《室内装修污染处理研究（论文）》

第1章绪论1.1选题背景由于经济的飞速发展，房屋的室内装修和家具已经多样化，室内空气污染问题也日益受到关注。现代人80％以上的时间都在室内度过，但实际上，室内正成为越来越多人最直接，最频繁的生活环境。同时，室内空气质量的优缺点受到越来越多的关注。近年来，空气质量问题变得越来越严重，空气污染已从烟尘污染变为复杂污染，污染物的种类也越来越复杂。其中，挥发性有机化合物（VOC）的污染也引起了越来越多的关注。VOC主要分为烷烃，芳烃，酯和醛，常见的VOC主要有苯，二甲苯，甲醛，甲苯，苯乙烯，三氯乙烯，氯仿，三氯乙烷和二氯甲烷。由于诸如异氰酸酯（TDI）和二异氰酸酯甲苯酯之类的室内和室外空气在循环，因此室内空气的质量将逐渐下降。室内空气质量与人类健康息息相关，因为人类每天有90％的时间在室内工作或生活，而老年人和儿童则需要长时间工作。室内挥发性有机化合物受通风，人类活动，家具，自然过程或其组合的强烈影响。目前对室内挥发性有机化合物的研究主要体现在对室内挥发性有机化合物技术和材料的清洁高效处理，室内挥发性有机化合物污染源的分析以及空调和净化器的应用研究上。由于室内环境中VOC的浓度极低且种类繁多，在处理过程中可能导致交叉污染，因此仍然没有办法完全去除室内空气中的VOC，值得进一步研究。本文介绍了室内VOC处理技术以及这些技术存在的问题，并对它们进行了研究和分析。1.2研究意义环境污染是指不利的行为，由于人类的不当操作或自然的恶性变化，环境难以通过产生对环境有害的物质来消化自身。它具有时间连续性，空间扩散，无限影响，形式多样，可变性和复杂性的特点。熟悉的环境污染主要包括空气污染，水污染，噪声污染和土壤污染。空气污染所特有的是，空气中的有害物质已经达到对人类和自然环境构成威胁的水平，这对生物的生存和社会的发展极为不利。空气污染物的类型很多，包括气态化合物和氧化物，粉尘，薄雾和烟雾等微粒污染物。处理空气污染非常复杂，这是因为污染物在时间和空间上以不可预测的方式显示。它可能以多种组合或变化形式出现，并且由于气候，季节和地形等许多因素的影响，总体和区域特征存在差异。此外，气体还具有易于扩散的特点，因此很难控制空气污染。由于越来越多的环境问题，特别是室内环境的污染，三苯污染也越来越引起人们的注意，人们花费了大量的智慧和精力来解决污染问题，并进行了有效的吸收方式，吸收会污染环境的挥发性有机气体。根据在线浏览相关资料，笔者主要研究活性炭的吸附性能和结构，在挥发性有机气体处理方法中，吸附法具有处理效率高，操作简便，处理成本低等优点，是最广泛使用的重金属污水处理技术之一。许多研究证明，活性炭吸附法处理三苯气体污染是一种有效的技术方法，具有很好的处理效果。在此背景下，希望总结活性炭吸附三苯气的技术以及活性炭的制备和改进，为本文的活性炭研究提供参考。1.3本文主要研究内容本课题内容为活性炭与VOCs物性对吸附性能的影响以及构效关系研究，鉴于活性炭的孔结构和表面化学特性对其吸附性能产生显著影响，本文将重点说明活性炭的孔隙结构、活性炭表面化学性质，并且通过改性引入化学官能团，并调整活性炭孔隙结构，以提高其吸附能力。实现途径：本研究从宏观和微观的不同角度，针对活性炭对VOCs的吸附现象，从材料科学、化学、等学科交叉融合的角度，以活性炭和VOCs微尺度结构与表面物理化学状态影响有机气体吸附性能这一认识为出发点，采用由微观逐渐进入宏观领域的研究思路，利用恒温吸附实验装置，对活性炭吸附有机气体进行实验测试，应用物理化学的研究方法，深入探讨有机气体在活性炭多孔介质内复杂的表面物理化学状态和相互作用机制，通过计算机软件、数学方法和实验研究相结合的方法，探讨有机气体在活性炭上吸附的基本规律。

