目前,室內空氣的淨化技術主要有吸附、靜電、 負離子、低溫等離子體、光催化以及膜分離等。同時，臭氧空氣淨化和紫外線殺菌等空氣淨化方法。
2.1 吸附法淨化
吸附法是利用某些有吸附能力的物質如活性炭、al2o3 、硅膠和分子篩等吸附劑吸附空氣中有害成分從而達到消除有害污染物的目的。活性炭作為 一種吸附材料已有悠久的歷史,自20 世紀初活性炭實現工業化以來,就被廣泛應用於空氣淨化[5 ] 。
但是常規的活性炭有一些自身的缺陷,使其在 空氣淨化中的應用受到限制。近幾十年已研製出蜂 窩狀活性炭、活性炭纖維(acf) 和新型活性炭等。 其中,acf 由於其優越的吸附性能,成為近年來深受 人們青睞的吸附材料。它能有效除去空氣中的揮發性有害氣體,同時,對可吸入顆粒物也有很好的去除 效果。此外,在活性炭中添加一些物質經化學處理後,原來對活性炭吸附力很弱的氣體(如nox 和so2 等) 吸附力會增強[6 ] 。
acf 對於去除室內空氣中低濃度的污染物是非 常有效的,它是目前多種淨化設備中用於過濾濾芯 的一種主要材料。但是,能與活性炭發生反應的 vocs、會發生聚合反應的vocs 和大分子高沸點的 有機物等,不宜用該方法。同時,雖然活性炭具有良好的吸附性能,但由於它是將異味和臭氣等從一種 狀態轉化為另一種狀態而不能徹底地將之除去,從 而給環境造成二次污染[7 ] ,且難以再生重複使用。 至於沸石、分子篩在空氣淨化中的研究尚少有報道。而人工合成分子篩的價格昂貴,而且天然分子篩在吸附性能和孔隙率方面難以符合要求,也限 制了它們的廣泛使用。
2.2 靜電技術
靜電技術在工業除塵中的應用已有近100 年歷史,將其應用於小環境的空氣淨化是一種新型的空氣淨化方法。它主要是利用高壓靜電場形成電暈, 在電暈區裡有自由電子和離子逸出,這些帶電粒子 就會在運動中不斷地碰撞和吸附到塵埃顆粒上。從而使灰塵帶上電荷,荷電後的粉塵等微粒在電場力 作用下,就會沉積並滑落。使空氣中的顆粒物和塵 埃等除去,達到使空氣潔淨的目的。靜電技術用於小環境空氣淨化可在有人的條件 下進行持續動態的淨化消毒,並具有高效的除塵作 用(除塵效率在90/100以上) 以及能同時除菌等特點。 因為空氣中的細菌大多附著在塵埃顆粒上,空氣中的微粒數的減少就標誌著細菌等微生物的減少,即能在除塵的同時除菌。但是其除菌的具體效果還有 待進一步驗證,而且該方法不能有效除去室內空氣中的有害氣體如vocs[8 ] 。同時該技術的使用會有臭氧的產生,而臭氧對人體是有害的[9 ] 。
2.3 負離子技術
利用一定濃度的空氣負離子來淨化空氣及消毒,是因為負離子極易與空氣中微小污染顆粒相吸附,成為帶電的大離子,沉落在地面等的表面,從而使空氣得到淨化。負離子能使細菌蛋白質表層的電性兩級顛倒,促使細菌死亡,達到消毒與滅菌的目 的。高壓電場會產生大量的負離子,負離子會隨著氣流擴散到空氣中,從而使人們在清潔的空氣中感 受負離子新鮮空氣。李長連[10 ]的研究表明,在實驗條件下,負離子的除菌效果超過濃度為3/100過氧乙酸的殺菌效果。蔣耀庭等[11 ]報道,在室內用人工負 離子作用2 h ,室內空氣中的懸浮微粒、細菌總數和 甲醛等的濃度都有明顯的降低。 該技術能較為有效地除去空氣中的細菌及塵埃,但是卻使塵埃易吸附在牆紙和玻璃等處,不能清 除出室內,而對於氣體污染物,如vocs 的去除有待進一步研究。同時由於通常使用的離子發生器往往 也伴有臭氧的產生。
2.4 低溫等離子體技術
近年來,低溫等離子體應用於污染控制成為一 個新興的交叉學科,目前國內外在該領域的應用研 究非常活躍。低溫等離子體內部富含電子、離子、自由基和激發態的分子,使氣體分子鍵打開,同時又產 生如·oh 等自由基和氧化性極強的o3 ,從而達到處理空氣中較低濃度揮發性有機物及微生物的目的, 其去除微生物的效果可達95/100[1 ] 。
