環(huán)境煙草煙霧污染物的凈化試驗(yàn)

樊啟志，張麗 ，王東勝，董耀華，董麗華，尹衍升

1.上海海事大學(xué)物流工程學(xué)院，上海 201306

2.上海海事大學(xué)海洋科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201306

近年來，我國空氣污染嚴(yán)重，大氣可吸入顆粒物尤其是PM2.5開始逐漸被人們所了解，對室內(nèi)PM2.5的治理也開始引起了人們的重視。室內(nèi)空氣污染源除了來自室外和室內(nèi)的建筑裝飾材料用品等外，還有一個(gè)重要的污染源就是吸煙產(chǎn)生的含有大量PM2.5的環(huán)境煙草煙霧。世界衛(wèi)生組織明確表示，環(huán)境煙草煙霧(environment tobacco smoke，ETS)與肺癌、心臟病及呼吸道感染等發(fā)病率密切相關(guān)，是A組致癌物之一，即任何劑量的暴露都不安全［1］。Hildemann 等［2］研究發(fā)現(xiàn)香煙燃燒散發(fā)的PM2.5為10 ～20 mg/支，Martin 等［3］研究表明，被測香煙燃燒散發(fā)的可吸入顆粒物平均濃度為13.67 mg/支。由于PM2.5粒徑小、比表面積大，易于富集空氣中的有毒有害物質(zhì)，可隨呼吸進(jìn)入體內(nèi)，甚至進(jìn)入人體肺泡或血液循環(huán)系統(tǒng)，直接導(dǎo)致心血管、呼吸系統(tǒng)等疾病，是大氣環(huán)境中化學(xué)組成最復(fù)雜、危害最大的污染物之一［4-5］。因此，對室內(nèi)環(huán)境煙草煙霧PM2.5的凈化尤為重要。

目前，我國空氣凈化器多是單獨(dú)或部分采用機(jī)械過濾、活性炭吸附和空氣負(fù)離子發(fā)生器等方法，對空氣凈化器凈化效果的研究也很少涉及到室內(nèi)環(huán)境煙草煙霧(特別是顆粒物)。筆者通過整合空氣凈化技術(shù)［6-11］，設(shè)計(jì)了既適用于常規(guī)的室內(nèi)空氣凈化，也適用于處理室內(nèi)PM2.5的空氣凈化裝置，以期為室內(nèi)空氣凈化特別是室內(nèi)環(huán)境煙草煙霧的凈化提供參考。

1 試驗(yàn)

1.1 凈化裝置

自行設(shè)計(jì)的基于負(fù)離子與光催化高級氧化耦合凈化技術(shù)的空氣凈化裝置，其空氣凈化流程如圖1所示。該空氣凈化裝置由4 個(gè)凈化過程組成:1)初效過濾，過濾網(wǎng)為尼龍材質(zhì)的平紋過濾網(wǎng)，主要針對空氣中粗大的絨毛、紙屑等;換風(fēng)機(jī)置于初效過濾后，型號為No. D10-22F 靜音風(fēng)機(jī)。2)負(fù)離子凈化，主要針對空氣中的PM2.5，其發(fā)生器的型號為HL-F68。3)光催化凈化，主要針對空氣中NOx及易揮發(fā)的有害氣體等，采用石英紫外線殺菌燈，燈管型號為GPH406T5/H0/4C(對接)，中間的催化膜采用上海海事大學(xué)材料科學(xué)與工程研究院研制的納米二氧化鈦光催化膜。4)高效過濾，選用對PM2.5有很好過濾效果的HEAP-21 型號過濾網(wǎng)。

圖1 空氣凈化流程Fig.1 Air purification process

1.2 設(shè)計(jì)方案

實(shí)驗(yàn)艙室為賓館內(nèi)某獨(dú)立衛(wèi)生間，艙室為密閉空間，體積為17.25 m3(長2.5 m，寬2.3 m，高3 m)。整個(gè)過程以香煙煙霧為室內(nèi)污染源。

試驗(yàn)一:將凈化裝置置于密閉艙室正中間，采用多點(diǎn)采集(圖2)，采集高度取人呼吸高度的平均值，為1.1 m［12］。

試驗(yàn)二:在試驗(yàn)一進(jìn)行的同時(shí)，采用色度分析進(jìn)行圖像采集。在室內(nèi)約1.1 m 高處的墻壁上，選取20 cm×20 cm 的正方形，在正方形中用4 個(gè)小黑點(diǎn)標(biāo)記(圖3)。保持背景條件、相機(jī)參數(shù)、相機(jī)位置及其他條件不變的情況，采集照片。