第2章空气污染物及挥发性有机气体（VOCs）2.1室内空气污染物的种类通过直接或间接方式损害人体的物质。室内空气污染物可分为两类：气态污染物和颗粒污染物，主要包括甲醛，苯，TVOC和装修后产生的粉尘。汽车尾气和三苯之类的物质包括苯，甲苯和二甲苯。2.2室内空气污染物的来源2.2.1室内装修材料及家具的污染室内装修材料污染是室内空气污染的主要原因。主要是所有常见的家庭装修材料，例如油漆，胶合板，刨花板，薄膜填料，内墙涂料，塑料贴面和其他用于家具装修的材料，例如甲醛，苯，甲苯，乙醇，氯仿等。含有有机蒸气。由于这些物质具有很高的致癌性，因此在翻新房屋以防止对人体的严重伤害之前，有必要从专业的空气环境检查机构获取证明，然后再入住房屋。2.2.2建筑物自身的污染由于很少有居民选择在住宿后直接入住，因此，由于大多数人需要进行简单的翻新才能办理入住手续，因此应忽略建筑本身造成的污染。近年来，污染已逐渐引起人们的关注，建筑物本身污染的主要原因是添加防冻剂和氨水，以确保建筑工程的坚固性和抗冻性。将这些物质添加到墙体后，施工进展顺利，无法在短时间内分解释放，造成不可避免的污染。另一个是建筑物所在环境造成的污染，墙壁霉菌和其他污染，主要是由建筑工地和建筑材料引起的，尤其是某些大理石材料本身释放的放射性物质，以及潮湿的环境是造成空气污染的不受控制的因素。2.2.3建筑垃圾和生活用品所带来的污染在施工过程中，涉及的部门很多，施工人员很多，使用的建筑材料也很多，因此产生了大量的废物，例如生活垃圾和建筑垃圾。将其完全清洗并直接掩埋，腐蚀污染了建筑物周围的环境。相应地，室内环境的空气质量也受到污染。其次，随着生活质量的提高，许多空气冷却装置在使用过程中会排放大量有害气体，在这过程中导致室内空气污染。燃烧产物和厨房烟气成分以及家庭用品和家用电器中使用的某些天然气的污染是造成室内空气污染的原因。2.3挥发性有机气体（VOCs）2.3.1VOCs的来源室内挥发性有机化合物的来源主要包括家用消费品（家用电器，木制和塑料家具），胶粘剂和建筑材料，厨房油烟，生活垃圾。建筑和装饰材料是许多VOC的主要来源，此外，溶剂型涂料，木材防腐剂和胶合板在室温下也会释放出多种VOC。甲醛是我们室内空气中最容易被超过的VOC之一，也是最有害的VOC之一。GB50325-2014《土木工程室内环境污染控制条例》规定室内空气中甲醛含量不得超过0.1mg/m3。室内空气中的甲醛主要来自木制家具和材料，例如MDF家具，胶合板家具和复合地板。这些家具和材料通常使用脲甲醛树脂作为粘合剂，该粘合剂在使用过程中会分解并释放甲醛。脲醛树脂主要用于材料和接缝中，因此甲醛释放缓慢，持续且持久。据报道，脲醛树脂的甲醛释放期约为3至15年。就甲醛而言，室外空气中的甲醛浓度通常为ppb级，远低于住宅和办公室空气中的甲醛浓度。在这种情况下，适当的空气交换和通风可以显着降低室内空气中的甲醛浓度。芳族化合物，也称为苯类，例如甲苯，二甲苯和乙苯，通常衍生自复合地板，涂料，家具涂料和墙面涂料。乙醛主要来源于食品调味料，苯胺，化妆品和塑料制品。烟草燃烧也是室内VOC的重要来源，烟草燃烧可产生100多种VOC，包括苯系，羰基化合物和醌化合物。此外，人体新陈代谢还会产生少量的挥发性有机化合物，例如丙酮，乙醛，甲醇等其他醛类化合物。2.3.2VOCs的种类挥发性有机化合物是各种气态有机化合物，在室温下的沸点为50-260℃。根据其化学结构，它可以进一步分为烷烃，芳烃，酯，醛等。