建筑裝飾材料揮發(fā)性有機物及去除設備研究現狀

2 現有建筑中揮發(fā)性有機物的情況
　　
　　中國華科大學(xué)健康學(xué)院1995年冬天對剛裝修的兩個(gè)居民房進(jìn)行了兩個(gè)半月的VOC測量，發(fā)現這些房中產(chǎn)生不同程度的甲醇、乙醇、戊烷、已烷、苯、庚烷、環(huán)已烷、甲苯、二甲苯、乙基苯[2]。其中最主要的有機物是甲醇，苯，甲苯和二甲苯。中國科學(xué)院環(huán)境衛生監測所對一個(gè)辦公室空氣污染進(jìn)行測量，發(fā)現辦公室內主要有機物是苯、甲苯、二甲苯、乙苯和甲醛，濃度從0.1mg/m³到0.96 mg/m³。
　　美國環(huán)保局（EPA）通過(guò)對16個(gè)建筑的隨機抽樣發(fā)現，有4個(gè)建筑中的VOC濃度超過(guò)了0.4 mg/m³。歐洲對9個(gè)國家的56棟建筑進(jìn)行了室內VOC濃度的測量^[3]，發(fā)現有22棟建筑中VOC濃度超過(guò)0.2 mg/m³。文獻[4]指出日本住宅中的有機物濃度為0.19～0.643 mg/m³。文獻[5]指出瑞典公寓中VOC濃度為0.31 mg/m³，居民家庭中為0.47 mg/m³。文獻[6]指出英國綜合建筑中VOC濃度為0.2 mg/m³。
　　從上述調查情況可以看出，目前室內VOC污染狀況是比較嚴重的。
　　
3 不同建筑裝飾揮發(fā)性有機物的散發(fā)量測量
　　
　　為了從污染源上控制VOC的產(chǎn)生，國內外很多單位都對建筑裝飾材料的VOC散發(fā)情況進(jìn)行了測量。文獻[7]對中國生產(chǎn)的8種室內材料即酸漆、黑漆、地板清潔劑、地板蠟、空氣清新劑、地毯背面粘接劑、墻約、墻紙粘接劑和彩色墻紙進(jìn)行了測量，發(fā)現其散發(fā)的VOC有3～30種。文獻[8]指出了TVOC的最大傳和其衰減度隨著(zhù)材料的不同而不同，流態(tài)物質(zhì)如油漆、清漆和地板油的衰減度最大。EPA做了實(shí)驗來(lái)確認各種室內污染源的散發(fā)量，同時(shí)確認各種因素對散發(fā)量的影響^[9]，這些因素包括溫度、相對濕度、空氣變化及小室負荷。結果表明，空氣換氣次數對散發(fā)量尤其是濕材料的散發(fā)量有很大的影響。
　　文獻[10]對37種典型的加拿大民用住宅所使用的建筑裝飾材料發(fā)散的VOC進(jìn)行了測量，得出了這些材料的VOC數據庫。
　　目前世界上已有3個(gè)體積為55 m³ (5m×4m×2.75m)的實(shí)驗室用于研究建筑裝飾材料的VOC產(chǎn)生量，它們分別是IRC/NRC^①，NRMRL/USEPA^②和CSIRO/Austrlia^③，這些實(shí)驗室均用不銹鋼制作，具有加熱、通風(fēng)、空氣調節系統，能夠控制室內各種參
數。
　　為了使各實(shí)驗室所測得的數據有可比性及可靠性，歐洲已經(jīng)建立了對室內污染物測量方法、選樣方法、數據分析方法、結果整理方法等統一的協(xié)定方案^[11]。
　　
4 建筑裝飾材料VOC散發(fā)標準的制定和材料的分類(lèi)
　　
　　目前我國國家質(zhì)檢總局已頒發(fā)了《室內裝飾裝修材料有害物質(zhì)限量》10項強制性標準，從2002年7月1日開(kāi)始的散發(fā)量作了規定^[12]。北歐國家根據普通材料最大的VOC散發(fā)量為40，100和數百u(mài)g/(m²·h)，將材料分為MEC-A（低揮發(fā)性材料），MEC-B（中揮發(fā)性材料）和MEC-C（高揮發(fā)性材料）3類(lèi)^[13]。