1.3 儀器

CO、NOx及SOx采用MGA5/Vario Plus 紅外煙氣分析儀(MRU 公司)測定，每次測定前預(yù)熱30 min，重置調(diào)零后開始采集讀數(shù)。

圖2 采集點(diǎn)分布剖面Fig.2 Acquisition point distribution

由于實(shí)驗(yàn)艙室體積小，顆粒濃度不大，無法采用撞擊稱量法［13］對顆粒物(PM2.5)進(jìn)行試驗(yàn)采集。因此，設(shè)計(jì)利用尼康S4300 數(shù)碼相機(jī)采集照片，嘗試采用色度分析(RGB 對照)對試驗(yàn)的顆粒物(PM2.5)進(jìn)行分析，以期為類似試驗(yàn)提供新的思路。

1.4 試驗(yàn)方法［14-16］

1.4.1 試驗(yàn)一

將門窗打開，使室內(nèi)污染物濃度小于檢測儀的檢測下限，關(guān)閉門窗，同時(shí)點(diǎn)燃6 支香煙使其完全燃燒，開始分別記錄CO、NOx及SOx的初始濃度。

步驟1:只開啟凈化裝置的換風(fēng)機(jī)，每隔2 min記錄1 次數(shù)據(jù)，連續(xù)記錄60 min。測定各污染物在只有換風(fēng)機(jī)條件下的衰減，作為空白循環(huán)對照組。

步驟2:只開啟凈化裝置的光催化凈化部分，每隔2 min 記錄1 次數(shù)據(jù)，連續(xù)記錄60 min。測定各污染物在光催化凈化條件下的衰減，作為循環(huán)光催化組。

步驟3:只開啟負(fù)離子凈化部分，測定各污染物在負(fù)離子凈化條件下的衰減，作為循環(huán)負(fù)離子組。

步驟4:開啟凈化裝置，測定凈化裝置對各污染物的衰減，作為光催化+負(fù)離子組。

1.4.2 試驗(yàn)二

只采集空白循環(huán)對照組(步驟1)與光催化+負(fù)離子組(步驟4)的照片，對其進(jìn)行色度分析，分析試驗(yàn)效果。

試驗(yàn)中保證背景燈光、相機(jī)參數(shù)、相機(jī)位置及其他條件完全不變，然后進(jìn)行自動拍照采集，以墻壁提前設(shè)置的參考點(diǎn)為準(zhǔn)(圖3)，每隔2 min 拍照1 次，連續(xù)記錄60 min。

將照片導(dǎo)入photoshop 軟件，記錄圖3 中4 個(gè)參考點(diǎn)的RGB 信息。

1.5 數(shù)據(jù)計(jì)算

1.5.1 試驗(yàn)一

4 個(gè)采樣點(diǎn)處污染物的初始濃度分別為C01、C02、C03、C04，經(jīng)過t 時(shí)間后各采樣點(diǎn)處污染物濃度分別為C11、C12、C13、C14，則室內(nèi)初始濃度(C0)為:

t 時(shí)間后的室內(nèi)濃度(C1)為:

t 時(shí)間后的污染物凈化效率(η)為:

1.5.2 試驗(yàn)二

色度分析［17］:采用RGB 圖像采集，為使數(shù)據(jù)處理更接近人眼視覺效果，利用HIS 系統(tǒng)進(jìn)行飽和度(S)品質(zhì)分析。

取采集的照片參考點(diǎn)處對應(yīng)的參數(shù)R 分別為R01、R02、R03、R04，則該照片的R 為4 點(diǎn)的平均值(R0):

同理，可以算出該照片的對應(yīng)參數(shù)G 和B(G0和B0)。

采用圖像處理的HIS 系統(tǒng)進(jìn)行飽和度品質(zhì)分析，對RGB 色彩坐標(biāo)進(jìn)行轉(zhuǎn)化:

式中，I 為亮度。當(dāng)S =0 時(shí)，表示白色;S =1 時(shí)，表示黑色。

2 結(jié)果與分析

2.1 CO 的凈化效果

4 組試驗(yàn)對CO 的凈化處理效果如圖4 所示。

圖4 CO 凈化處理效果Fig.4 Purification efficiency figure of CO

從圖4 可知，循環(huán)光催化組在最初的幾min 內(nèi)降解率最快，光催化對降解CO 是有效果的，且起作用的時(shí)間短。隨著降解時(shí)間的增加，40 min 前循環(huán)負(fù)離子組降解率遠(yuǎn)高于其他組，55 min 后負(fù)離子+光催化組降解率超過其他組。主要是因?yàn)镃O 的凈化是通過負(fù)離子發(fā)生器產(chǎn)生的負(fù)氧離子中的小離子主動捕捉空氣中的小顆粒，使其凝聚沉降。黏附在顆粒物上的CO 得到了間接凈化。

2.2 NOx 的凈化效果

4 組試驗(yàn)對NOx的凈化處理效果如圖5 所示。

圖5 NOx 的凈化處理效果Fig.5 Purification efficiency figure of NOx

從圖5 可知，循環(huán)光催化組在前4 min 的降解率最快，NOx的處理效果也是最好的。這是由于光催化過程產(chǎn)生的·OH 是氧化性很高的活性物質(zhì)，能將幾乎所有的有機(jī)物氧化分解為無機(jī)物。但是，負(fù)離子產(chǎn)生的負(fù)氧離子具有彌散現(xiàn)象存在，起作用的時(shí)間比較長。整個(gè)試驗(yàn)過程中，NOx的降解率只達(dá)到約25%，這主要是由于氣體經(jīng)過光催化組的時(shí)間比較短，氧化不夠充分;這有待于裝置結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步改進(jìn)。另外可能是由于NOx在空氣中的濃度低，凈化不完全造成。

2.3 SOx 的凈化效果

4 組試驗(yàn)對SOx的凈化處理效果如圖6 所示。

圖6 SOx 的凈化處理效果Fig.6 Purification efficiency figure of SOx

從圖6 可知，循環(huán)光催化組在前幾min 降解率很快，之后隨著負(fù)氧離子彌散開來，粘附在顆粒物上的SOx也隨之加速降解。對SOx的凈化效果最終保持一致，降解率基本都達(dá)到了50%。

2.4 PM2.5凈化效果

用色度分析得出PM2.5的S 變化表征PM2.5的凈化處理效果，如圖7 所示。

圖7 色度分析中S 隨時(shí)間的變化Fig.7 The variations of S with time in color analysis

從圖7 可知，通過色度分析，在前20 min，空白循環(huán)對照組與負(fù)離子+光催化組的S 增速都比較明顯，說明凈化裝置加速了顆粒物(PM2.5)的流動與凈化。在20 min 后，負(fù)離子+光催化組S 的增速明顯要大于空白循環(huán)對照組，主要是負(fù)氧離子能使空氣中微小顆粒凝聚然后沉降。凝聚后未沉降的顆粒經(jīng)過HEPA 高效過濾膜后，大部分可被過濾。但負(fù)離子向外彌散需要時(shí)間，起作用的初始時(shí)間比較長。可見負(fù)離子+ 光催化組“驅(qū)散”空氣中顆粒物(PM2.5)的效果更好。在凈化后半段時(shí)間，艙內(nèi)PM2.5濃度已經(jīng)降低到很低的范圍后，S 出現(xiàn)上下波動。

3 結(jié)論

(1)凈化裝置的負(fù)離子凈化過程凈化CO 的效果最好;光催化凈化過程對NOx處理的效果最佳，起作用的時(shí)間也最短，但NOx的降解率只達(dá)到約25%;光催化凈化過程對SOx起作用的時(shí)間最短，負(fù)離子凈化過程隨著空氣中負(fù)氧離子增多，對SOx凈化也就加快。對SOx的凈化效果最終保持一致，降解率基本達(dá)到50%。

(2)凈化裝置對處理空氣中的PM2.5具有一定的效果，負(fù)離子+光催化組效果更好些。

(3)對室內(nèi)小體積、低濃度的顆粒物，嘗試采用色度分析法來分析室內(nèi)PM2.5凈化效果，能定性分析顆粒物的凈化速率大小，可為其他相關(guān)試驗(yàn)提供參考。

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