目前，已经确认了300多种类型。最常见的是苯，甲苯，二甲苯，氯仿，三氯乙烷，苯乙烯，三氯乙烯，二异氰酸酯和二异氰基甲苯。工业企业的中挥发性有机废气主要按生产来源分类，包括油漆废气，塑料，塑料废气，常规废气，化学有机废气和印刷废气。2.3.3VOCs的危害挥发性有机化合物容易被人体皮肤和粘膜吸收，并可能对人体器官和代谢系统造成灾难性破坏。VOC对人体健康有很大影响。当人在环境中达到一定浓度的挥发性有机化合物时，很快会感到头晕，头痛，恶心，呕吐，疲劳等。在严重的情况下，抽筋，昏迷，受伤的肾脏，肝脏，大脑和神经系统会导致严重后果，例如贫血和记忆力减退。长时间接触VOC可能导致急性和慢性疾病。对健康的主要影响包括呼吸系统，肺癌，眼睛和喉咙刺激，还会导致疲劳，头痛，头晕，恶心，嗜睡和抑郁等神经系统症状。2.3.4VOCs的处理方法常规的VOC处理方法主要包括吸收法，冷凝法，吸附法，膜分离法，直接燃烧法，催化燃烧法，光催化法和生物法。低温等离子体处理ＶＯＣｓ技术研究进展第3章挥发性有机气体（VOCs）的治理技术3.1主要治理技术苯等挥发性有机气体的处理方法也就是VOC净化技术，包括物理吸附，低温等离子体，臭氧氧化和光催化氧化技术。其中，物理吸附技术被广泛应用于室内空气净化领域。低温等离子体，臭氧氧化和光催化氧化技术主要用于工业领域，它们在室内空气净化领域的应用仍处于研究和改进阶段。3.1.1物理吸附技术物理吸附技术主要使用多孔吸附材料吸附VOC，净化室内空气。常用的物理吸附剂主要是活性炭颗粒，活性炭纤维，沸石，分子筛和硅藻土。其中，活性炭颗粒，活性炭纤维和分子筛由于其比表面积大和高吸附容量而被广泛用作VOC吸附剂，活性炭和分子筛也是空气净化器吸附材料的首选。3.1.2臭氧氧化技术臭氧是一种氧的同素异形体，是一种浅蓝色气体，在室温下具有特殊的气味。氧气可通过电晕放电或紫外线产生臭氧，臭氧发生器在1990年代首次用作空气净化器，主要用于灭菌和除臭。3.1.3光催化氧化技术光催化氧化反应机理是将N型半导体作为紫外光作为催化​​剂，以还原或氧化O2并在催化剂表面微量H2O，通过光生电子和空穴产生超氧阴离子自由基和羟基自由基。两个高活性自由基将一些VOC氧化为二氧化碳和水，从而净化了空气。光催化氧化可用于灭菌以及VOC去除，近年来，光催化氧化室内空气净化产品已在中国市场积极开发。3.1.4低温等离子体技术等离子体是物质的第四种形式，之所以称为等离子体，是因为等离子体由大量带正电和带负电的粒子以及中性粒子组成，其中正电荷和负电荷相等。低温等离子体去除VOC污染物的机理如下，在外部电场的作用下，介电放电会产生大量高能电子，以轰击VOC分子，使其电离，离解和激发。这会导致一系列复杂的物理化学反应，这些反应会转变VOC，污染物分解为无毒无害的产品。此外，等离子技术可以在空气净化中发挥多种功能。除分解VOC污染物外，等离子工艺产生的静电还具有颗粒沉降作用。产生的紫外线具有毒性和杀菌作用，产生的臭氧也在一定程度上去除了某些VOC污染物。3.1.5联合净化技术由于单一净化技术或多或少地缺乏，因此期望结合两种或更多种空气净化技术来实现良好的净化效率。当前，最常用的纯化技术是物理吸附和光催化氧化的结合，以及结合物理吸附和等离子体的纯化技术。物理吸附剂通常存在吸附饱和问题，一段时间后，吸附剂饱和并失去其吸附能力，如果不及时更换或清洗，细菌很容易生长并引起二次污染。为了弥补单一吸附剂的缺点，通常将物理吸附技术与光催化净化技术结合使用，共同净化室内VOC污染物。通常将光催化剂负载在活性炭材料上以形成复合光催化吸附剂。