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VOC的来源一部分在室外,主要来自工业废气、光化学污染和交通运输所产生的汽车尾气等;
而在室内,是由建筑材料、室内装饰材料、办公用品散发出来及人类日常活动所产生的。
室内VOC的来源比室外要复杂,特别是目前房屋装修的普遍化和大量新型建筑装饰材料及电器的使用,使相对密闭的室内环境遭受VOC污染的程度比室外严重得多[6]。
建筑和装饰所用的高分子材料,如乙烯地板,地毯,粘合剂,墙面装饰材料,填缝剂,密封材料,隔热材料,油漆,涂料清漆,防水层和沥青乳液是建筑物中VOC排放的重要来源[7]。
其中溶剂型的涂层材料早已被确认为室内环境中VOC的主要来源;
因为涂料广泛用于住宅和商业建筑,覆盖的表面积通常非常大[8,9]。
文献[9]中实验所测的一种油漆中,竟被检测到23种不同的VOC,由此可见其所含VOC之丰富。
1.2VOC的种类与危害
VOC包括苯系物、有机氯化物、氟里昂系列、有机酮、胺、醇、醚、酯、酸和石油烃化合物等,并且大都是微量或少量,容易被人们忽视。
但它的毒性、刺激性、致癌性和特殊的气味,会影响人的皮肤和黏膜,对人体产生急性或慢性的损害,而且有些化合物还具有基因毒性[6]。
比如建筑物内最普遍的VOC——甲醛,会刺激皮肤粘膜,浓度高时会使呼吸道严重刺激、水肿、支气管哮喘、头痛。
油漆、含水材料、化妆品、洗涤剂、壁纸、化纤制品等产生的VOC浓度过高将直接刺激人的嗅觉等感官,造成过敏和毒性作用[10]。
另外值得注意的两点是:
一,VOC的释放是连续不间断地,可能存在于建筑物内数年[7];
二,VOC之间可能存在着相关性,当几种VOC混合存在时可能会发生化学反应,从而产生刺激性和危害性。
已有实验表明,臭氧能与某些不饱和有机化合物发生反应,产生强烈刺激眼睛和呼吸道的物质[11]。
目前相关的研究机构认为:
VOC能引起机体免疫水平失调,影响中枢神经系统功能,出现头晕、头痛、嗜睡、无力、胸闷等症状;
还会影响消化系统,严重时可损伤肝脏和造血系统,出现变态反应等[6]。
1.3室内空气品质问题带来的损失
空气污染可以有多种分类方式,把室内空气的污染物分为四类,即微生物粒子,可呼吸颗粒,气态物质污染及汽态物质污染。
空气中负离子的减少也应该认为是一种污染。
我国目前关于IAQ问题所带来的损失报道极少,因空气微生物的污染造成呼吸道感染率最高,给人民健康造成极大的灾难和损失。
据统计,我国每年发生感染病例500万,损失超10亿元。
在美国IAQ问题已变成一个主要的环境问题并已有立法要求业主对该问题负责。
美国环保局1989年给国会的报告指出估计由于室内空气污染而引起的医疗费用年平均为10亿美元,生产效率的降低导致的损失为47~54亿美元[12]。
所以,生产建筑使用材料的VOC排放控制日益成为设计中一个重要的考虑因素[7]。
世界卫生组织(WHO)、美国国家科学院,国家研究理事会(NAS/NRC)等机构也一直强调VOC是一类重要的空气污染物,控制VOC是提高室内环境质量的主要手段之一[6]。
2国内外有关VOC的研究与控制
2.1VOC浓度的影响因素
结合国内外有关研究发现,室内VOC浓度主要受室内通风状况、温度、湿度以及所使用装饰涂层的厚度的影响。
文献[13]中作者以两个热带地区的办公楼为研究对象,测试了在其通风系统正常运转和完全关闭两种情况下的室内VOC浓度变化。
经过比较发现,在后一种情况下,室内的大部分VOC浓度呈上升的趋势。
文献[14]采用计算流体力学(CFD)方法对新装修过的办公室,在改变送风量和室内布局的情况下对房间内的三维速度场和VOC的浓度分布进行了数值模拟分析,采用VB模型来模拟建筑材料的污染物散发过程。
通过对模拟所得结果的分析得出,增大送风量可以在很大程度上降低室内VOC的浓度,使室内达到较好的空气品质;
同时室内布局的改变对室内污染物的分布也有着较大的影响。
王军,张旭在改变因素:
