室內空氣質量改善技術研究與應用*

劉智杰, 王燕煌，陳前火

（1. 福建省沙縣環境監測站，福建 沙縣 365050；2.福建師范大學環境科學與工程學院，福建省污染控制與資源循環利用重點實驗室，福建 福州 350007）

室內空氣質量改善技術研究與應用*

劉智杰1, 王燕煌2，陳前火2

（1. 福建省沙縣環境監測站，福建 沙縣 365050；2.福建師范大學環境科學與工程學院，福建省污染控制與資源循環利用重點實驗室，福建 福州 350007）

近年來，人們對室內空氣質量越來越重視。裝修和裝飾材料，電器和家用化學品，人為活動，生物性污染，室外污染源等是室內空氣污染的來源。甲醛、苯及苯系物、氨、氡及其子體、總揮發性有機物是室內空氣的主要污染物。文章詳述了新風系統、活性炭吸附、靜電除塵、紫外線消毒、臭氧消毒、低溫等離子體、植物凈化等室內空氣污染的控制技術，并根據室內空氣污染的特征提出相應的防控措施，為后續的深入研究提供理論參考。

空氣污染；室內空氣質量；控制技術

室內空氣污染是指室內空氣中存在的，危害人體的健康，且濃度超過國家標準的物質。室內空氣污染容易導致皮膚疾病、咳嗽、出現頭暈、無力等癥狀，從而影響人們的日常生活[1]。所以，更深入地認識室內空氣污染及其控制技術至關重要。

1 室內空氣污染的來源

1.1 裝修和裝飾材料

在裝修中使用的壁紙、化纖地毯、油漆、涂料、添加劑、膠黏劑等含有甲醛、苯、甲苯、二甲苯等；而建筑材料，如花崗石、磚、水泥、石膏等材料中，易釋放出氡氣[2]。

1.2 電器和家用化學品污染

電器，例如電視、電腦、照明設備、微波爐等能夠產生電磁輻射。家用化學品產生的化學污染物。

1.3 人為活動

人在室內的活動，如：燃氣燃燒、烹飪、吸煙、來回走動、打掃衛生、健身等活動產生的污染物。且不同的人為活動所產生的污染物的濃度不同[3]。

1.4 生物性污染源

地毯、沙發被褥、生活垃圾等所產生的細菌、真菌；人體新陳代謝所排出污染物。

1.5 室外來源

一方面來源于人為的將室外的污染帶至室內；另一方面是室外的污染物通過門等縫隙進入室內。

2 室內主要污染物質和危害

2.1 甲醛

甲醛在室溫下，是無色氣體，溶于水、乙醇、乙醚、丙酮，易燃。來源于木質材料、地板材料、絕緣材料、涂料等材料和生活用品。甲醛引起眼睛不適，刺激鼻子和喉嚨，還會出現流淚、打噴嚏、咳嗽、惡心等癥狀[4]。當濃度達到30 mg/m3會立即致人死亡。

2.2 苯及苯系物

苯及苯系物，即苯、甲苯、二甲苯，屬于無色或淺黃色透明狀的液體，易揮發，并有強烈芳香氣味。主要來源于油漆，稀釋劑，涂料，膠粘劑，油墨，膠溶劑等。甲苯可引起人類皮膚病等疾病，呼吸系統疾病，心臟病，腎和肝損害[5]。

2.3 氨

氨為無色氣體，并且刺激性臭味強烈。主要來源于建筑施工中的混凝土防凍劑、高堿混凝土膨脹劑和早強劑。氨會腐蝕和刺激皮膚組織，使人體免疫功能下降，可引起咽痛、頭痛、厭食、嘔吐等癥狀。

2.4 氡及其子體

氡是由鐳衰變產生的一種無色、無味的天然放射性惰性氣體。其來源主要是地基土壤中析出的氡；其次是建筑材料，如花崗石、黏土、磚瓦、水泥、石膏等含鐳建筑材料；再有就是室外空氣進入室內的氡。氡及其子體可使血液和其他器官受到輻射損傷[6]。

2.5 總揮發性有機物

揮發性有機物是指室溫下，飽和蒸汽壓超過133.32 KPa或者是沸點在50-260℃的各種有機化合物。主要來源于室內建筑裝飾的材料、家用燃料不完全燃燒、人體本身排放等。揮發性有機物可影響中樞神經系統、消化系統和引發局部組織炎癥反應[2]。

3 室內空氣污染物濃度的影響因素

室內環境與許多因素如溫度、相對濕度、空氣交換率、實際入住率水平,通風、顆粒污染物,生物污染物和氣態污染物有關[8,9]，還與裝修的時間、房間面積有關。李惠敏等人[10]在對洛陽市城區居民住宅的室內空氣中的甲醛含量進行檢測后，結果發現在裝修了2個月之后，甲醛超標率達到93.75%。隨著裝修后時間的延長，裝修后1年，甲醛濃度超標率降到36.05%。郭金姝[11]分別對石家莊市的4個不同地區的40戶住宅的室內環境進行監測。結果表明，甲醛、總揮發性有機物的濃度隨著時間的推移而不斷降低。Giulio等人[1]使用定板的方法（settle plate method）對意大利基耶蒂大學研究實驗室的3個不同建筑（微生物、病理、生理學研究實驗室，有機化學研究實驗室和醫藥技術研究實驗室）進行持續6個月微生物濃度的測量，結果表明微生物、病理、生理學研究實驗室與其他2個建筑相比，微生物濃度隨季節性波動較明顯。崔凱杰等[12]對5類公共場所的120個監測點位進行了室內空氣甲醛濃度的測定，發現有63個數據甲醛濃度值超標。隨著裝修后時間的累積,房屋面積的適量增大，甲醛的質量濃度逐漸降低；且室內溫度和相對濕度對甲醛的質量濃度影響很大。

