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室内空气污染治理刻不容缓 精选

已有 15227 次阅读 2018-3-13 13:51 |个人分类:科学书摘|系统分类:观点评述


空气污染,又称为大气污染,按照国际标准化组织(ISO)的定义,通常是指人类活动或自然过程引起某些物质进入大气中,呈现出足够的浓度,达到足够的时间,并因此危害了人类的舒适、健康或环境的现象。


国际上对空气污染的定义还有另一种说法:空气污染即空气中含有一种或多种污染物,其存在量、性质及时间会伤害人类、植物及动物等生物,损害财物或干扰舒适的生活环境,如臭味的存在。换言之,只要是某种物质存在的量、性质及时间足够对人类或其他生物、财物产生影响,就可以称为空气污染物;而其存在造成的现象,就是空气污染。

 

空气污染物分为悬浮颗粒物和气态污染两种。


悬浮颗粒物有微生物和粉尘等。


气态污染物有酸性气体,如二氧化硫、氮氧化物等;碱性气体,如氨气;挥发性有机气体,如甲醛、挥发性有机化合物(volatile organic compounds,VOCs)(苯系物、酮类、醇类、醛类、酸类、醚类等)、对流层臭氧和氡气。


空气净化常见材料


空气净化材料按照净化原理和净化对象可分为过滤材料、抗菌材料、吸附材料、催化材料以及吸收材料五大类。


01.过滤材料

  

过滤材料通常是以植物纤维、合成纤维、无机纤维等为原料,添加适量的化学品,使用造纸设备和造纸工艺抄造而成的、具有良好过滤性能、疏松多孔的过滤介质。大多数过滤材料需要用树脂补强,各种纤维组成有深度的网状结构,不同树脂具有不同的补强效果。

 

过滤材料使用的纤维,主要有天然纤维、人造纤维、合成纤维、无机纤维、特殊纤维、纳米纤维等。其中无机纤维中玻璃纤维以其具有耐腐蚀、耐湿、耐热等众多优点而广泛应用于防毒面具、高效空气过滤器及亚高效空气过滤器。

 

过滤材料要既有效地拦截尘埃粒子,又不对气流形成过大阻力。无规则排列的纤维材料符合这些要求。杂乱交织的纤维对粉尘形成无数道屏障,纤维间宽阔的空间允许气流顺利通过。图1为纤维空气过滤材料拦截尘埃粒子的微观图。从图中可以看出,尘埃等在纤维材料中聚结在一起。随着对高效空气过滤器功能的要求越来越高,过滤材料的功能也要求越来越多。例如,抗菌性的过滤材料,就不能简单依靠拦截,而必须将细菌杀死,否则细菌在过滤材料中滋生繁衍会带来更多的问题。许多金属离子有杀菌效果,其中最常见的是银离子。理论上来讲,材料中的银离子缓慢迁移至材料表面,微生物的蛋白质因与银离子接触而凝固,导致微生物死亡。实际上将此理论付诸实践也正是目前的最新研究热点。


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图1 纤维空气过滤材料拦截尘埃粒子微观图


02.抗菌材料


一些特殊环境,如无菌病房、无菌实验室对空气的洁净度有很高的要求,必须采用抗菌材料对空气中飘浮的微小颗粒、病菌加以去除。

 

抗菌材料是一类具有杀菌、抑菌性能的新型功能材料,其核心成分是抗菌剂,将极少量的抗菌剂添加至普通材料中制成抗菌材料,用它们制成的制品也就具有卫生自洁功能。


抗菌剂分为无机抗菌剂和有机抗菌剂两类。其中无机抗菌剂包括金属离子(Ag+、Cu2+、Zn2+等)型(如银-沸石、银-活性炭、银-硅胶、银-磷酸盐等)和氧化物光催化型(如TiO2、ZnO、MgO等),将其制成纳米级后,由于比表面积增大,可以更好地吸附微生物,因此有更好的抗菌效果。有机抗菌剂分为天然、低分子和高分子有机抗菌材料。天然抗菌材料来自天然提取物(如壳聚糖、甲壳质等),还包括桧柏、艾蒿、芦荟等的提炼产物,其耐热性差,应用范围窄;低分子有机抗菌材料主要有季铵类、吡啶、胍类、卤代胺等,往往因受热或溶出而丧失抗菌性能,毒性大、对环境污染大、不易加工且使用寿命较短;研究者将这些有机抗菌材料抗菌活性基团的单体直接聚合或通过无机金属离子、有机抗菌基团改性或无机/有机抗菌基团共同修饰得到高分子有机抗菌材料,其抗菌活性更高,而且性能稳定、易加工、抗菌长效。


03.吸附材料

 

吸附利用多孔性固体吸附材料来处理气体混合物,使其中所含的一种或数种组分吸附于吸附材料表面,从而达到分离的目的。


由于吸附材料的选择性高,它能分离其他方法难以分离的混合物,有效地清除浓度很低的有害物质,净化效率高,设备简单,操作方便,所以该法特别适合室内空气中VOCs、NH3、H2S、SO2、NO等气态污染物的净化。

 