另一方面，活性炭材料的吸附以极低的浓度吸附和浓缩室内空气中的VOC，增加了光催化剂表面上VOC污染物的浓度，加快了光催化分解反应的速率，并控制了VOC的释放，提高了污染物的净化效率。而且，吸附剂对有毒副产物的吸附可有效减少交叉污染。而VOCs的光催化降解可延迟吸附剂的吸附饱和，甚至实现吸附剂的再生，吸附剂的使用寿命越来越长等。3.2室内装修三苯气体污染的治理3.2.1三苯气体随着经济的发展和人口的增长，中国对住房的需求显着增加，不仅是购房者的数量，而且是出租房屋的数量。室内装修正受到关注，三苯气体通常残留在新装修的房屋中，这可能对人身有害。在2004年，世界卫生组织揭示甲醛是呼吸系统癌症（如鼻和鼻咽癌）的主要杀手。2013年，美国化学毒性委员会表示，甲醛还是引起白血病的重要致癌物。甲醛是一种无色有毒物质，具有强烈的气味。甲醛会刺激皮肤和呼吸道，是一种原生质毒物，可与蛋白质结合，引起气道发炎，眼痛，头痛和其他不适症状。吸入高浓度的甲醛会引起支气管哮喘，对人体健康乃至生命都可能有害。当甲醛浓度达到30mg/m2时，立即死亡。高浓度的甲醛也是遗传毒性物质，例如在实验过程中，实验动物可能吸收该甲醛，并引起鼻咽肿瘤。低浓度的甲醛不会导致死亡，但是长期暴露于低浓度的甲醛会导致慢性呼吸道疾病，即使细胞核中的基因也受到甲醛的影响，从而导致基因突变和异常的DNA改变。中国近95％的白血病儿童他们居住在新装修的房屋中，每年造成超过100,000人死于室内污染空气，其中大多数人受到甲醛的影响。甲醛出现在工业生产，房屋建筑，室内装潢，医疗过程，服装制造，食品生产和垃圾焚烧中，对人体构成严重威胁。大多数家庭通常使用甲醛和化学去除方法去除甲醛，但是植物去除方法只能去除少量甲醛，使用化学药品可以清除甲醛，但会损坏家具，同时，市场上的甲醛清除剂尚不明确，效果不完全，使用不当会造成污染。3.2.2活性炭活性炭是去除甲醛的最好方法。活性炭具有大孔，大比表面积和稳定的化学性质，因此它可以长时间吸收大气中的甲醛。作为一种物理吸收方法，活性炭非常安全，不会造成二次污染或破坏，不仅如此，活性炭对气体和液体其他部分所含的有毒有害物质具有很强的吸附作用。活性炭主要由三种化学元素组成：碳，氢和氧，制备活性炭的主要原料是碳含量高的有机物，最常用的原材料是木材，煤炭，果壳和矿物。在生产和生活过程中，许多剩余的东西都可以用作生产活性炭的原料，同时，可以对其进行优化以减少环境污染和资源浪费。在此阶段，活性炭在农业，工业，环境保护，医药和食品生产等许多重要研究和实验领域中发挥着重要作用，即使长时间使用活性炭，它也不会表现出吸附性能，并且可以回收再利用。3.3活性炭配炭的吸附性能3.3.1活性炭的吸附作用吸附法具有简便，实用，环保等优点，是最有前途的去除方法。吸附方法去除VOC的效率主要取决于吸附材料。活性炭纤维（ACF）是在粉状和颗粒状活性炭之后开发的新型吸附剂，与常规活性炭相比，它具有出色的可模塑性，耐酸性，耐碱性，导电性和化学稳定性，它具有大的比表面积，并且直接在纤维表面上具有孔，并且具有优异的吸附能力。由于其吸附和解吸速率高，表面富集的官能团具有特定的吸附选择性，特别适用于挥发性有机化合物的吸附。VOCs在活性炭纤维上吸附性能的研究活性炭吸附剂是一种性能优异的多孔环境功能材料，是通过在臭氧或臭氧条件下活化含碳有机材料的高温热解而制得的。在活化过程中，它具有独特的吸附表面结构和化学性质。活性炭材料具有较高的机械强度，稳定的化学性能，耐酸性，耐碱性，耐热性，不溶于水和有机溶剂，可再生，并且是优异的吸附剂。