　　美國EPA現在做出了污染源分類(lèi)數據庫，這個(gè)數據庫含有材料的VOC散發(fā)量及毒性^[14]。
　　
5 揮發(fā)性有機物散機理的研究
　　
　　揮發(fā)性有機物的散發(fā)率通常由以下兩個(gè)過(guò)程決定[15]：①材料內部的擴散；②材料表面到周?chē)�空氣的散發(fā)。材料內部的擴散是濃度梯度、溫度梯度及密度梯度共同作用的結果。每種化合物都有自己的質(zhì)擴散系數，與其相對分子質(zhì)量、分子體積、溫度及與被擴散的物質(zhì)特性有關(guān)。表面散發(fā)由幾種機理共同作用，包括蒸發(fā)和對流。對于表面散發(fā)而言，VOC的散發(fā)率會(huì )受到空氣中濃度、氣流速度及溫度的影響^{[16，17]}。根據材料的不同，VOC的產(chǎn)生率可能由上述一個(gè)或兩個(gè)因素起決定作用。
　　根據散發(fā)機理的不同，室內建筑裝飾材料的散發(fā)模型，總體上可分為兩類(lèi)即經(jīng)驗模型和模型。
　　
6 揮發(fā)性有機物去除機理和去除設備的研究
　　
　　目前人們主要集中研究活性炭和光觸媒設備對VOC的去除特性。吸附是由于吸附劑和吸附質(zhì)分子間的作用力引起的，這些作用力分為兩大類(lèi)--物理作用力和化學(xué)作用力，它們分別引起物理吸附和化學(xué)吸附。物理吸附是可逆過(guò)程，只能暫阻擋污染而不能消除污染。而化學(xué)吸附是不可逆的過(guò)程，是揮發(fā)性物質(zhì)的分子與吸附劑起化學(xué)反應而生成非揮發(fā)性的物質(zhì)，這種機理可使得低沸點(diǎn)的物質(zhì)如甲醛被吸附掉�；钚蕴渴亲畛Ｓ玫奈�附劑，它對許多VOC都是很有效的，但對甲醛作用很小。
　　已有的研究成果表明活性炭對芳香族化合物的吸附優(yōu)于對非芳香族化合物的吸附，如對苯的吸附優(yōu)于對環(huán)已烷的吸附；對帶有支鍵的烴類(lèi)物質(zhì)的吸附優(yōu)于直鍵烴的吸附；對相對分子質(zhì)量大、沸點(diǎn)高的化合物的吸附總是高于相對分子質(zhì)量小、沸點(diǎn)低化合物的吸附；空氣濕度增大，則可降低吸附的負荷；吸附質(zhì)濃度越高，則吸附量也越高；吸附量隨溫度升高而下降；吸附劑內表面積愈大，吸附量越高。浸了高錳酸鉀的氧化鋁（PIA）對甲醛及低濃度的醛和有機酸有很高的去除效率。所以PIA經(jīng)常與活性炭聯(lián)合起來(lái)使用以提高過(guò)濾器的效率。
　　目前美國上有3種化學(xué)過(guò)濾器，都是用活性炭作為吸附劑的^[18]，第1種是V字型裝有大顆粒的活性炭，第2種是折邊型裝有小顆粒的活性炭，第3種是折邊型的活性炭編織物過(guò)濾器，效率為40%～80%，當風(fēng)速為2.5m/s時(shí)阻力為約100Pa。
　　光觸媒設備是以N型半導體的能帶理論為基礎，N型半導體吸收能量大于或等于禁帶寬度（禁帶能量）的光子（hv）后，進(jìn)入激發(fā)狀態(tài)，此時(shí)價(jià)帶上的受激發(fā)路過(guò)禁帶，進(jìn)入導帶。同時(shí)在價(jià)帶上形成光致空穴�？梢杂米鞴獯呋瘎┑腘型半導體種類(lèi)繁多，有TiO₂，ZnO， Fe₂O₃，CdS和 WO₃等。由于TiO₂的化學(xué)穩定性高、耐光腐蝕、難溶，并且具有較深的價(jià)帶能級，可使一些吸熱的化學(xué)反應在被光輻射的TiO₂表面得到實(shí)現和加速，加之TiO₂無(wú)毒、低，所以被廣泛用作光催化氧化反應的催化劑。