人們已經研究利用低溫等離子體技術處理工業 有毒有害氣體。最近應用於汽車尾氣治理的研究也 已經有很多的報道[12 ] ,這些研究表明,低溫等離子 體技術對於汽車尾氣排放出的顆粒物、氮氧化物和 二氧化硫等具有顯著的去除效果。yan 等人[13 ]用低溫等離子技術對含有苯、氨、硫化氫及二氧化硫污 染物的室內空氣進行淨化實驗。在他們的實驗條件 下,以上4 種污染物都有較好的去除效果。但是該技術不能徹底降解污染物,往往伴有其 他副產物以及臭氧的產生,從而引起二次污染。所 以運用該技術需要有其他的後續處理技術以及有能耗大等問題[14 ] ,而且它不能很好地除去空氣中的細 微顆粒物。
2.5 光催化淨化
自從1972 年fujishima 等發現受輻射的tio2 表面發生持續的氧化還原反應以來,學者們掀起了光 催化的研究熱潮[3 ,7 ,15～18 ] 。該技術在紫外光照射 下,在室溫條件下就能將許多有機污染物氧化成無 毒無害的co2 和h2o。在紫外光照射下,tio2 光降 解氯代物[7 ] , 醛類、酮類、醇類[ 7 ,15 ] , 芳香族化合 物[3 ,16 ,17 ]以及其他無機有害氣體co、nox 等已有大 量的文獻報道[18 ] 。
甲醛和甲苯是室內空氣中的常見的有機污染 物。根據以前的研究報道[7 ] ,濕度和反應物濃度等都會影響著甲醛的降解效率,且隨濕度的增大,甲醛 的降解率有一最大值。而對於甲苯的研究發現, tio2 的制備方法[15 ]和尺寸的大小[16 ] 、污染物的濃 度以及反應物濕度等[3 ,7 ]對光催化效率均有影響。
許多學者[3 ,15～18 ]的研究表明,光催化是降解室內空 氣中揮發性有害氣體非常有效的途徑,但是不同的研究者取得的研究結果也有一些差異。augugliaro 等人[17 ]的研究發現,在他們的實驗中,甲苯降解後 的主產物是苯甲醛。而jo 等人[3 ]研究了用tio2 對 交通工具內的低濃度的vocs 進光降解。在實驗條 件下,不同的相對濕度對苯、甲苯以及二甲苯的3 種異構體的降解效率無明顯影響。他們的實驗結果顯 示,這5 種污染物的降解效率接近100/100 ,但降解率依賴於反應氣體流量的大小,而且有微量的co 副 產物形成。
用於光催化的納米tio2 同時還具有殺滅微生 物的功能[19 ] 。微生物如細菌等是由有機複合物構 成的,因此利用tio2 的光催化作用可以加以殺滅。 由於該技術的獨特優越性能,它是目前最具發 展前景的室內空氣淨化技術。但是它不能解決室內空氣中的懸浮物及危害很大的細微顆粒物問題,同 時催化劑微孔容易被灰塵和顆粒物等堵塞而致使催 化劑失活。
216 膜分離淨化
自從1979 年美國monsanto 公司屬下的permea 公司生產了1 套用於工業氣體分離的prism 聚合物膜裝置後,膜技術對氣體混合物的分離已被成功地 應用於工業,成為近幾十年來發展的化工單元操作 中最為有效的一種新單元。膜分離技術是一項簡單、快速、高效和經濟節能的新技術。用於氣體分離 的膜主要有有機聚合膜和無機膜。
有機膜分離技術已被成功應用於用其他方法難 以回收的有機物的分離,如醫院消毒用的cfc212 和 環氧乙烷、製冷設備(如冰箱等) 使用過程中排放回 收的cfcs 等。採用該方法回收有機廢氣中的丙酮、四氫呋喃、甲醇和甲苯等(濃度低於50/100) ,回收率可達97/100。將有機膜應用於室內空氣淨化的研究 目前尚少。
無機膜分離技術目前已經被廣泛應用於空氣分 離制取富氧、濃氮，天然氣分離、二氧化碳回收，煉 氣、石油化工及合成氨尾氣中氫的回收和酸性氣體脫除等領域。由於該技術具有熱穩定性好、化學性 質穩定、並且不被微生物降解以及較大的機械強度、容易控制孔徑尺寸等特點,將它用作室內空氣淨化 的主體或載體有著巨大的潛力。現已有關於用無機 陶瓷膜淨化室內空氣的報道[20 ] 。
