环境烟草烟雾污染物的净化试验

樊启志，张丽 ，王东胜，董耀华，董丽华，尹衍升

1.上海海事大学物流工程学院，上海 201306

2.上海海事大学海洋科学与工程学院，上海 201306

近年来，我国空气污染严重，大气可吸入颗粒物尤其是PM2.5开始逐渐被人们所了解，对室内PM2.5的治理也开始引起了人们的重视。室内空气污染源除了来自室外和室内的建筑装饰材料用品等外，还有一个重要的污染源就是吸烟产生的含有大量PM2.5的环境烟草烟雾。世界卫生组织明确表示，环境烟草烟雾(environment tobacco smoke，ETS)与肺癌、心脏病及呼吸道感染等发病率密切相关，是A组致癌物之一，即任何剂量的暴露都不安全［1］。Hildemann 等［2］研究发现香烟燃烧散发的PM2.5为10 ～20 mg/支，Martin 等［3］研究表明，被测香烟燃烧散发的可吸入颗粒物平均浓度为13.67 mg/支。由于PM2.5粒径小、比表面积大，易于富集空气中的有毒有害物质，可随呼吸进入体内，甚至进入人体肺泡或血液循环系统，直接导致心血管、呼吸系统等疾病，是大气环境中化学组成最复杂、危害最大的污染物之一［4-5］。因此，对室内环境烟草烟雾PM2.5的净化尤为重要。

目前，我国空气净化器多是单独或部分采用机械过滤、活性炭吸附和空气负离子发生器等方法，对空气净化器净化效果的研究也很少涉及到室内环境烟草烟雾(特别是颗粒物)。笔者通过整合空气净化技术［6-11］，设计了既适用于常规的室内空气净化，也适用于处理室内PM2.5的空气净化装置，以期为室内空气净化特别是室内环境烟草烟雾的净化提供参考。

1 试验

1.1 净化装置

自行设计的基于负离子与光催化高级氧化耦合净化技术的空气净化装置，其空气净化流程如图1所示。该空气净化装置由4 个净化过程组成:1)初效过滤，过滤网为尼龙材质的平纹过滤网，主要针对空气中粗大的绒毛、纸屑等;换风机置于初效过滤后，型号为No. D10-22F 静音风机。2)负离子净化，主要针对空气中的PM2.5，其发生器的型号为HL-F68。3)光催化净化，主要针对空气中NOx及易挥发的有害气体等，采用石英紫外线杀菌灯，灯管型号为GPH406T5/H0/4C(对接)，中间的催化膜采用上海海事大学材料科学与工程研究院研制的纳米二氧化钛光催化膜。4)高效过滤，选用对PM2.5有很好过滤效果的HEAP-21 型号过滤网。

图1 空气净化流程Fig.1 Air purification process

1.2 设计方案

实验舱室为宾馆内某独立卫生间，舱室为密闭空间，体积为17.25 m3(长2.5 m，宽2.3 m，高3 m)。整个过程以香烟烟雾为室内污染源。

试验一:将净化装置置于密闭舱室正中间，采用多点采集(图2)，采集高度取人呼吸高度的平均值，为1.1 m［12］。

试验二:在试验一进行的同时，采用色度分析进行图像采集。在室内约1.1 m 高处的墙壁上，选取20 cm×20 cm 的正方形，在正方形中用4 个小黑点标记(图3)。保持背景条件、相机参数、相机位置及其他条件不变的情况，采集照片。

1.3 仪器

CO、NOx及SOx采用MGA5/Vario Plus 红外烟气分析仪(MRU 公司)测定，每次测定前预热30 min，重置调零后开始采集读数。

图2 采集点分布剖面Fig.2 Acquisition point distribution

由于实验舱室体积小，颗粒浓度不大，无法采用撞击称量法［13］对颗粒物(PM2.5)进行试验采集。因此，设计利用尼康S4300 数码相机采集照片，尝试采用色度分析(RGB 对照)对试验的颗粒物(PM2.5)进行分析，以期为类似试验提供新的思路。

1.4 试验方法［14-16］

1.4.1 试验一

将门窗打开，使室内污染物浓度小于检测仪的检测下限，关闭门窗，同时点燃6 支香烟使其完全燃烧，开始分别记录CO、NOx及SOx的初始浓度。

步骤1:只开启净化装置的换风机，每隔2 min记录1 次数据，连续记录60 min。测定各污染物在只有换风机条件下的衰减，作为空白循环对照组。

步骤2:只开启净化装置的光催化净化部分，每隔2 min 记录1 次数据，连续记录60 min。测定各污染物在光催化净化条件下的衰减，作为循环光催化组。

步骤3:只开启负离子净化部分，测定各污染物在负离子净化条件下的衰减，作为循环负离子组。

步骤4:开启净化装置，测定净化装置对各污染物的衰减，作为光催化+负离子组。

1.4.2 试验二

只采集空白循环对照组(步骤1)与光催化+负离子组(步骤4)的照片，对其进行色度分析，分析试验效果。

试验中保证背景灯光、相机参数、相机位置及其他条件完全不变，然后进行自动拍照采集，以墙壁提前设置的参考点为准(图3)，每隔2 min 拍照1 次，连续记录60 min。

