室内空气挥发性有机物研究进展

2013-12-07 07:01马俊杰
河北工业科技 2013年5期
关键词:室内空气光催化活性炭

薛 璐,马俊杰

(西北大学城市与环境学院,陕西西安 710127)

室内空气挥发性有机物研究进展

薛 璐,马俊杰

(西北大学城市与环境学院,陕西西安 710127)

挥发性有机物(VOCs)是主要的室内空气污染物。主要从室内挥发性有机物的污染现状出发,重点探讨了室内VOCs的模型模拟和VOCs安全限量值的研究,分析了室内VOCs监测和净化技术,进而,指出目前研究中存在的问题,并提出了今后研究工作的方向。

室内空气污染;挥发性有机物;研究进展

1 研究背景及意义

室内空气中挥发性有机物(VOCs)的种类繁多,来源广泛[1]。建材装修[2-3]、家具、壁纸、化纤地毯、香水、香烟、厨房油烟[4-10]等日常生活用品以及汽车尾气、工业废气[11-12]等室外污染物都是室内VOCs的重要来源。

挥发性有机物对人体健康危害严重。研究表明:若长期处于含有挥发性有机物的环境中,会引起呼吸道毒性、神经毒性、心血管毒性、肝肾毒性、免疫系统毒性并且具有致癌性。研究表明挥发性有机物对新生儿、儿童的生长发育、男性和女性生殖系统疾病和早期的老年痴呆症都可能产生重要影响[13-19]。因此,研究室内挥发性有机物对改善室内环境和保障人体健康具有重要意义。

2 研究进展

2.1挥发性有机物污染现状

对室内挥发性有机物污染现状的研究有助于对它更好地了解并更有效地控制。国内外一些权威机构及学者对室内挥发性有机物进行了一些实例研究。LUYSSEN等对9个欧洲国家的56栋建筑进行了挥发性有机物的测量[20],结果表明,在建筑物室内总挥发性有机物(TVOCs)的浓度有不同程度的超标现象,并且总挥发性有机物的浓度值与楼层高低有关,低楼层内的总挥发性有机物的浓度值受室外汽车尾气影响较大,较高楼层内的总挥发性有机物的浓度污染则主要来自装饰材料和办公设备的表面挥发物;KRAUSEHE和BRICKUS等分别监测了德国和巴西家庭环境中50多种不同种类挥发性有机物的值,结果表明:甲醛和苯系物是室内主要的挥发性有机物[21-22];国内的相关研究有:彭燕等、刘建磊、朱孔敏分别对广州市、杭州市、长沙市的室内家居环境挥发性有机物的现状做了调查和分析[23-25];龚幸颐等、董燕分别对北京大学、东北师范大学的室内挥发性有机物的变化规律做了分析和考查[26-27];另外还有一些学者关注于公共场所的室内挥发性有机物的浓度水平及影响因素。结果表明:城市家居环境、校园环境、办公建筑集中群以及公共场所中的室内挥发性有机物污染水平具有明显差异,其中甲醛的污染程度一般为公共场所>办公建筑集中群>城市家居环境>校园环境。

2.2模拟模型及质量标准研究

2.2.1 模型研究

模拟室内装饰材料挥发性有机物的扩散、吸附、挥发过程,一般考虑挥发性有机物释放源的种类及其释放的规律,以及是否有吞吐物存在(吞吐物指能对源所释放挥发性有机物的物理吸附和解析、化学分解以及其他损失的材料)。室内装饰材料挥发性有机物的释放过程见图1。

图1 室内装饰材料挥发性有机物释放过程图Fig.1 VOCs release process of indoor decoration materials

现在经常提到的模型有:单纯挥发模式[28]、稀释模式[29]、蒸气压模式[30]以及吞吐效应模式[31]。4种模型的特点、适用条件、应用情况及存在问题见表1。

表1 室内装饰材料挥发性有机物模型

应当指出的是,对不同状态的装饰材料,影响其释放挥发性有机物的因素也不同。比如:YANG,TOPP等分别模拟了干材料和湿材料的VOCs释放特征、传输过程。结果表明:干材料挥发性有机物主要考虑材料内部的扩散和材料表面的散发,而湿材料释放挥发性有机物根据使用时间考虑的因素也有所不同,蒸发过程是开始使用湿材料时需主要考虑的因素,随后扩散代替蒸发变为主要的考虑因素[32-33]。