入室新风品质、新风量大小、室内温度水平以及汇与源作用面积比的条件下。
通过研究结果表明,入室新风品质降低和新风量增大对材料散发强度与汇效应作用强度具有相反影响,但前者会使室内VOC平均浓度水平增大而后者会使其减小;
同时,室内温度水平对材料散发强度和室内VOC平均浓度水平的影响以及汇与源作用面积比对汇效应作用强度和室内VOC平均浓度水平的影响具有同向性[15]。
随着室内装修日益普遍和高档化,甲醛污染越来越严重,通风成为公认的保障人体舒适度和提高室内空气品质的可行性控制方法。
付腾,唐中华则在过渡季节进行通风实验,比较了不同风量时甲醛浓度的降低效果及其变化规律[16]。
文献[17]中通过对五种建筑材料:
乳胶的尼龙地毯,PVC地板,复合地板上涂漆,填充剂和溶剂型外墙油漆,所释放的其中两种最受关注的VOC的测量研究。
设置了三个参数:
风速(1cm/s—9cm/s)、温度(23、35、60℃)、湿度(0%、50%)。
通过改变参数变量发现,风速对VOC的释放影响不大,但温度、湿度对VOC的释放速率有明显的影响。
在Wan-KuenJo和Kun-HoPark有关于TiO2的光催化法去除室内VOC的一项研究中,也提到了湿度对于其催化作用的影响[18]。
文献[19]中作者采用多平衡态回归法测量了常温下密度板中可散发甲醛含量,并与国标方法萃取法所测结果进行对比。
发现材料中的可散发甲醛含量远小于萃取法所测得的总含量,说明建材中的甲醛很大一部分在常温下无法释放出来。
DafniA.Missia等人通过实地研究表明,接近40%的室内空气污染来源于建筑装饰材料[20]。
通过对一种广泛应用于香港建筑材料中的涂饰油漆的实验研究,测试了在三种不同的油漆厚度的情况下:
35.2、69.9和107.3微米,室内的6种VOC的浓度和释放速率。
结果表明,VOC浓度在最初几个小时内增长很快,而后随着释放速率的下降而降低。
油漆厚度越大,VOC的释放量就越大;
油漆厚度对室内VOC浓度和释放有很大影响[21]。
此外,韩国的研究学者也通过小室模型实验,发现了油漆厚度对室内VOC浓度的影响[22]。
2.2VOC的检测与评价方法
2.2.1检测方法
室内空气中VOC的检测标准方法主要以气相色谱法为主,还有现场检测使用的配有光离子化检测器(PID)的VOC的测定仪测定法。
目前检测甲醛的方法有实验室检测方法和现场检测方法两类。
其中,实验室检测的标准方法有:
分光光度法、酰丙酮分光光度法、气相色谱和液相色谱法。
现场检测多使用基于恒电位电解法原理的便携式甲醛测定仪[23]。
在有关饮用水中的VOC的提取和分析研究表明,固相微萃取法和气相色谱法是种灵敏、快速的技术方法[24]。
通过对室内不同建筑材料所释放的VOC的采样分析,也证实了这种方法的实用和省时的优点[25]。
2.2.2评价方法
室内空气品质评价的目的在于:
①掌握室内空气品质状况,以预测室内空气品质的变化趋势;
②评价室内空气污染对人体健康的影响以及室内人员的接受程度,为制定室内空气品质标准提供依据;
③了解污染源(如建材、涂料)与室内空气品质状况的关系,为建筑设计、卫生防疫和控制污染提供依据。
当前,室内空气品质评价一般采用量化监测和主观调查相结合的方法进行。
其中,量化监测是指直接测量室内污染物浓度来客观了解、评价室内空气品质,称为客观评价。
而主观评价是指利用人的感觉器官进行描述与评判工作。
即采用数量化的手段对室内环境诸要素进行分析,综合主、客观评价对空气品质进行定量的描述。
客观评价方法包括:
①室内空气污染物的检测评价方法;
②模糊评价方法;
③灰色理论评价方法;
④暖体假人评价方法[23]。
①嗅觉评价方法;
②应用分贝概念的评价方法;
③其他主观评价方法。
2.3VOC的控制方法
针对以上提到的VOC来源对症下药,并结合文献[6,26]所总结的方法,可以通过以下措施来达到控制和消除室内VOC的目的。
即,使用绿色环保建筑材料和装饰材料;
