船用新型空气净化技术的发展与应用

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(1.中国舰船研究设计中心，武汉 430064； 2.江南造船(集团)有限责任公司，上海 201913)

船舶舱室具有相对封闭的特点，属于典型的室内空气，对船舶通风系统提出了更为严苛的要求。全球约有50%的人所处的室内环境属于空气污染范畴[1]。文中介绍了封闭空气典型污染物，厘清了对船员身心健康影响最大的几种污染物，如甲苯、甲醛、TVOCs(可挥发性有机物)等。分析了目前几种典型的空气净化技术，探讨了应用于船舶舱室空气净化的可能，旨在为进一步改善舰员生活环境提供一定的技术参考。

1 典型室内污染物

典型船舶室内污染物的主要来源于船舶舱室内设备材料以及船员活动，分为挥发性有机污染物、悬浮微生物、悬浮颗粒物等。

1.1 挥发性有机污染物

挥发性有机污染物是沸点低于260 ℃，室温下饱和蒸汽压超过13 332 Pa的易挥发性有机污染物的统称[2]，如甲醛、甲苯等，是引起“病态建筑物综合症”(sick building syndrome，SBS)的直接原因。人体长期吸入含有一定浓度的挥发性有机污染物，会对人体的呼吸系统、心血管系统及神经系统造成一定的损害，影响到船员的正常生活及身体健康。室内挥发性有机污染物的几种典型来源形式[3]，见表1。

中国环境科学研究院的学者对可挥发性有机污染物的危害进行了研究，认为在慢性条件下，甲醛可造成视力减退、指尖变褐色、指甲床疼痛、皮炎等，而苯及苯的衍生物则会造成惊悸、耳鸣、头晕、头痛、恶心、呕吐、视力减退，长期暴露下会对血液系统造成一定影响。[4]

表1 室内材料产生VOCs的二次源

1.2 悬浮微生物

空气中的悬浮微生物主要有真菌、细菌和病毒等，直接影响着室内空气品质，是影响人体健康的重要因素。其主要有两种形成的途径：①由室外的生物污染物以渗透和新风的方式被带入室内；②室内物品和地面的表面以及建筑围护结构滋生微生物，或是积水处微生物大量生长后被气溶胶化，进入空气中形成微生物气溶胶[5]。船舶舱室较为封闭，环境潮湿，更易成为某些悬浮微生物滋生的温床，侵蚀船员的身心健康，严重影响船员的工作生活。研究表明，空气中的悬浮微生物经过空调过滤后，依然具有较大的活性，在适宜条件下可在过滤器表面大量繁殖[6-7]。

当前，我国尚未出台船舶中央空调相关的微生物检验规范，相关技术方案亟待修订。公共场所集中空调通风系统卫生规范检验项目[8]，见表2。

表2 公共场所集中空调通风系统卫生规范检验项目

1.3 悬浮颗粒物

悬浮颗粒物是悬浮在大气中的固体、液体颗粒状物质(或称气溶胶)的总称，以直径分类：<100 μm的称为TSP，即总悬浮颗粒物；<10 μm的称为PM10，即可吸入颗粒物；<2.5 μm的称为PM2.5，即可入肺颗粒物。PM10及PM2.5是对人类危害最大的悬浮颗粒物。研究表明，一些重金属元素、多环芳烃等对人体有害的成分在颗粒物中更加富集，富集程度与颗粒粒径呈反相关性，粒径越小的悬浮颗粒物对人体的危害程度越大[9]。而空气中的细菌、真菌、悬浮微生物等都有可能附着在悬浮颗粒物中进入人体呼吸系统，直接危害人体健康[10]。

2 新型空气净化技术的应用

随着对舱室内空气质量越来越高的要求，单一净化能力的空气净化技术已经很难被独立运用到舱室空气净化领域中，而能同时满足可挥发性有机污染物脱除、悬浮微生物处理、悬浮颗粒物净化的技术更加受到青睐。目前，光催化氧化空气净化技术、等离子空气净化技术和生物净化技术较为受关注。

2.1 光催化氧化空气净化技术

有学者于1972年首次发现了TiO2电极在受辐射状态下可使水催化分解成氢和氧，具有良好的催化特性[11]。同时，TiO2的化学稳定性、抗光腐蚀性、无毒及成本低的优势，使得科学家对TiO2电极在辐射状态下分解甲醛进行了广泛研究。有学者认为纳米级的TiO2粉末有更高的催化效率[12]。

文献[13]中设计了一种新型填充式空气净化器，保证反应管内径向空气流速均匀，在实验房间甲醛初始质量浓度为0.727～1.815 mg/m3时，空气净化器的净化效率为84.7%～92.0%，基于质量平衡方程，得出空气净化器降解甲醛速率方程(C为空气中甲醛浓度，10-6)：