在實驗條件下,用 該無機膜能100/100除去空氣中顆粒大於012μm 的顆 粒物,其對於細菌的總截留率也達到了99.199/100。有機膜具有高的分離係數,但是它存在氣體通 透量低、耐熱和耐腐蝕性差、使用過程中易老化和易 堵塞等缺點。無機膜具有較高的通透性和耐熱耐壓性能,但是它的氣體分離係數較低,因而其對室內空 氣中的低濃度的vocs 的去除效果不理想。
3 展 望
由於室內空氣污染來源廣、危害大,減少或消除 各種污染物就顯得尤為重要。現有用於室內空氣污 染控制的各種治理技術,都對室內空氣中的一些污染物有著很好的去除效能。但是它們都有各自的局 限性。 由於目前的各類室內空氣淨化技術都有其自身的缺陷,因而採用單一技術對室內空氣中的各種污 染物進行處理,難以取得令人滿意的效果。所以,現在迫切需要研究開發更有效的淨化技術。但在還沒 有找到一種可行的新技術能解決各種污染問題的情況下,集中幾種現有技術的優點,揚長避短將成為目 前的重要研究方向之一。
從各種淨化技術的淨化效果比較可以看出,無 機膜是除菌除塵的理想選擇，同時它還具有耐腐蝕、 機械強度高、使用壽命長和氣體通透性好等優點。而光催化技術在常溫、常壓的條件下,就能夠使反應 順利進行,而且能將空氣中的低濃度的有害氣體和異味徹底分解為無臭、無害產物,無二次污染,從而 徹底消除有害氣體。
如果將光催化技術和無機膜分離技術相結合, 利用無機膜為載體將tio2 負載到無機膜上,這樣就可以集光催化和膜分離技術於一體。由於無機膜能 很好地把顆粒物和細菌除去,從而避免了光催化因催化劑表面微孔的堵塞引起的失活問題,使光催化無需對廢水進行消毒殺菌,在工程上應用可大大降 低運行成本。
目前,室內空氣的淨化技術主要有吸附、靜電、 負離子、低溫等離子體、光催化以及膜分離等。同時，臭氧空氣淨化和紫外線殺菌等空氣淨化方法。
2.1 吸附法淨化
吸附法是利用某些有吸附能力的物質如活性炭、al2o3 、硅膠和分子篩等吸附劑吸附空氣中有害成分從而達到消除有害污染物的目的。活性炭作為 一種吸附材料已有悠久的歷史,自20 世紀初活性炭實現工業化以來,就被廣泛應用於空氣淨化[5 ] 。
但是常規的活性炭有一些自身的缺陷,使其在 空氣淨化中的應用受到限制。近幾十年已研製出蜂 窩狀活性炭、活性炭纖維(acf) 和新型活性炭等。 其中,acf 由於其優越的吸附性能,成為近年來深受 人們青睞的吸附材料。它能有效除去空氣中的揮發性有害氣體,同時,對可吸入顆粒物也有很好的去除 效果。此外,在活性炭中添加一些物質經化學處理後,原來對活性炭吸附力很弱的氣體(如nox 和so2 等) 吸附力會增強[6 ] 。
acf 對於去除室內空氣中低濃度的污染物是非 常有效的,它是目前多種淨化設備中用於過濾濾芯 的一種主要材料。但是,能與活性炭發生反應的 vocs、會發生聚合反應的vocs 和大分子高沸點的 有機物等,不宜用該方法。同時,雖然活性炭具有良好的吸附性能,但由於它是將異味和臭氣等從一種 狀態轉化為另一種狀態而不能徹底地將之除去,從 而給環境造成二次污染[7 ] ,且難以再生重複使用。 至於沸石、分子篩在空氣淨化中的研究尚少有報道。而人工合成分子篩的價格昂貴,而且天然分子篩在吸附性能和孔隙率方面難以符合要求,也限 制了它們的廣泛使用。
2.2 靜電技術
