耗小；缺点是对无机物无效，有副产物，臭氧浓度过高时对人体有负面影响。（9）“空气触媒”净化方法该净化方法是光触媒的升级替代产品，“空气触媒”的成份是纳米级磷酸二氧化钛，钛化物喷射到物体表面后，伴随着水分的蒸发钛化物出现脱水缩合，48H内形成透明坚固的多孔质无机物聚合物薄膜（厚度为005NM05NM的非结晶体）。当多孔质无机物聚合物薄膜与空气中的水及氧气接触时，在空气中生成大量氧原子和氢氧游离基。氢氧游离基具有从有机物中夺取氧的强大力量，可有效分解各种有害气体，抑制细菌生长，除臭、防霉变，保持空气的持久清新。“空气触媒”的特点为即使在无光照的条件下也能对各种装饰污染起到分解作用，对甲醛等有害气体的分解效果可达到90以上，效果远远高于其它产品。并且施工方便，不需要粘结剂就可以附着在各种物体的表面，不会因为使用粘结剂（有机溶剂）造成空气的二次污染。“空气触媒”不损坏施工材料的颜色，对纤维、树皮、树脂等材料施工后的实验表明，实验物品的变褪色（级）都小于5，可判断为几乎无颜色变化。“空气触媒”只对空气中的氧和水分子进行催化，本身不参与反