3.3.2活性炭的孔隙结构活性炭具有出色的吸附能力的原因主要是由于其发达的孔结构和丰富的表面官能团。影响活性炭孔结构的主要参数是比表面积，孔体积和孔径分布。通常，比表面积和孔体积越大，活性炭的吸附能力越大。不同大小的孔径分布在吸附过程中起着不同的作用。国际纯化与应用化学联合会将孔径分为三个级别。孔径小于2nm的微孔，孔径2-50nm的微孔是中孔，孔径大于50nm的大孔[2]。图1活性炭孔径结构示意图微孔在活性炭的吸附过程中起主要作用，并决定活性炭的吸附量。中孔在聚合物污染物的吸附中起着重要作用，在某些压力下发生冷凝，也可用作吸附分子的通道。大孔通常充当通道，吸附物进入活性炭内部的微孔/中孔。与吸附的污染物相比，活性炭孔径和污染物分子大小之间存在兼容性问题。如图2所示，如果污染物的尺寸远小于活性炭的孔径，则污染物很容易解吸。如果孔径比活性炭大得多，它就不能进入活性炭孔。如果污染物的大小略小于或等于活性炭的孔径，毛细管凝结会在孔道中发生或直接捕获污染物，从而优化吸附效果。图2孔径和吸附质分子近年来，活性炭原料有两个主要的发展趋势，一是制造具有广泛用途的低成本通用产品，二是具有特殊用途的高性能。生产高性能的特殊活性炭是一种昂贵的原料，通常用于特殊用途。根据来源分类原材料分为两大类：植物和矿物质。其中，植物原料包括木材，稻壳，杏仁，橄榄核，椰子壳，核桃壳等。另外，矿物原料包括沥青，石油焦和无烟煤。3.3.3活性炭的孔隙结构活性炭通常是在高温碳化和活化后由含碳前体产生的。碳化过程的本质是碳富集过程，具有初步的小孔形成，展开的活性炭的孔结构主要在活化阶段形成，根据活化方法的不同，可以分为物理活化法，化学活化法，物理化学活化法等。物理激活方法。物理活化方法也称为气体活化方法。将原料碳化后，是在600至1200°C的高温下活化蒸汽，空气，二氧化碳和烟道气等气体的方法。在高温下，水蒸气，二氧化碳等都会起作用作为温和的氧化剂。碳原子碳材料与活化剂结合，并以CO+H：或CO的形式形成孔结构。反应的实质是活化气体与含碳材料内“活性位点”的碳原子反应，打开并扩展新的孔，在整个生成过程中形成越来越丰富的微孔。世界上超过70％的活性炭制造商使用气体活化方法生产活性炭，而我国也使用这种活化方法生产活性炭。该方法的工艺特点是：活化时间长，活化温度高，能耗高，反应条件温和，设备原料要求低，环境污染小。化学活化法。化学活化方法是将化学试剂嵌入碳颗粒的内部结构以形成微孔，然后进行一系列交联缩聚反应的方法。以此方式，将化学药品按特定比例添加到原料中，在惰性气体保护下加热，并且碳化和活化过程可以一步完成。在活化过程中，含碳材料会受到化学物质的腐蚀，H，O和其他元素以小分子形式（例如HO和CH）逸出，从而抑制了副产物焦油的生成并减少了活性炭。改善。常用的活化剂是会影响原材料（如KOH，NaOH，HPO和HSO）脱水或腐蚀的化学试剂[14]。化学活化方法具有三个主要缺点，它对设备具有很高的腐蚀性，严重污染环境，活性炭中残留有化学活化剂，其应用范围有限[15]。化学物理活化方法。首先，使用活性炭原料的化学预浸渍来改善原料的活性并在原料内部形成促进气体活化剂渗透的通道。常见的添加剂有FeSO，NaOH，CuO等。这种方法吸引了越来越多的关注，因为它可以生产出具有特殊孔隙分布的活性炭产品，并且可以在广泛的范围内增加孔隙的数量，但是在均匀性，有效性，激活程度等。

