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室内VOCs及其碳吸附净化法

2010-12-01 15:27:44 来源: 作者: 【

   摘 要 随着室内新型建筑装饰材料和日用化学品的大量使用以及室外环境中VOCs浓度的不断升高,使得室内VOCs的污染状况日趋严重,由此导致室内空气品质(IAQ)下降。本文介绍了室内空气环境中VOCs的来源及其处理方法,并重点介绍了碳吸附净化法的研究进展。 

   关键词 挥发性有机化合物 碳吸附法 活性碳 活性碳纤维 

   1概述

   日常生活中,绝大多数人70%以上的时间都是在居室和公共场所的室内度过的,因此,室内空气品质(IAQ)与人体健康密切相关。随着新型建筑装饰材料和日用化学品的大量使用,导致许多化学物质不断释放到室内,由此导致 IAQ下降已成为全世界瞩目的室内环境问题。发达国家从60年代就开始关注 IAQ问题,但早期研究以 SO2、NOX、CO、TSP等无机污染为主,近些年来,低浓度、高毒性的挥发性有机化合物(VOCs)在室内空气中污染影响日趋严重,国内外的调查和研究表明,造成IAQ恶化的主要原因在于室内空气中VOCs含量过高。室内VOCs的含量过高将会对人体健康带来十分不良的影响,医学研究表明,VOCs会对人体的呼吸系统、心血管系统和神经系统产生明显的不良影响,甚至还会致癌,VOCs是产生病态建筑物综合症 (SBS)的主要原因之一。在我国,由于新建建筑多,装修量大,虽然制定了《室内装饰装修材料内墙涂料中有害物质限量国家标准》(GB18582-2001),但全面执行还有相当困难,IAQ问题较发达国家严重得多。深入细致地开展室内空气中VOCs的污染控制研究,对提高室内空气质量具有十分紧迫和重要的意义。 

   2室内VOCs的来源及控制方法 

   2.1室内VOCs的来源 

   1989年WHO定义VOCs是一组沸点从 50℃ 至 260℃ 、室温下饱和蒸气压超过133.322Pa的易挥发性化合物。其主要成分为烃类、氧烃类、含卤烃类、氮烃及硫烃类、低沸点的多环芳烃类等。室内VOCs的来源主要有两个方面,一是由建材、家具以及装修过程中使用的粘结剂、化学涂料等释放;另一个来源是室外空气中的VOCs进入室内。 

   据日本政府的一个调查小组经过检测后宣布,日本大约有30%的住宅因为使用有害化学物质而引发“新居综合症”[1],其调查内容是以甲醛、甲苯、二甲苯和乙苯等四种化学物质为对象,使用检测仪器对4500户住宅进行检测,取得上述有害气体在室内空气中24小时的平均浓度,结果显示:27.3 %的住宅中的甲醛值、12.3 %的住宅中甲苯值和0.13%的住宅中的二甲苯值都明显超标。李延红等[2]对新装修的住宅进行了调查,结果显示,竣工6个月内的住宅,有47.4%的居留者感觉有眼刺激症状,5.9%的居留者感觉有上呼吸道刺激症状;竣工6~12个月的住宅,统计数值分别为29.6%和4.0%,而对照组的统计数值仅为4.6%和0.6%。由此可见,在进行住宅装修过程中使用的大量化学物质,散发的VOCs对室内IAQ有很大影响,并且影响时间很长。Huang等[3]建立了数学模型来模拟干燥的建筑材料中VOC的释放率问题,模型考虑了材料内部的质量扩散过程和边界层的对流与扩散过程,将模拟结果与实验进行了比较,结果显示,空气流速对VOCs的释放率有较大影响,随着速度的增大,扩散率也显著增大。 

   目前我国城市 室外大气中的VOCs的浓度也很高,使得VOCs得以通过通风进入室内,导致IAQ下降。在市区,机动车尾气成为室外最主要的VOCs污染源,分析结果表明,其VOCs主要是单环芳烃和低碳数脂肪烃,如苯、甲苯、二甲苯和碳数为6~11的正烷烃、支链烷烃、环烷烃等,多环芳烃以菲和苯并芘为主。龚幸颐等[4]对北大校园区室内VOCs研究发现,室内总VOCs浓度中由室外汽车尾气产生的以芳香烃和烷烃为主的VOCs占76%~92%,可见,受室外汽车尾气污染明显的室外空气必然会通过通风换气使室内VOCs浓度升高。王思跃等[5]报道北京大气中苯、氯仿和苯乙烯等可致癌物在大气中的含量已经远远超过美国和加拿大1989年推荐的长时间暴露癌变可能性最高值,其中北京1995年大气中苯日平均含量就已经高出美国推荐值的44%,1999年第1季度实测平均值已经超出美国1.5倍,1999年第1季度阴雾天气下测定平均值,也比美国、加拿大1989年推荐的短时间暴露癌变可能性危险值高得多,其中氯甲烷比美国推荐值高5.2倍,比加拿大推荐值高45倍。苯乙烯为大气中恶臭物质,并有较强的光化学活性,发达国家对此种物质在大气中的含量限制在很低的水平,而北京大气中苯乙烯的年平均体积分数在5×10 - 9以上,污染高峰时可达50×10 - 9。 