通风控制方法;
化学控制方法;
植物净化法;
吸附技术;
催化氧化技术等。
2.3.1环保材料法
由上面介绍的室内VOC的来源知,建筑材料和装饰材料的使用是室内VOC的主要来源。
传统的建筑材料和装饰材料能释放大量有害物质,成为室内空气最主要的污染源之一。
因此在建筑材料和装饰材料的选择上,应考虑选用有害物含量低的绿色环保材料。
如果能采取合理的方法控制甚至排除污染源,这要比等到污染物进入空气环境以后再加以治理的效果要好得多[26]。
2.3.2通风控制法
通风能稀释和排除室内空气污染物,用通风方式是减少室内空气污染物浓度有效的方法和主要的途径之一,利用通风控制方法能有效地提高室内空气品质。
文献[13~16]中都有涉及有关通风对室内VOC的影响,研究了通风对室内VOC浓度的降低效果和变化规律,表明了增大通风量有利于室内VOC浓度的降低。
2.3.3化学控制法
化学控制方法主要是向空气中或含污染物材料喷洒某种化合物,它能与某种有害气体产生化学反应,从而达到消除该有害物的目的。
使用该方法要注意以下四方面的问题:
一是由于有害气体种类很多,一种消除剂也只能与其中一种或几种有害气体发生作用;
二是喷洒后能降低有害气体浓度,当时间一长,污染物又会释放到空气中来;
三是消除剂本身是否会成为新的污染源;
四是消除剂与有害气体反应以后的生成物是否又会引起新的二次污染[27]。
2.3.4植物净化法
植物能吸收降解室内的有害气体。
文献[28]中主要研究了植物过滤系统对改善室内空气品质的作用。
通过实验比较了韩国本土和外来植物对室内空气污染物的净化作用。
实验在夏季进行,将4种植物放入尺寸相同的样板房间,在相同实验条件下,对放入和未放入植物的样板房间内的苯、甲苯、乙苯、二甲苯和甲醛等有害物质的浓度加以监测,同时在植物放3小时及3天后分别测定VOC的浓度;
由此了解、比较和估计了两种外来植物和两种本土植物对VOC的净化效果。
结果发现:
在所有实验中,置入植物的房间对VOC物质的净化效果均比未置入植物的房间的大,而且外来植物对大多数VOC物质的净化效果比本土植物更显著。
2.3.5吸附技术
吸附技术是目前去除室内VOC最常用的控制技术,由于是物理作用,不产生中间产物,不会出现二次污染。
常用吸附剂有颗粒活性炭、活性炭纤维、沸石、分子筛、多孔黏土矿石、活性氧化铝及硅胶等,其中又以颗粒活性炭、含高锰酸钾的活性氧化铝及改性颗粒活性炭最常用[6]。
在人造建材内添加高性能吸附剂可降低其甲醛散发。
文献[29]中发展了一种简单的密闭舱法来测试吸附剂吸附甲醛的分离系数K,可为建材中添加合适的高性能吸附剂提供依据。
基于此方法,本文测试了活性炭纤维(ACF)和浸渍高锰酸钾的氧化铝(PIA)两种常见吸附剂的K值。
结果表明:
PIA吸附甲醛的性能优于ACF,可添加在建材中降低甲醛散发。
利用多孔吸附材料可以吸着室内空气中的低浓度有害气体,达到净化室内空气的目的。
文献[30]介绍了一种评价吸附材料吸附低浓度VOC性能的模型及其关键参数的测试方法。
并以硅胶、活性氧化铝和13X沸石三种吸附材料为例,测定了它们对低浓度苯、甲苯和甲醛的吸附性能参数。
由于石墨的碳原子层间作用以很弱的范德华力,所以很容易发生变化。
膨胀型石墨是天然石墨与酸交互作用而成,在高温下能膨胀为原来的数百倍。
由于其是种多孔的含碳材料,所以经过表面处理后能用作多功能性建筑材料。
文中利用模型研究了石墨的吸附特性。
分析表明,石墨能有效地减少室内VOC和甲醛等有毒物质。
其吸附性能与多孔的空间和表面积有关,孔越多、表面积越大,吸附性能越好。
另外,石墨还有吸附性能稳定的优点[31]。
2.3.6催化氧化技术
使用热催化材料降解VOC是一种新型的空气净化方式。
本文[32]采用陶瓷蜂窝(负载含l%Pt的热催化剂)组成催化装置,研究了其在密闭环境舱中降解空气中甲醛和甲苯的特性。
结果表明,在25℃条件下,热催化蜂窝装置对甲醛的降解效果显著,对甲苯无明显降解效果;