应当指出的是,目前的各种理论模型的模拟还处在研究初期,大部分还只局限在实验室内进行。在实际模拟中,应根据装饰材料的不同选择合适的模型,对一些随着使用时间增加释放的挥发性有机物也不断变化的材料,应模拟不同时间段的挥发性有机物释放过程,或者将几种模式结合起来模拟一种材料释放挥发性有机物的不同过程,以期使模型得到优化,能够很好地应用在实际挥发性有机物释放过程的模拟中。

2.2.2 质量标准

1990年,德国科学家SEIFERT推荐了一套室内挥发性有机物的浓度指导限值[34];2000年,WHO公布了甲醛、二甲苯和p-二氯苯3种挥发性有机物的指导限值。目前中国室内空气质量标准参照的是2001年卫生部颁布的《室内空气质量卫生规范》和2002年国家环保部颁布的《室内空气质量标准(GB/T 18883-2002)》[35],但是只规定了甲醛、苯、甲苯、二甲苯、TVOCs 5种室内挥发性有机物,对其他的室内空气挥发性有机物未给出安全限值。因此,有效地测定多种室内挥发性有机物浓度并掌握其安全限值是研究热点。目前谭和平等对该领域进行了研究,分析了17种常见室内挥发性有机物质,并初步给出了它们的安全限量值,对完善中国室内空气质量标准具有很大的参考价值[36]。具体新增指标见表2。

现有研究新增了其他室内挥发性有机物的安全限量值,完善了现行GB/T 18883—2002室内空气质量标准,具有很好的指导意义。应当指出的是,在实际工作中,需对这些挥发性有机物的安全限量值做进一步验证。

表2 文献[36]室内挥发性有机物新增指标与GB/T 18883—2002指标对比

2.3监测及净化技术研究

2.3.1 监测技术

通常用于测定室内挥发性有机物的方法有气相色谱法(GC) 、高效液相色谱法(HPLC) 、气质联用法(GC-MS)。这3种方法各具优势:气相色谱法是测定室内挥发性有机物较为成熟的方法,是室内挥发性有机物测定的国家标准方法;高效液相色谱法对样品的挥发性要求不是很严格[37];而气质联用法具有良好的分离能力和定性鉴别能力,经常用于痕量挥发性有机物的检测[38]。这3种方法的对比结果详见表3。

国外对室内挥发性有机物的测定还有以传感器技术为基础的测定仪,但这些仪器操作复杂,并且价格昂贵,限制了这些测定技术在国内的发展[39]。因此,现阶段,如何更准确、方便、快捷地监测室内挥发性有机物成为了研究的焦点。目前较具潜力的是基于光离子化检测器(PID)制作的监测仪,灵敏度比FID高50~100倍。但德忠课题组利用光离子化检测器的高灵敏性和高选择性研究出先进的室内挥发性有机物便携式快速测定仪,并给出了一定的测定方法和步骤,能够实时地监测挥发性有机物的变化规律并有效地反映其污染状况,可以对室内空气挥发性有机物进行现场快速测定[37,40-41]。但是,现在类似的快速测定仪只是在实验室中成功监测,并未推广到市场广泛使用,未来研究应关注于监测仪器实际应用问题。

表3 3种挥发性有机物监测技术对比

2.3.2 净化技术

通常用到的净化技术有:吸附法、吸收法、光催化降解技术、低温等离子体技术、生物净化法以及绿色植物自然吸附法等[42-43]。

目前,对净化技术的研究主要集中在以下4个方面。

1)新型吸附剂及吸附能力的改进研究。近些年已研制出各种新型的活性炭, 如蜂窝状活性炭、球状活性炭、活性炭纤维( ACF) 和新型活性炭等[44-45]。许多学者对吸附剂的吸附能力改进展开了探索。例如:AO等对活性炭纤维研究表明,活性炭纤维作为新型吸附剂,具有吸附容量大、吸附速度快等特点[46],尤其是与光催化相结合对挥发性有机物的净化更优越;CRESPO等通过实验证明单层活性炭纳米管对于噻吩的吸附能力要优于活性炭[47]。