文献[14]中设计了一种壁挂式光催化空气净化器，通过延长污染气体在净化器内的流动距离，增加污染气体与光催化剂的接触面积。在相同反应条件下，较传统的平板式反应器效率高约14%。其在环境温度为25 ℃，P25TiO2的负载量为1.0 mg/cm2，甲醛初始质量浓度为0.7 mg/m3时达到最佳净化效果。

文献[15]中设计了一种新型管状泡沫镍光催化空气净化器，可应用于供热、通风及空调系统。采用将TiO2涂覆在比表面积为0.24 m2/g，平均孔径为150 μm的泡沫镍网上，提高了传质效率，使得整体净化效率相较于多玻璃管净化器提高了138%。同时，甲醛的反应符合一级反应动力学，反应速率是空气流速的二次函数。

文献[16]中设计了一种圆筒形滤筒光催化空气净化器，以三元复合负载型纳米光催化剂CO2+-SiO2-TiO2作为光催化剂，有效解决了催化剂颗粒粒径增大的问题。对于初始质量浓度为1.2 mg/m3的甲醛气体，空气净化器运行3 h后对甲醛的去除率依然达到80%以上。

文献[17]中设计了一种圆柱式大流速光催化与臭氧结合的空气净化器，在540 m3/h流量、92.25 m3空间的封闭空调系统内进行了空气中甲醛降解实验研究。发现光催化臭氧氧化在不同甲醛初始浓度下均具有超过95%的降解效率，反应平衡浓度低于0.08 mg/m3，优于传统的光催化氧化技术。

文献[18]中提出了一种湿法吸收结合光催化氧化处理室内典型空气污染物的思路，采用厚度为5 cm，孔隙密度为40 ppi的发泡棉，1-十二烷基-3-甲基咪唑氯盐(DDMIMCl)水溶液的吸收剂，对甲醛去除率可以达到96%，克服了传统空气净化器需要频繁更换滤网的缺点。

2.2 等离子空气净化技术

有学者研究了铁电体填充床介质阻挡放电反应器与线-筒式脉冲电晕放电反应器处理10-6级的VOCs，发现甲苯、二氯甲烷、三氯三氟乙烷的降解率分别可以达到100%、95%、67%，开启了等离子体处理气态污染物的研究[19]。低温等离子技术因其具有高效、安全等优点，逐渐成为目前等离子空气净化技术中的热门，对悬浮颗粒物具有较好的脱除效果。对船舶舱室内气态污染物的治理，一般要求在常压下进行，且温度不可过高，防止出现消防危险。能在常压下产生低温等离子体的方法主要是脉冲电晕放电和介质阻挡放电[20]。低温等离子技术与光催化氧化技术的结合，在脱除悬浮颗粒物的同时，还可以对VOCs进行一定程度的去除，同时可以抑制电离过程当中臭氧的生成[21]。

在脱除悬浮颗粒物方面，有学者比较了直流电晕放电与脉冲电晕放电对细颗粒物荷电特性的影响，发现在相同的线板式反应器中，脉冲电晕放电可以比直流电晕放电提供更高的峰值电压，加剧带电粒子与颗粒物之间的荷电作用[22]。文献[23]中研究了采用脉冲电晕放电对细颗粒物凝并效果，发现其对小颗粒(0.5～1.0 μm)有良好的荷电性，高频对小颗粒(低于0.7 μm)凝并性，低频对大颗粒的凝并有利。文献[24]中研究了脉冲电晕放电对细颗粒物脱除的作用，发现交错布置的线线结构电凝并反应器在施加脉冲电晕放电时，对小粒径颗粒物的凝并效果平均提高13%。文献[25]中设计了一套应用于柴油机排放物质的介质阻挡放电低温等离子体净化脱除系统，可以有效脱除颗粒物，效率最高可达到79%质量分数。文献[26]中将低温等离子体与传统电凝并技术结合，应用于粉尘脱除方面，也取得了较好的效果。

在VOCs降解方面，有学者将表面介质阻挡放电装置与不同晶型的MnO2结合，对甲苯的脱除进行了研究，发现α-MnO2具有最好的催化活性，当能量密度为160 J/L时，甲苯的降解效率能够从单独低温等离子体的32.5%上升到78.1%。引入anatase TiO2可以提高α-MnO2的比表面积和酸性位，进一步提升甲苯的降解效率，最高可以达到90.2%，同时复合催化剂可以显著降低臭氧的逃逸量[27]。有学者在1 000 m3/h风量的闭循环实验平台中，开发了一套新型的两段式等离子体净化技术。该技术适用于低浓度、大风量有机气体深度净化，尤其当苯乙烯气溶胶为157 nm左右时，其收率可以达到75%[28]。文献[29]中设计了一种拉西环(Raschig Rings)填充床介质阻挡放电反应器，发现对甲苯的处理效率较未填充床反应器从48%提高到97%，能量效率也有一定程度的提高。在沿面介质阻挡放电与填充床介质阻挡放电反应器的基础上，优化设计了一种复合介质阻挡放电等离子体反应器，其对初始浓度为1/10 000，气体流量为5 L/min条件的苯污染气体降解效率最高可达到52.8%，比单一的沿面介质阻挡放电或填充床介质阻挡放电分别提高10.3%与22.1%，且具有明显更高的能量效率[30]。