常用的吸附材料有活性炭、活性氧化铝、硅胶、分子筛、沸石、凹凸棒土、海泡石和蒙脱石等。


04.催化材料


催化材料是指一种能够降低化学反应所需能量、加速化学反应速率的物质。相比于过滤和吸附材料,催化材料可以快速地将有害气体氧化分解,变成无害气体,无二次污染,达到彻底净化空气的效果,而不是简单地拦截和吸附。世界上能作为催化材料的物质有很多,根据治理的目标污染物进行分类,有除甲醛催化材料、除NOx催化材料、除O3催化材料、除CO催化材料、除SO2催化材料等;根据材料自身组成分类,有贵金属催化材料、碱金属催化材料、过渡金属催化材料、复合金属氧化物催化材料、稀土元素催化材料等;根据使用温度分类,有常温催化材料、低温催化材料、高温催化材料。目前,在空气净化领域常见的催化材料有光催化材料、室温催化材料和高温催化材料。

 

1972年,Fujishima和Honda以TiO2为光阳极,利用紫外线照射将水分解为氧气和氢气;1976年,Carey等成功地将光催化用于降解水中的有机污染物,这两个重要发现标志着多相光催化从基础研究到应用研究新时代的开始。从20世纪90年代起,光催化技术迅速发展,广泛应用于降解室内污染、工业水污染、大气污染等领域。光催化法即在光催化材料的存在下,利用光源对催化剂的激发作用,使污染物在光催化剂表面降解达到治理的目的。与吸附法、负离子法、低温等离子体法、高温催化法等现有净化技术相比,这种深度氧化的光催化技术具有成本低、矿化率高、适用范围广、二次污染少等优势,逐渐成为当前最具潜力的VOCs净化技术之一。太阳能的利用、环境污染的治理都是人类面临的重要课题,如何利用太阳光降解污染物成为人们关注的热点。因此,开发出高性能、廉价的环境友好型可见光催化材料会带来巨大的社会效益和环境效益。

 

目前研究较多的半导体光催化剂有TiO2、CdS、ZnO、Fe2O3、Cu2O、WO3、SnO2等。


TiO2是最具代表性的光催化材料,具有禁带宽度大、低毒、稳定性好和成本低等优点,几乎可将全部有机污染物分解为二氧化碳和水等小分子,净化室内空气的应用前景广阔。虽然光催化剂优点显著,但也存在自身特有的缺点,如大部分光催化材料吸附能力有限,光催化氧化反应速率与光利用率低等。因此,在实际应用中要对光催化材料进行改性,如金属阳离子改性、非金属阴离子改性、半导体复合等。

 

早在1986年,就有研究者发现甲醛在贵金属氧化膜上产生二氧化碳,当温度为150℃时,甲醛在贵金属氧化膜上完全分解为二氧化碳和水;1995年,有研究发现在473K以下,银负载催化材料有活性,但催化剂很快失活,在473K以上温度时,甲醛在银负载催化材料上能分解完全。这些催化反应都需要在高温条件下才能进行,而在日常室内净化空气应用中,更迫切需要能在常温常压下催化氧化有害气体的材料。从此,开启了降低催化材料反应温度、提高催化材料活性、延长催化材料失活期研究的序幕。

 

根据催化原理和类型,可以将催化材料分为光催化材料、常温催化材料和高温催化材料三类。


05.吸材料


吸收法净化气体污染物是利用废气中各混合组分在选定的吸收材料中溶解度不同,或者其中某一种或多种组分与吸收材料中活性组分发生化学反应,从而将有害物从废气中分离出来,净化废气的一种方法。根据吸收材料的物理化学性质,气体吸收分为物理吸收和化学吸收。物理吸收是利用气体混合物在吸收材料中溶解度的差异而使其分离的过程。

 

化学吸收是伴有显著化学反应的吸收过程。一般来说,化学反应的存在能提高反应速率,并使吸收的程度更趋于完全。由于大气污染治理工程中所需要净化治理的废气具有气量大、污染物浓度低等特点,混合气体与吸收材料接触时最终会达到吸收和解吸的平衡,而一般气体污染物在吸收材料中物理吸收平衡时的溶解度很低,净化效率不高,因此实际应用中多采用化学吸收法。


实际生活中,室内空气污染物种类繁多,成分复杂,对人体健康的影响呈现长时间、低剂量、弱效应和联合作用的特点,因而治理难度更大。而室内空气净化方法种类繁多,各有优缺点。单一的净化材料均有各自的局限性。因此,在实际的应用过程中常将不同的材料和技术组合使用,以达到有效净化空气的效果。



本文摘编自《空气净化材料》文前及第一章,内容有删减,题目为编者所加。


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空气净化材料

“十三五”国家重点研发计划项目基金资助

杜 峰 主编 

责任编辑:惠 雪  曾佳佳  罗 娟

北京:科学出版社 2018.01

ISBN 978-7-03-056350-7

随着我国PM2.5污染及雾霾天气大范围的持续出现,空气污染监测和治理开始受到人们的普遍关注和重视。空气净化材料系统综述了空气净化材料的基础定义、分类、结构、性能、制备、应用及发展趋势,重点论述反映当代空气净化材料科学发展的前沿领域。


(本期编辑:安 静)


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