2)光催化降解技术的研究。目前,利用TiO2纳米粒子光催化氧化室内挥发性有机物是目前最具发展前景的室内空气净化技术[48-49]。国外通常用TiO2粉末作为光催化剂来降解苯系物[50],国内于20世纪90年代起开展这方面的研究,有学者分别通过玻璃弹簧负载TiO2薄膜光催化剂、纳米TiO2涂料光催化对其性能进行改进,对部分室内挥发性有机物有很好的降解效果[51]。

3)一些技术的联用研究。有些学者提出某两种技术的联用对有机物的降解有促进作用。目前较多的联用技术有:低温等离子体技术与光催化技术的联用、吸附法与光催化技术的联用。常净宜采用纳米TiO2光催化技术和非平衡等离子体净化技术,将两者结合起来对室内空气中的苯的降解效果进行了研究,实验证明二者的结合技术优于单一技术[52];孙剑等研究了多孔吸附剂吸附和纳米TiO2光催化联用技术在不同反应条件下对室内挥发性有机物降解的性能[53];陈孝云等对TiO2与活性炭联用后的光降解活性进行了研究,实验证明二者的联用技术对苯酚的降解率可达到95%以上[54]。

4)对绿色植物净化室内空气的探索。许多研究表明绿色植物对室内挥发性有机物有降解作用,可以降低室内挥发性有机物浓度。目前研究主要集中于植物对甲醛、苯和甲苯的降解作用,但是对室内其他挥发性有机物的研究几乎没有。美国航天局(NASA)研究表明:心叶蔓绿绒、锄叶蔓绿绒、宽叶吊兰、春羽、芦荟等植物对甲醛净化效果较好;洋常春藤、白鹤芋、银边朱焦等植物对苯净化效果较好;国内也有学者选取红豆杉、美人蕉、八角金盘、茉莉、常春藤、绿萝、驱蚊草等植物来考察它们对室内甲醛的吸收能力[55]。但是,绿色植物吸收挥发性有机物的机理、吸收后是否会带来新的污染等问题还有待于进一步研究。

3 结 语

1)从挥发性有机物污染现状可知,中国的不同室内环境均存在挥发性有机物污染并且污染状况不同,尤其对家庭室内环境和公共场所室内环境应多关注挥发性有机物污染来源及其种类,以期有效地进行控制挥发性有机物;

2)对于模拟模型研究,目前的模型仅限于实验室内模拟,在实际模拟中,应合理应用各种模型,以期全面地模拟不同环境、不同时间段内挥发性有机物的释放规律;

3)在质量标准研究领域,现有研究在现行《室内空气质量标准》(GB/T 18883—2002)的基础上,新增了其他室内挥发性有机物的安全限量值,在实际工作指导中,需对这些挥发性有机物的安全限量值做进一步验证,并进一步开展该领域的研究工作;

4)在室内空气中挥发性有机物的监测及净化技术的研究方面,应积极发展快速、灵敏的监测仪器,特别是注重扩大室内挥发性有机物的监测范围;在注重多种技术联用的基础上,应多关注生物技术和植物对挥发性有机物的降解作用。

综上所述,未来的研究中,在借鉴和吸收发达国家先进经验的基础上,系统地开展室内环境空气中挥发性有机物污染现状的调查及污染控制技术等方面的研究,工作并重点探求室内各污染物之间的相互影响以及在环境中的迁移转化规律,以期对人体的健康风险做出评价。

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Research progress of volatile organic compounds of indoor air

XUE Lu, MA Junjie

(College of Urban and Environmental Science, Northwestern University, Xi′an Shaanxi 710127, China)

Volatile organic compounds(VOCs)are the main pollutants of indoor air. The pollution status of indoor air VOCs is introduced. Simulation model and safety value of VOCs are discussed. Furthermore, monitoring and purification technology of VOCs are also analyzed. Finally, the existing problem and development direction of indoor air VOCs in China is provided.

indoor air pollution; volatile organic compounds; research development

1008-1534(2013)05-0371-06

X51

A

10.7535/hbgykj.2013yx0515

2013-03-11;

2013-05-28

责任编辑:王海云

薛 璐(1989-),女,陕西榆林人,硕士研究生,主要从事环境影响评价及环境规划方面的研究。

E-mail:xuelusuper@163.com

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