低温等离子体技术在净化空气中的微生物方面亦有一定研究进展。文献[31]中研究了介质阻挡放电直接杀灭通过放电电极的微生物的可能性，发现空气流量为25 L/s，一次通过可以降低空气中1.5个对数单位的细菌。文献[32]中研究了基于氧气低温等离子技术脱除空气中各种呼吸道病毒，发现空气流速为0.9 m/s时，副流感病毒、合胞病毒和流感病毒分别下降了6.5、3.8以及4个对数单位。文献[33]中研究了微波辐射与低温等离子体对生物气溶胶活性的影响，发现低温等离子体可在较短的时间内高效地灭活空气中的细菌、真菌和病毒，并破坏细菌和真菌的细胞膜，能量为28W的低温等离子体可在次秒级内灭活100%的病毒MS2，同时可以高效地降低空气中的过敏原。但在单独使用的过程中，低温等离子技术易产生臭氧等二次污染。

2.3 生物净化技术

生物净化技术用于处理污染空气早在20世纪50年代已经得到初步运用[34]。生物法净化过程是有害气体分子进入微生物细胞内，发生酶催化生化反应，产物扩散到细胞外，进入气流主体。Pol归纳了较为常见的3种生物净化工艺有生物吸收工艺、生物过滤工艺与生物滴滤工艺[35]。

生物吸收工艺(适合1～5 g/m3的初始质量浓度有害气体)通常由吸收塔和活性污泥再生池组成，启动过程复杂，维护管理成本较高，不利于在船舶进行推广。生物过滤工艺(适合0.5～1 g/m3的初始质量浓度)占地面积大，也不利于在船舶进行推广使用。而生物滴滤工艺(适合≤0.5 g/m3的初始质量浓度)由于其操作简便，运行成本低，成为生物吸收工艺中的研究热门[36]。

文献[37]中采用1种塑料鲍尔环和圆柱活性炭2种单一填料和1种组合填料，设计了一种生物滴滤塔反应器，其对苯的最大净化效率可以达到100%，对正庚烷的最大净化效率可以达到85%以上。文献[38]中设计了一种放大型生物滴滤床，用于净化甲苯/苯废气，发现105 s的气体停留时间和较低的进口甲苯质量浓度有利于放大型生物滴滤床进行快速挂膜启动，挂膜启动后，综合净化效率可维持在90%以上。但使用火山岩填料时，生物滴滤床出现了一定的堵塞现象。文献[39]设计了一套基于生物滴滤法处理挥发性有机物(VOCs)的工程工艺。在调试期即达到了3 000 m3/h的日处理空气量，基本达到了GB16297—1996《大气污染物综合排放标准》排放标准限值以及GB14554—93《恶臭污染物排放标准》中规定的限值。

生物滴滤法运行简单且环保，但是传统生物过滤器随着设计尺寸增大，去除能力会降低。同时，其内部的反应器中的微生物适应期很长，不利于及时形成有效脱除效果，特别是用于处理VOCs时[40]。到目前为止，生物法所能处理的污染物承载负荷不能过高，因此在相同的处理量内，其占地面积和工程量更大，同时由于生物进化的机制尚未完全明晰，一些设备的实际运行效果并不稳定[41]。

生物净化技术需要较长时间的气体停留时间，填料易堵塞，菌种具有选择性的特性，也制约了其应用于舰船空气净化领域。

3 结论

从船舶设计角度看，舱室可利用空间有限，无法拿出相当大面积舱室用于安装各型空气净化器。同时，由于中央空调和通风系统的设计，已经将颗粒污染物进行一定程度的脱除，舱室内部环境以及船员生活习惯并不会产生额外大量的颗粒污染物。船舶舱室内大量使用的装饰材料，船员日常生活所产生的各种分泌物、微生物，在一定程度上会造成空气品质下降，形成挥发性有机污染物污染以及悬浮微生物污染，危害到船员的身心健康。

低温等离子技术与光催化氧化技术结合，可以最大限度地对舱室大气环境中挥发性有机污染物以及悬浮微生物进行脱除。可以考虑在主要的人员聚集舱室，主要的送风通道内，使用该复合型净化技术。研究表明，低温等离子净化技术具有易产生臭氧等二次污染的特点，与光催化氧化技术结合后，可以找到抑制臭氧等二次污染产生的条件，因此，低温等离子技术与光催化氧技术的结合，将成为未来控制舱室大气环境污染的一种有效手段，得到越来越广泛的关注。