靜電技術在工業除塵中的應用已有近100 年歷史,將其應用於小環境的空氣淨化是一種新型的空氣淨化方法。它主要是利用高壓靜電場形成電暈, 在電暈區裡有自由電子和離子逸出,這些帶電粒子 就會在運動中不斷地碰撞和吸附到塵埃顆粒上。從而使灰塵帶上電荷,荷電後的粉塵等微粒在電場力 作用下,就會沉積並滑落。使空氣中的顆粒物和塵 埃等除去,達到使空氣潔淨的目的。靜電技術用於小環境空氣淨化可在有人的條件 下進行持續動態的淨化消毒,並具有高效的除塵作 用(除塵效率在90/100以上) 以及能同時除菌等特點。 因為空氣中的細菌大多附著在塵埃顆粒上,空氣中的微粒數的減少就標誌著細菌等微生物的減少,即能在除塵的同時除菌。但是其除菌的具體效果還有 待進一步驗證,而且該方法不能有效除去室內空氣中的有害氣體如vocs[8 ] 。同時該技術的使用會有臭氧的產生,而臭氧對人體是有害的[9 ] 。
2.3 負離子技術
利用一定濃度的空氣負離子來淨化空氣及消毒,是因為負離子極易與空氣中微小污染顆粒相吸附,成為帶電的大離子,沉落在地面等的表面,從而使空氣得到淨化。負離子能使細菌蛋白質表層的電性兩級顛倒,促使細菌死亡,達到消毒與滅菌的目 的。高壓電場會產生大量的負離子,負離子會隨著氣流擴散到空氣中,從而使人們在清潔的空氣中感 受負離子新鮮空氣。李長連[10 ]的研究表明,在實驗條件下,負離子的除菌效果超過濃度為3/100過氧乙酸的殺菌效果。蔣耀庭等[11 ]報道,在室內用人工負 離子作用2 h ,室內空氣中的懸浮微粒、細菌總數和 甲醛等的濃度都有明顯的降低。 該技術能較為有效地除去空氣中的細菌及塵埃,但是卻使塵埃易吸附在牆紙和玻璃等處,不能清 除出室內,而對於氣體污染物,如vocs 的去除有待進一步研究。同時由於通常使用的離子發生器往往 也伴有臭氧的產生。
2.4 低溫等離子體技術
近年來,低溫等離子體應用於污染控制成為一 個新興的交叉學科,目前國內外在該領域的應用研 究非常活躍。低溫等離子體內部富含電子、離子、自由基和激發態的分子,使氣體分子鍵打開,同時又產 生如·oh 等自由基和氧化性極強的o3 ,從而達到處理空氣中較低濃度揮發性有機物及微生物的目的, 其去除微生物的效果可達95/100[1 ] 。
人們已經研究利用低溫等離子體技術處理工業 有毒有害氣體。最近應用於汽車尾氣治理的研究也 已經有很多的報道[12 ] ,這些研究表明,低溫等離子 體技術對於汽車尾氣排放出的顆粒物、氮氧化物和 二氧化硫等具有顯著的去除效果。yan 等人[13 ]用低溫等離子技術對含有苯、氨、硫化氫及二氧化硫污 染物的室內空氣進行淨化實驗。在他們的實驗條件 下,以上4 種污染物都有較好的去除效果。但是該技術不能徹底降解污染物,往往伴有其 他副產物以及臭氧的產生,從而引起二次污染。所 以運用該技術需要有其他的後續處理技術以及有能耗大等問題[14 ] ,而且它不能很好地除去空氣中的細 微顆粒物。
2.5 光催化淨化
自從1972 年fujishima 等發現受輻射的tio2 表面發生持續的氧化還原反應以來,學者們掀起了光 催化的研究熱潮[3 ,7 ,15～18 ] 。該技術在紫外光照射 下,在室溫條件下就能將許多有機污染物氧化成無 毒無害的co2 和h2o。在紫外光照射下,tio2 光降 解氯代物[7 ] , 醛類、酮類、醇類[ 7 ,15 ] , 芳香族化合 物[3 ,16 ,17 ]以及其他無機有害氣體co、nox 等已有大 量的文獻報道[18 ] 。
甲醛和甲苯是室內空氣中的常見的有機污染 物。根據以前的研究報道[7 ] ,濕度和反應物濃度等都會影響著甲醛的降解效率,且隨濕度的增大,甲醛 的降解率有一最大值。而對於甲苯的研究發現, tio2 的制備方法[15 ]和尺寸的大小[16 ] 、污染物的濃 度以及反應物濕度等[3 ,7 ]對光催化效率均有影響。