   2.2室内环境中VOCs的控制方法 

   图1列出了降低室内VOCs浓度、改善IAQ的途径和方法。使用VOCs零排放的建材或装修材料,采用源头治理最为理想,但近期难以实现。加大室内新风量虽然可以降低室内VOCs浓度,但空调或采暖能耗也将明显增加,且有的地区部分时段室外大气中的VOCs浓度也比较高,即使加大新风量,也难以改善室内空气品质。因此在我国目前的情况下采用空气净化器消除室内VOCs是比较行之有效的方法。目前常规处理低浓度挥发性有机物的方法是半导体纳米材料光催化分解法和活性碳吸附法。使用半导体纳米光催化材料消除VOC是近年来兴起的一项新技术,自1972年Fujishima和Honda[6]发现在受辐照的TiO2上可以持续发生水的氧化还原反应并产生氢以来,半导体光催化得到了进一步的研究。由于它具有能耗低、操作简便、反应条件温和、可减少二次污染以及能够连续工作的优点,其应用日益受到人们的重视。但对于利用纳米TiO2光催化分解VOCs这一极具应用前景的方法,由于其关键机。

  理问题还没完全解决,离市场化还有一定距离。活性碳吸附法则是一种传统的处理VOCs的方法,其处理成本低,效果显著,多年来一直得到广泛的应用。 

  3碳吸附法净化VOCs 

  碳吸附法是目前处理低浓度VOCs的有效方法之一。活性碳用于空气净化多年,它主要被加工成颗粒状或粉末状,以及用来去除空气中的有机气体和气味。由于处理空气通过活性碳吸附器时过大的阻力,目前粉末状活性碳逐渐被活性碳纤维取代。 

  3.1活性碳吸附VOCs

  活性碳是一种多孔介质,带有不同种的孔结构,通常能够由多种材料经碳化和活化制备,如泥煤、煤炭、坚果壳、褐煤、锯末、合成聚合物等。 

  活性碳吸附VOCs的能力在很大程度上依赖其表面微孔。Chiang 等[7]研究了三种由不同原料制成的活性碳的孔结构及其在吸附VOCs时的依赖性,泥煤基活性碳的VOCs吸附量几乎不依赖于温度,通过对活性碳吸附四氯化碳、三氯甲烷、苯、二氯甲烷的研究,发现由于高的吸附热和吸附过程中的低的熵变,苯是最易吸附的。陈秋燕等[8]研究了影响活性碳吸附苯系物的条件,用苯、甲苯、二甲苯作为VOCs的代表物,研究VOCs浓度、物化性质及气流量对活性碳吸附的影响。 

  强化吸附过程的热质传递是改善活性碳吸附VOCs性能的重要途径。Chiang等[9]研究了苯和丁酮在七种不同的活性碳样品上吸附的热动力学参数,得到了苯和丁酮吸附热、焓、自由能和熵,结果显示,苯的吸附热大于丁酮的吸附热,苯更易吸附在活性碳上。Wang等[10]对活性碳吸附碳氢化合物时在多孔碳颗粒中发生的几种不同的质量传递机理进行了研究。Do等[11]对活性碳吸附甲烷、乙烷、丙烷时的表面扩散率进行了研究。Fiani等[12]对活性碳吸附n-丁烷进行了研究,发现温度和吸附质分压力对吸附动力学和吸附容量有较大的影响,温度在吸附过程中发生了强烈的变化,并建立了吸附过程动态模型描述了热质传递现象。 

