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空气环境安全是人类赖以生存的根本保证之一。近年来,我国雾霾、酸雨等区域性大气污染问题日益突出,严重威胁群众健康,影响空气环境安全。调查显示,世界上污染最严重的10 个城市有7 个在中国,全国500 个城市中,空气质量达到世界卫生组织推荐标准的不足5 个,经济发达地区(如华北、长江中下游和华南地区)污染趋势增加,且存在持续时间长、范围广、影响大、污染重等特点。研究表明,空气环境污染物含有高毒、持久、生物积累性和远距离迁移性的物质,能累积持久存在于环境中,对人类健康造成持久的伤害。因此,治理空气污染已成为我国的重大民生问题。
对于室内空气质量的研究基本上始于1962 年,丹麦奥尔胡斯大学成立的“室内气候研究组”(Indoor Climate Research Group,ICRG),经过50 余年的发展,目前世界上主要国家和地区都有大量的研究人员及机构从事相关领域的研究,该领域涉及化学、材料、环境、建筑等多个学科,也是基础研究与实践应用紧密结合的中心点。研究关注的重点也由最初的热舒适性、湿度等基本性质,转移到环境相关的化学物质上,由二氧化硫、氮氧化物、颗粒物等外源性污染物,向挥发性有机污染物(volatile organic compounds,VOCs)半挥发性有机物(semi-volatile organic compounds,SVOCs)、异味物质以及这些物质在室内的化学反应、二次污染物(如细微颗粒物)等领域扩展。
与此同时,研究关注的场所也由普通的居室空间,向办公室、商城、体育馆、地下停车场等人员更密集、空气组成更复杂的空间延伸,由此也暴露出除上述问题外,如运动场馆消毒剂残留污染物、地下停车场氮硫氧化物、潜艇和空间站等密闭空间空气净化等一系列更为复杂的问题。同时,从国防安全的角度出发,如何安全、高效地处理一些高毒性气体,也是保证国家安全迫切需要解决的问题。这些问题不仅仅对现有分析手段提出了新的要求,也对空气净化技术提出了全新的挑战。
光化学净化研究现状及进展
活性炭吸附是目前常用的室内空气净化技术,该技术是依靠吸附材料巨大的比表面积,吸附处理有害气体,常用的吸附剂有颗粒活性炭、活性碳纤维、凹凸棒和分子筛混合物等,其中又以颗粒活性炭和活性碳纤维最常用。这种固体吸附方法主要是静态的吸附作用,净化有害气体的效果不太明显,因此,仅能用于小范围,如抽屉、柜子等。另外,这个吸附作用是一种可逆的物理作用,吸附饱和后就会原位释放,反而造成更大的二次污染。如何让活性炭、活性碳纤维等与纳米催化活性材料结合,使吸附的有害物质在吸附剂表面发生不可逆降解反应,从而达到“吸附-降解-消除”的效果,成为目前有效处理室内环境污染的一个重要研究方向。
光催化技术在室内空气净化方面有着独特的优势,它是一种始于20 世纪80 年代的高级氧化技术,无需任何其他化学试剂,无二次污染,可以在常温常压和光照的条件下,无需二次能源,直接将饱和烷烃、烯烃、卤代烃、芳烃、醇、醛、酮等挥发性有机污染物催化降解为二氧化碳和水或其他无机、安全的形式。
光催化技术净化室内空气具有高效、无毒无害、成本低等优势。不仅如此,光催化空气净化技术的研究目标,也由传统的室内污染物,向结构更复杂、毒性更高的化学毒物,如糜烂性毒剂(芥子气等)、神经性毒剂(沙林、维埃克斯等)拓展。研究表明光催化剂可以以较高的反应活性和量子效率,实现快速矿化、降解毒物分子,反应生成的挥发性产物基本无毒。因此,光催化空气净化技术已经成为研究热点,具有在今后的日常生活、工业生产、国防战争中发挥重要作用的前景。