許多學者[3 ,15～18 ]的研究表明,光催化是降解室內空 氣中揮發性有害氣體非常有效的途徑,但是不同的研究者取得的研究結果也有一些差異。augugliaro 等人[17 ]的研究發現,在他們的實驗中,甲苯降解後 的主產物是苯甲醛。而jo 等人[3 ]研究了用tio2 對 交通工具內的低濃度的vocs 進光降解。在實驗條 件下,不同的相對濕度對苯、甲苯以及二甲苯的3 種異構體的降解效率無明顯影響。他們的實驗結果顯 示,這5 種污染物的降解效率接近100/100 ,但降解率依賴於反應氣體流量的大小,而且有微量的co 副 產物形成。
用於光催化的納米tio2 同時還具有殺滅微生 物的功能[19 ] 。微生物如細菌等是由有機複合物構 成的,因此利用tio2 的光催化作用可以加以殺滅。 由於該技術的獨特優越性能,它是目前最具發 展前景的室內空氣淨化技術。但是它不能解決室內空氣中的懸浮物及危害很大的細微顆粒物問題,同 時催化劑微孔容易被灰塵和顆粒物等堵塞而致使催 化劑失活。
216 膜分離淨化
自從1979 年美國monsanto 公司屬下的permea 公司生產了1 套用於工業氣體分離的prism 聚合物膜裝置後,膜技術對氣體混合物的分離已被成功地 應用於工業,成為近幾十年來發展的化工單元操作 中最為有效的一種新單元。膜分離技術是一項簡單、快速、高效和經濟節能的新技術。用於氣體分離 的膜主要有有機聚合膜和無機膜。
有機膜分離技術已被成功應用於用其他方法難 以回收的有機物的分離,如醫院消毒用的cfc212 和 環氧乙烷、製冷設備(如冰箱等) 使用過程中排放回 收的cfcs 等。採用該方法回收有機廢氣中的丙酮、四氫呋喃、甲醇和甲苯等(濃度低於50/100) ,回收率可達97/100。將有機膜應用於室內空氣淨化的研究 目前尚少。
無機膜分離技術目前已經被廣泛應用於空氣分 離制取富氧、濃氮，天然氣分離、二氧化碳回收，煉 氣、石油化工及合成氨尾氣中氫的回收和酸性氣體脫除等領域。由於該技術具有熱穩定性好、化學性 質穩定、並且不被微生物降解以及較大的機械強度、容易控制孔徑尺寸等特點,將它用作室內空氣淨化 的主體或載體有著巨大的潛力。現已有關於用無機 陶瓷膜淨化室內空氣的報道[20 ] 。
在實驗條件下,用 該無機膜能100/100除去空氣中顆粒大於012μm 的顆 粒物,其對於細菌的總截留率也達到了99.199/100。有機膜具有高的分離係數,但是它存在氣體通 透量低、耐熱和耐腐蝕性差、使用過程中易老化和易 堵塞等缺點。無機膜具有較高的通透性和耐熱耐壓性能,但是它的氣體分離係數較低,因而其對室內空 氣中的低濃度的vocs 的去除效果不理想。
3 展 望
由於室內空氣污染來源廣、危害大,減少或消除 各種污染物就顯得尤為重要。現有用於室內空氣污 染控制的各種治理技術,都對室內空氣中的一些污染物有著很好的去除效能。但是它們都有各自的局 限性。 由於目前的各類室內空氣淨化技術都有其自身的缺陷,因而採用單一技術對室內空氣中的各種污 染物進行處理,難以取得令人滿意的效果。所以,現在迫切需要研究開發更有效的淨化技術。但在還沒 有找到一種可行的新技術能解決各種污染問題的情況下,集中幾種現有技術的優點,揚長避短將成為目 前的重要研究方向之一。
從各種淨化技術的淨化效果比較可以看出,無 機膜是除菌除塵的理想選擇，同時它還具有耐腐蝕、 機械強度高、使用壽命長和氣體通透性好等優點。而光催化技術在常溫、常壓的條件下,就能夠使反應 順利進行,而且能將空氣中的低濃度的有害氣體和異味徹底分解為無臭、無害產物,無二次污染,從而 徹底消除有害氣體。
如果將光催化技術和無機膜分離技術相結合, 利用無機膜為載體將tio2 負載到無機膜上,這樣就可以集光催化和膜分離技術於一體。由於無機膜能 很好地把顆粒物和細菌除去,從而避免了光催化因催化劑表面微孔的堵塞引起的失活問題,使光催化無需對廢水進行消毒殺菌,在工程上應用可大大降 低運行成本。