  3.2活性碳纤维吸附VOCs

  活性碳纤维亦称纤维状活性炭,是一种性能优于活性炭的高效活性吸附材料和环保工程材料。与传统的粒状活性炭相比,具有吸附容量高,吸附、脱附速度快,低浓度下的吸附性能更突出等优点。更重要的是活性碳纤维可以加工成毡状、毯状,使其可以直接安装于空调系统进行空气净化,同时空气通过时流通阻力大大降低。说明吸附特性最重要的参数是比表面积,比表面积越高,吸附能力越大,其中微孔起到很重要的作用。活性碳纤维有70%微孔(活性碳仅10%),比表面达 2000m2 /g(粉尘状活性碳为1000 -1200 m2 /g)。它是由纤维状前驱体,经一定的程序炭化活化而成。较发达的比表面积和较窄的孔径分布使得它具有较快的吸附脱附速度和较大的吸附容量,并具有耐酸碱耐腐蚀特性,使得其一问世就得到人们广泛的关注和深入的研究。用作活性碳纤维前驱体的有机纤维主要有纤维素基,PAN基,酚醛基,沥青基,聚乙烯醇基,苯乙烯/烯烃共聚物和木质素纤维等。由于是纤维状,它可加工成纸、毯、布等形状,易于成型、不粉化,在振动条件下不会产生装填松动或过分密实的情况。活性碳纤维超过50%的碳原子位于内外表面,构筑成独特的吸附结构,被称为表面性固体。它是一种典型的微孔炭(MPAC),孔隙直接开口于纤维表面,超微粒子以各种方式结合在一起,形成丰富的纳米空间。 

  Navarri 等[13]对由聚合物原材料碳化和活化制成活性碳纤维吸附VOCs进行了研究,以二甲苯、乙酸乙酯和全氯乙烯作为测试气体,研究表明,活性碳纤维的比表面积强烈地影响二甲苯的吸附量,吸附量随比表面积增加而增加,但乙酸乙酯的吸附量则与比表面积的变化没有多大关系,此外被吸附气体的物理化学性质对吸附也有很大影响,越易挥发的气体,吸附容量越低。Fuertes等[14]研究了活性碳纤维吸附VOCs时吸附剂的比表面积、被吸附气体类型、浓度和速度等过程变量对吸附性能的影响,结果显示,在吸附n-丁烷时当吸附质浓度较高时,吸附量是吸附剂孔容积的函数,当吸附质浓度较低时,吸附量主要依赖于吸附剂的孔尺寸分布。另外,这种活性碳纤维在吸附不同的吸附质时,对高浓度吸附质,吸附量与吸附质的性质及孔容相关,对低浓度吸附质,吸附量能依据吸附质的摩尔等张比容值精确预测。 

  对活性碳纤维进行表面改性和修饰也能提高其吸附性能。Rong等[15] 采用空气氧化方法对活性碳纤维孔表面的化学性质进行了修饰,结果显示对活性碳纤维采用氧化处理后,在吸附甲醛时能显著增加吸附容量和穿透时间。此外,活性碳纤维的制备条件对其微观吸附特性也有较大影响,M.A.等[16]研究了利用不同前驱体材料制备了窄孔高孔容的活性碳的活化方法,用这种活化方法所制得的活性碳能高效去除VOCs。 

  4结论

  随着有机产品大量使用和室外环境中VOCs浓度的不断升高,室内环境中的VOCs的污染越来越严重,控制VOCs污染,改善IAQ已成为当务之急。活性碳纤维以其对低浓度VOCs高净化效率和显著的节能优势而成为改善IAQ最有前景的技术之一。加大对活性碳纤维材料空气净化器的研究力度,使其尽早市场化对于美化生活环境、保护人体健康具有十分紧迫和重要的意义。 

  参考文献 

1 蔡敏钊,林雪南.中国涂料,2002,(1):18~20 
2 李延红,薄萍等.中国公共卫生,1999,15(8):751~752 
3 H.Huang.Building and Environment,2002,37:1127~1138 
4 龚幸颐,白郁华等.环境科学研究,1998,(6):21~25 
5王跃思等.气候与环境研究,2000,5(1):13~19 
6尚静等.环境污染治理技术与设备,2000,(3):67~76 
7 Yu C.C.,Pen C.C.,et al..Carbon,2001,39: 523~534 
8 陈秋燕,袁文辉等.华南理工大学学报,2000,28(10):117~120 
9 H.L.Chiang,C.P.Huang,P.C.Chiang.Chemosphere.2002,46:143~152 
10 K. WANG, S. QIAO ,X. HU.Adsorption,2001,7:51~63 
11 D.D. DO,H.D. DO. Adsorption,2001,7:189~209 
12 E. Fiani.J.of Thermal Analysis and Calorimetry,2000,60:557~570 
13 P Navarri.Filtration and Separation,2001,(1):33~40 
14 A .B. Fuertes,G.Marban,D.M.Nevskaia.Carbon.2003,41:87~96 
15 Haiqin Rong,Zhenyu Ryu,et al..Carbon,2002,40:2291~2300 
16 M .A.Lillo Rodenas.Fuel Processing Technology,2002,77:331~336

 

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Tags:净化 责任编辑:chenxiaofang
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