将照片导入photoshop 软件，记录图3 中4 个参考点的RGB 信息。

1.5 数据计算

1.5.1 试验一

4 个采样点处污染物的初始浓度分别为C01、C02、C03、C04，经过t 时间后各采样点处污染物浓度分别为C11、C12、C13、C14，则室内初始浓度(C0)为:

t 时间后的室内浓度(C1)为:

t 时间后的污染物净化效率(η)为:

1.5.2 试验二

色度分析［17］:采用RGB 图像采集，为使数据处理更接近人眼视觉效果，利用HIS 系统进行饱和度(S)品质分析。

取采集的照片参考点处对应的参数R 分别为R01、R02、R03、R04，则该照片的R 为4 点的平均值(R0):

同理，可以算出该照片的对应参数G 和B(G0和B0)。

采用图像处理的HIS 系统进行饱和度品质分析，对RGB 色彩坐标进行转化:

式中，I 为亮度。当S =0 时，表示白色;S =1 时，表示黑色。

2 结果与分析

2.1 CO 的净化效果

4 组试验对CO 的净化处理效果如图4 所示。

图4 CO 净化处理效果Fig.4 Purification efficiency figure of CO

从图4 可知，循环光催化组在最初的几min 内降解率最快，光催化对降解CO 是有效果的，且起作用的时间短。随着降解时间的增加，40 min 前循环负离子组降解率远高于其他组，55 min 后负离子+光催化组降解率超过其他组。主要是因为CO 的净化是通过负离子发生器产生的负氧离子中的小离子主动捕捉空气中的小颗粒，使其凝聚沉降。黏附在颗粒物上的CO 得到了间接净化。

2.2 NOx 的净化效果

4 组试验对NOx的净化处理效果如图5 所示。

图5 NOx 的净化处理效果Fig.5 Purification efficiency figure of NOx

从图5 可知，循环光催化组在前4 min 的降解率最快，NOx的处理效果也是最好的。这是由于光催化过程产生的·OH 是氧化性很高的活性物质，能将几乎所有的有机物氧化分解为无机物。但是，负离子产生的负氧离子具有弥散现象存在，起作用的时间比较长。整个试验过程中，NOx的降解率只达到约25%，这主要是由于气体经过光催化组的时间比较短，氧化不够充分;这有待于装置结构的进一步改进。另外可能是由于NOx在空气中的浓度低，净化不完全造成。

2.3 SOx 的净化效果

4 组试验对SOx的净化处理效果如图6 所示。

图6 SOx 的净化处理效果Fig.6 Purification efficiency figure of SOx

从图6 可知，循环光催化组在前几min 降解率很快，之后随着负氧离子弥散开来，粘附在颗粒物上的SOx也随之加速降解。对SOx的净化效果最终保持一致，降解率基本都达到了50%。

2.4 PM2.5净化效果

用色度分析得出PM2.5的S 变化表征PM2.5的净化处理效果，如图7 所示。

图7 色度分析中S 随时间的变化Fig.7 The variations of S with time in color analysis

从图7 可知，通过色度分析，在前20 min，空白循环对照组与负离子+光催化组的S 增速都比较明显，说明净化装置加速了颗粒物(PM2.5)的流动与净化。在20 min 后，负离子+光催化组S 的增速明显要大于空白循环对照组，主要是负氧离子能使空气中微小颗粒凝聚然后沉降。凝聚后未沉降的颗粒经过HEPA 高效过滤膜后，大部分可被过滤。但负离子向外弥散需要时间，起作用的初始时间比较长。可见负离子+ 光催化组“驱散”空气中颗粒物(PM2.5)的效果更好。在净化后半段时间，舱内PM2.5浓度已经降低到很低的范围后，S 出现上下波动。

3 结论

(1)净化装置的负离子净化过程净化CO 的效果最好;光催化净化过程对NOx处理的效果最佳，起作用的时间也最短，但NOx的降解率只达到约25%;光催化净化过程对SOx起作用的时间最短，负离子净化过程随着空气中负氧离子增多，对SOx净化也就加快。对SOx的净化效果最终保持一致，降解率基本达到50%。

(2)净化装置对处理空气中的PM2.5具有一定的效果，负离子+光催化组效果更好些。

(3)对室内小体积、低浓度的颗粒物，尝试采用色度分析法来分析室内PM2.5净化效果，能定性分析颗粒物的净化速率大小，可为其他相关试验提供参考。

［1］360 百科. 环境烟草烟雾［DB/OL］.［2013-09-10］. http://baike.so.com/doc/3574603. html.

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