室内气态污染物中甲苯的净化处理方法研究进展

林显珍，应柳枝，褚燕琼，黄小敏，林良柱

(湛江师范学院 广东高校新材料工程技术开发中心，广东 湛江 524000)

室内空气质量与人们生活息息相关. 随着生活水平的提高，室内装饰日趋精致，人们生活也日益舒适. 但“福兮祸之所至”，室内空气质量也随之变得恶劣，影响着人们的身心健康.

1 室内空气中甲苯的来源及危害

在众多室内污染物之中，甲苯是常见的挥发性有机化合物(VOCs)之一. 居室内建筑材料、装饰材料、人造板家具等会散发出醛类、芳香烃类化合物等有害物质. 其中以芳香烃类化合物(如甲苯)最为突出. 据美国 EPA统计数据显示，无过滤嘴香烟，主流烟中甲苯含量大约是100～200 μg. 甲苯对人体的伤害主要以蒸气形式由呼吸道吸入，或者经皮肤和消化道吸收. 甲苯属于低毒物质. 若人吸入高浓度的甲苯时中枢神经系统有麻醉作用；其对皮肤、黏膜都有较强的刺激作用. 有报道称甲苯在反复暴露情况下(如用鼻吸入)会使大脑和肾受到永久损害；若孕妇接触高浓度甲苯，则可能会引起婴儿先天性缺陷. 因此净化室内空气中的甲苯显得尤为重要.

2 室内空气中甲苯的处理措施

吸附法、催化氧化法、热焚烧法是属于传统的净化处理甲苯的方法,传统的方法在经济上和处理效率上都存在着一定的缺陷. 因此，要净化室内空气中的甲苯必须要达到在常温下脱除并且脱除效率高、操作工艺简单、成本低及无二次污染的标准. 我们将从物理法、化学法、生物法三个方面来简述降低室内空气中甲苯的工艺.

2.1 物理法

利用活性炭纤维的强吸附性来吸附室内的VOCs.

由表1可知，活性炭纤维(ACF)具有比表面积大、微孔丰富，孔径小且分布窄，具有较大的吸附量和较快的吸附速度，再生脱附容易，工艺灵活等特点. 尤其，ACF对低浓度的污染物具有良好的吸附能力[1]，可以避免漏吸. 目前，ACF已被广泛应用于甲苯废气的处理.

表1 ACF的基本性质Table 1 The basic properties of ACF

在实际应用中， Yoon-Nelson模型[4]可以很好地拟合甲苯在ACF上的吸附穿透曲线；热空气脱附活性炭纤维再生实验表明，在T=403.15 K 、流量Q=10.0 L/min的条件下，ACF具有良好的回收效果，并且再生后吸附效率也在80%以上. 但此方法所需脱附温度比较高，对于高浓度的甲苯污染的吸附处理的效果不是很理想，有待改善.

2.2 化学法

利用化学反应，使用化学试剂吸收室内有毒、有害气体.

2.2.1 光催化降解法

光催化降解室内甲苯的机理：

2.2.2 循环的存储-放电等离子体催化

最近几年,在净化VOCs的领域中，非平衡等离子体技术结合催化技术已成为该领域中的研究热点之一[6-9]. 大连理工大学研究小组报道了一种循环的存储-放电(CSD)等离子体催化的新工艺[10-13],它是由循环“存储”和“放电”的两个阶段的操作组成的. 在存储阶段储存空气污染浓度较低的有机挥发性化合物，然后在放电阶段等离子体催化氧化有机挥发性化合物，生成二氧化碳(CO2)和水(H2O). 在此基础之上,采用这种CSD等离子体催化新工艺对模拟室内空气中低浓度甲苯的脱除进行了研究[14]. 在实验研究过程中, Ag/HZSM-5催化剂显示了对甲苯的选择性存储的优势和等离子体催化氧化甲苯的良好性能. 当实验条件为P输入=40 W,t放电=10 min，存储在Ag/HZSM-5催化剂上的甲苯基本上全部被等离子体催化氧化为CO2(碳平衡接近100%, CO2选择性为98.2%). 若将反应产物进行质谱和红外光谱实验，发现在放电阶段没有甲苯的脱附现象. 虽然以银作为催化剂载体成本有点高，但是CSD等离子体催化新过程对于快速高效净化室内空气中的甲苯具有较好的发展前景. 同时CSD等离子体催化新工艺实现了“低能耗”和“无二次污染物”的目标. 这就促进了等离子体技术在净化室内空气领域中的应用研究.