3.4恒温吸附实验在高环境湿度下，水蒸气倾向于沉积在活性炭的多孔表面上，从而失去了其吸附VOC的能力。此外，活性炭对所有VOC的吸附效率都不好，吸附后，有害气体会再次释放，造成二次污染。在300°C时，活性炭的再生效率可以达到75-95％，但是这种再生条件对于普通消费者而言很难实现。此外，由于活性炭与细菌的良好生物相容性，空气中的细菌极有可能附着在活性炭表面并迅速生长，代谢过程中会产生一些难闻的气味。(1)实验装置实验设置如图3所示。图3主要由三部分组成：VOC发生器，反应器和VOC浓度检测器。VOC气体通过N2载气和N2平衡气这两个气体路径生成。N2载气通过质量流量计测量，进入培养箱，从培养箱中除去挥发的有机蒸气，然后进入静态混合器和N2平衡气。进行混合，并通过调节挥发性瓶的直径，培养箱的温度以及平衡气和载气的量来控制生成的VOC气体的浓度。图3VOCs吸附-脱附实验装置示意图1—高纯氮气瓶;2—截止阀;3—质量流量计;4—恒温箱;5—VOCs挥发瓶;6—单向阀;7—静态混合器;8—三通阀;9—管式炉;10—石英管;11—FID检测器;12—热电偶温控箱内置的FID检测器可以在线测量VOC浓度。通过静态混合器后，气体以T形分成两个通道。一个直接进入总烃分析仪并测量反应器入口处的浓度，另一个穿过充满吸附剂的反应器到达总烃分析仪并测量反应器出口处的浓度。表1吸附质物理性质吸附质分子结构分子量沸点/℃偶极矩/D①相对介电常数分子最大横截面积/nm2苯78.1180.102.274~2.2920.4946甲苯92.14110.60.3752.364~2.3850.5189对二甲苯106.167138.502.22~2.2730.5681对二氯苯14717402.3940.6354苯酚94.11181.91.2249.78~12.400.5053(2)实验材料由三种不同材料制成的市售活性炭：椰子壳，木材和煤炭，以及分别用HCl和KOH溶液浸渍和改性的椰子壳活性炭。实验中总共使用了5种类型的活性炭作为吸附剂。将椰子壳，木材和活性炭基煤放在干燥柜中，并在110°C下干燥2小时，这些分别标记为YK，MU和MEI。椰子壳活性炭的HCl和KOH溶液的改性产物分别标记为HYK和KYK。具体的修改方法如下。将两个5g的YK样品分别置于50ml的15％HCl和KOH溶液中，磁力搅拌4小时，然后置于50°C水浴中。将锅加热15小时，用超纯水反复洗涤直至pH稳定，然后在110°C的干燥箱中干燥12小时，然后将样品放入密闭袋中。表1列出了实验中使用的吸附剂苯，甲苯，对二甲苯，对二氯苯和苯酚的主要特性。

第4章结语HCl和KOH溶液的浸入改性可以使活性炭产生更多的微孔，孔径小于0.7nm，但对对比表面积和孔体积影响很小。在高温下，活性炭对各种低浓度挥发性有机污染物的饱和吸附容量可达到71.56mg/g。通过使用较低的空速，最大渗透时间可以延长50％，以提高吸附效果。吸附该试剂对高沸点非极性吸附物具有优异的吸附效果。低沸点苯的饱和吸附仅为对二甲苯的17％至37％。丰富的超细孔可以使吸附剂对挥发性有机化合物的饱和吸附容量增加2.9至23.6mg/g，并且吸附剂表面官能团对吸附效果的影响是孔结构明显弱。吸附剂的解吸容易程度受其沸点的影响，高沸点吸附剂由于其强大的吸附能力而难以解吸，活性炭是一种具有发展潜力的碳材料多孔结构，吸附容量大，吸附速度快，易于再生。可以吸附甲醛，但是表面上的微孔和中孔的数量是有限的，并且当活性炭对甲醛的吸附达到饱和时，吸附性能趋于下降。另外，由于活性炭强度弱并且易于二次污染，因此需要对其进行改性。在本文中，我们介绍用于活性炭吸附以及相关改性的方法，为挥发性有机气体的处理提出一点见解。

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