在170℃条件下,装置对甲醛降解效果明显增强,对甲苯也表现一定降解效果。
分析表明,提高温度对降解性能的影响主要表现为催化反应速率的增强。
文献[33]采用臭氧和吸附剂相结合的方法,研究了其优于仅仅使用吸附剂时候的空气净化性能。
臭氧和各种吸附剂结合,旨在利用臭氧的强氧化性能力。
在增强了催化吸附性能的同时,臭氧的残余量也会减少。
因为臭氧本身也是种室内污染物,所以还要尽量降低残余臭氧量。
添加在吸附材料上的酸则能够将臭氧分解为氧原子的同时,还能够将吸附的甲醛转化为CO2和H2O。
实验比较了在干燥条件和相对湿度50%的潮湿环境下,这种结合方法的去除VOC的能力。
在干燥条件下的能力优于潮湿环境下的;
在干燥条件下,臭氧和MCM—41结合基本能达到90%的去除效果,NaY次之,NAX最差。
在本实验条件下,通过臭氧催化而去除了约20-40%的甲苯,其余的则被吸附。
文献[34]中作者基于现如今最新的去除室内VOC的方法,比较了TiO2光催化法和掺氮的TiO2光催化法。
实验表明,掺氮的TiO2光催化法比未改变的TiO2光催化法有更优越的降解去除VOC的能力。
掺氮的TiO2光催化法能够去除约90%的4种不同的实验中测量的VOC,达到了很好的净化室内空气的目的。
另外,还有活性炭—纳米TiO2光催化技术,将光催化技术与活性炭吸附技术结合在一起,能充分利用它们各自的优势,提高净化技术。
除了以上的去除室内VOC的方法,还有学者研究了烘烤法。
文献[35]中就介绍了这种方法,通过实验表明了是种很有用的去除室内VOC的措施。
文献[36]结合烘烤法,采用了生物法来去除室内VOC。
通过研究比较了附带有细菌的生物过滤器对四种不同的VOC的净化效率,去除效率分别达到了约100%、65-70%、93%和85-90%。
实验得出,生物技术去除室内VOC是种很好的方法;
如果之前结合使用烘烤法,则能达到更好的效果。
3室内VOC控制的研究趋势
综合比较以上的VOC的控制法,可以发现吸附法和催化氧化法比其他的方法具有更优越的效果,能达到更高的去除室内VOC的效率。
利用纳米光催化材料去除室内VOC是近年来兴起的一项新技术。
具有以下优点:
①对有机物的氧化无选择性,可降解多种有机物;
②反应条件温和,可以在常温常压下操作;
③可以将有机污染物分解为CO2和H2O等无机小分子无机物,净化效果彻底,无二次污染;
④纳米TiO2光催化剂化学性质稳定,氧化还原性强,成本低,不存在吸附饱和现象,使用寿命长,能耗低,操作简便。
所以未来的有关的VOC的控制方法的重心会基于此两种方法。
光催化氧化虽然具有以上很多优点,但不能直接应用在空调系统中。
因为室内空气中VOC的一个显著特点是种类多、浓度低。
当污染物浓度较低时,光催化降解速度较慢,而且会生成许多有害的中间产物,影响净化效果。
吸附技术虽然对气体有极强的吸附能力,但由于再生过程麻烦,限制了其使用。
所以,如果能将光催化技术与吸附技术结合在一起,就能充分利用各自的优点,提高净化效果。
这将是未来VOC控制的努力方向。
4结论
纵览国内外的有关VOC的研究,可以发现VOC的来源一部分在室外,主要来自工业废气、光化学污染和汽车尾气等;
而在室内,主要源自建筑材料和装饰材料、日常生活办公用品。
VOC会影响人的皮肤和黏膜,对人体产生急性或慢性的损害。
能引起机体免疫水平失调,影响中枢神经系统功能,还会影响消化系统。
因为室内VOC浓度主要受室内通风状况、温度、湿度以及所使用装饰涂层的厚度的影响;
所以针对这些因素,可以利用环保的建材和饰材、良好合理的自然通风、烘烤法来达到降低室内VOC浓度的目的。
另外还有,利用化学中和法、植物吸收法、吸附法、催化氧化法来去除室内VOC。
其中尤以吸附法常用、无污染,催化氧化法能耗低、操作简单等优点而具有较好的去除效果。
二者的结合使用也是未来一大趋势。
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