2.2.3 电化学反应法

可用于对甲苯等有害气体作处理的电化学反应法有很多，如三维电极反应器反应法. 三维电极反应器为柱状结构. 用三维电极反应器反应法来净化室内空气中的甲苯的基本过程如下：首先，把室内空气通入到电解反应器(具有多对网状电极叠加的反应器)，然后第三电极中的活性炭颗粒对室内空气中的甲苯进行吸附. 接通电源，电化学反应在电极表面发生，在反应器内的粒子的一端发生阳极反应，另一端发生阴极反应，这样，整个粒子就成了一个立体的电极，而粒子间也构成无数个微电解池. 在电解过程中产生的氧化性极强的自由基团(如·O、·OH)与甲苯发生了化学反应，最终得到可溶性物质，从而净化了室内空气中的甲苯[15].

浙江工业大学课题组研究发现甲苯通过反应器(如图1的实验流程装置图)后能够被有效地降解，当电流密度等于0．05 A/cm，气体流量为2 000 mL/min时，质量浓度为1 300 mg/m3的甲苯废气在反应器中的去除率超过40%. 通过对液相产物的分析，发现甲苯降解后的主要产物为苯甲酸. 但这个实验的效率并不高，若能在气体停留在装置中的时间、活性炭等方面加以研究，此方法会有很好的发展前景.

1-氮气钢瓶；2-氧气钢瓶；3、4-转子流量计；5-甲苯鼓泡瓶；6-三维电极反应器；7-直流电源图1 实验流程装置图Fig.1 Schematic diagram of the experimental system

2.3 生物法

利用微生物对多种有机物和某些无机物进行氧化降解的过程，以此来处理净化室内气态污染物中的甲苯. 我国从20世纪90年代起就开始对采用生物法来处理室内空气污染气体进行研究. 其中，生物过滤法是净化室内空气的常用方法之一. 其主要包括生物过滤池法和生物滴滤法[16]两种.

2.3.1 生物过滤池法

1-增湿器；2-生物滤池图2 生物滤池处理有机废气工艺流程Fig.2 Flow chart of organic waste-gases treatment with biofilter

生物过滤池具有良好的透气性,能够保持一定的水量，并且微生物能够依靠填料中的有机质生长，无须另外投加营养剂，因此能有效地去除甲苯. 但其易造成由微生物生长和生物疏松引起的空间堵塞.

国内有许多关于生物过滤系统处理气态污染物中甲苯的研究报道. 昆明理工大学的孙佩石等采用预先筛选好的菌种进行甲苯废气的净化，在废气含量为86.4～190.8 mg/L，停留时间是6.2～13.6 s，每升体积的生物膜对甲苯的生化去除量最大可达157.13 mg/h[17]. 中科院生态环境研究中心对苯系化合物进行了好氧降解菌的驯化和筛选，对几种气态苯系物利用生物过滤法进行处理，除三甲苯外，其他化合物的降解率都达到100%[18].

2.3.2 生物滴滤池法

生物滴滤池是介于生物过滤池和生物洗涤器之间的一种处理技术，生物吸收和生物降解同时发生在一个反应装置内. 生物滴滤池与生物过滤池相比，最大的区别在于其填料上方设有喷淋循环液装置(结构见图3). 生物滴滤池不仅可以很好地解决生物过滤池中的压实滤料和滤料降解问题，还可以把微生物的代谢产物去除且可以精确控制其pH，适用于高负荷及代谢过程产酸等场合. 但其缺点是需要添加营养物，运行成本较高. 同济大学对甲苯废气进行了生物滴滤池法处理，研究表明：当t=15.7 s, 甲苯负荷低于280 g/(m3·h)时，去除效率可达90%以上[19]. SORIAL等人采用滴滤池处理苯及苯的同系物(如甲苯)，当t= 60 s, BTEX负荷为1.8 kg COD/(m3·d)时，总去除率可达99%[20].

1-贮水槽；2-生物滴滤池图3 生物滴滤池处理有机废气的工艺流程Fig.3 Flow chart of organic waste-gases treatment through biotrickling filter

随着新型生物法净化甲苯技术的发展，出现了结构新颖的生物活性泡沫乳液反应器[21]等新技术. 这也说明利用生物法处理含有苯、甲苯、二甲苯污染物的空气的技术正在飞快发展. FARSHID等人利用生物活性泡沫乳液反应器来处理空气中的苯、甲苯、二甲苯,实验结果显示平均消除能力(EC)为220 g·m-3·h-1. 总的来说,生物反应器的开发可能会非常有效地净化甲苯.

3 结语

室内空气质量的优劣，关系到我们的身心健康，关系到我们的生活质量. 作者从物理、化学、生物三个方面对空气中甲苯净化处理技术进行了简述，新技术的发展还不够成熟,成本较高,且副作用尚有待研究. 目前来看，循环的存储-放电等离子体催化甲苯的技术的发展势头较好，很有发展前景. 生物活性泡沫乳液反应器会有不错的市场价值. 相信在不久的将来,随着新技术新方法的进一步成熟,居住者们将不再为室内污染物而发愁,我们将会有一个舒适清新的居住环境.

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