TiO₂的禁帶寬度（Eg）為3.2Ev，當用波長(cháng)小于387nm的光照射TiO₂時(shí)，由于光子的能量大于禁帶的寬度，其價(jià)帶上的電子被激發(fā)，躍過(guò)禁帶進(jìn)入導帶，同時(shí)在價(jià)帶上形成相應的空穴。光致空穴h⁺具有很強的捕獲電子的能力，而導帶上的光致電子e^-又具有高的活性，在半導體表面形成了氧化還原體系。利用光致空穴h⁺和光致電子e^-與空氣中的水分和氧氣相互反應產(chǎn)生的具有高濃度活性的氫氧游離基·OH，可氧化各種有機物質(zhì)并使之礦化。如下所示：
　　　　　　　　　　　　　
　　有機污染物的降解機理與其分子結構有關(guān)，分子結構不同其降解機理及途徑也有差異。Hashimoto等研究了脂肪族化合物的光催化降解機理，認為脂肪烴先于·OH生成醇，并進(jìn)而氧化為醛和酸，終生成二氧化碳和水^[19]。文獻[20]指出TiO₂光催化反應中，一些芳得族化合物的光催化降解過(guò)程往往伴隨著(zhù)多種中間產(chǎn)物的生成。目前，對于各類(lèi)芳香族化合物的光催化降解機理研究還很不完備，初步研究認為其主要降解機理還是在·OH基的作用下，芳香環(huán)結構發(fā)生變化，并進(jìn)一步開(kāi)環(huán)，從而逐步被氧化，最終礦化為二氧化碳、水及小分子無(wú)機物。
　　對室內甲醛和甲苯的研究表明，污染物光催化氧化與其濃度有關(guān)，質(zhì)量數在1×10^-4以下的甲醛可完全被光催化分解為二氧化碳和水，而在較高濃度時(shí)，則被氧化成為甲酸。高濃度的甲苯光催化降解時(shí)，由于生成的難分解的中間產(chǎn)物富集在TiO₂周?chē)�，阻礙了光催化反應的進(jìn)行，去除效率非常低，但低濃度時(shí)TiO₂表面則沒(méi)有中間產(chǎn)物生成。
　　文獻[21]對非均相光催化技術(shù)在室內空氣品質(zhì)控制方面的應用進(jìn)行了研究。指出光催化氧化技術(shù)室內空氣中低濃度的VOC有著(zhù)良好的效果。光催化氧化設備可進(jìn)行模塊化設計，而且氣體通過(guò)時(shí)壓力降低可忽略不計，這樣很容易加裝到中央空調空調的系統中去。美國新澤西州的通用空氣技術(shù)（UAT）公司已開(kāi)發(fā)生產(chǎn)了落地式及管道式光催化空氣交凈化與消毒設備^[22]。
　　盡管許多廠(chǎng)家都在研制VOC去除設備，但對于室內多種有機物污染并存的情況，如何描述這些設備的性能及如何用于實(shí)際工程中，則是亟待解決的問(wèn)題。
　　

7 結語(yǔ)
　 　
　　7．1 國內外實(shí)測結果表明，目前許多中存在VOC污染。國內這方面的研究剛起步，建議有關(guān)部門(mén)應規范現有建筑裝飾，根據有關(guān)規范要求，盡快建立建筑裝飾材料VOC數據庫。
　　7．2 為了評估建筑裝飾材料對室內帶來(lái)的揮發(fā)性有機物，應考慮實(shí)際房間中多污染源的問(wèn)題，通過(guò)建立合理的房間污染模型來(lái)切實(shí)空調系統的設計運行和維護。
　　7．3 針對目前國內外空調房間存在揮發(fā)性有機物的污染的問(wèn)題，應該改變空調系統設計方法即從設計階段就應該考慮這些污染的去除問(wèn)題，并開(kāi)發(fā)出用于去除各種污染包括牢固揮發(fā)性有機物的高效設備。
　　
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