4 室內空氣質量的改善技術與應用

4.1 新風系統

新風系統作為一種新型的室內通風換氣設備，按照通風動力的不同，可分為自然通風和機械通風兩類。

4.1.1 自然通風

自然通風是指依靠室外風力所造成的風壓和室內外空氣溫度差所造成的熱壓，促使空氣流動，使得建筑室內外空氣交換。影響自然通風的因素有很多，如室外氣象條件、建筑朝向、結構、布局、開口大小和開口形式等[13-18]。Liu等人[19]提出了“三步走”的設計過程，以重慶的某個住宅小區為例，從建設水平，樓層說明設計過程。并通過室外的速度場和壓力場的模擬與計算流體力學方法進行建筑優化。結果表明，隨著建筑物之間的間距的增加和建筑與風向之間的角度的減小，自然通風潛力增加。隨著朝南和建筑軸之間的夾角增大，采光效果變好（更少的陰影），而通風潛力下降。Cheung等人[20]利用計算流體動力學(CFD)模擬方法，研究了規則排列和交錯排列的高層住宅建筑對自然通風的影響。結果表明，交錯排列的建筑與規則排列的建筑群相比，平均通風率從5%增加到10%。

自然通風能使室內的污染物濃度降低，可以保持健康、舒適的居住建筑環境的室內條件，同時減少消耗的建筑物能源[21,22]。在距離通風口近和空氣流動性好的區域，甲醛的濃度均有所降低。張淑娟等人[23]對室內空氣的質量進行調查，選取了廣東省427個具有代表性的單位，進行分析。結果表明，室內的甲醛濃度偏高，且經過長時間的通風，甲醛濃度降低。

4.1.2 機械通風

以CO2濃度為控制指標的機械通風方式，可以保持室內空氣品質良好，減少采暖系統能耗[24]。Rosbach等人[25]研究荷蘭東北部的17所學校的18間教室，將其分為12個實驗教室和6個控制教室。在12個干預教室CO2的濃度保持在預先設定的水平的800 ppm和1200 ppm。探討機械通風系統對室內CO2的濃度的影響。實驗表明，教室里的二氧化碳濃度可以通過安裝CO2控制的機械通風系統使其降低。Sidheswaran等人[26]研究了在HVAC（heating,ventilation, and air conditioningsystems）的玻璃纖維過濾器和聚酯過濾器中釋放出來的甲醛。結果表明甲醛釋放量隨著濕度的增加而顯著增加。另外玻璃纖維過濾器釋放出來的甲醛量在比聚酯纖維過濾器要大48%-64%。

4.2 活性炭吸附

活性炭是一種很細小的炭粒，具有大的比表面積，且吸附能力強。影響活性炭的因素有活性炭吸附劑的性質、吸附質的性質、pH值、溫度等[27]。Luo等人[28]通過容積法在298 K和壓力高達3.5 MPa下，測定了甲烷在活性炭上的吸附特性。結果表明，相對較大的孔體積和比表面積，甲烷吸附能力更好。當兩個樣品的微孔參數相似，甲烷吸附量取決于微孔孔徑分布，較窄的孔徑分布促進了甲烷的吸附。活性炭能有效吸附苯類化學物質，為了提高活性炭的吸附性能，可以通過采用活化技術對活性炭表面的孔隙結構和官能團進行改良[29]。Jiang等人[30]采用浸漬方法制備改性活性炭吸附劑，結果表明，改性后的活性炭吸附去除能力顯著增強。

4.3 靜電除塵技術

靜電除塵技術是指含塵氣體在進行電離的過程中，通過高壓電場使塵粒荷電，并在電場力的作用下，將塵粒從含塵氣體中分離出來。

靜電除塵的初期除塵效率能達到99%，除塵效率高，應用于中央空調系統和潔凈空調系統，能有效降低室內顆粒物的濃度[31]。Kim等人[32]對PVC管安裝為除塵器，以促進水的流動作為備用電極的改性濕式除塵器進行研究。結果表明除塵器具有小的收集區域0.83 m2(m3/min)，可以獲得微粒99.7%的高捕集效率。

4.4 紫外線消毒

紫外線消毒是指利用適當波長的紫外線，使微生物機體細胞中的DNA核糖核酸的分子結構遭到破壞，并使細胞死亡，從而達到殺菌消毒的效果。

運用紫外線消毒原理制成的產品有紫外線消毒燈和紫外線消毒器。主要運用在醫院病房，能快速殺滅細菌[33]。林軍明等人[34]在面積約57 m2的教室，采用平板沉降法和儀器采樣法對沉降菌和浮游菌進行采樣和檢測，并對高強度紫外線空氣消毒器進行現場消毒試驗觀察。結果表明，在教室里，安裝2臺高強度紫外線空氣消毒器比安裝1臺高強度紫外線空氣消毒器，可使空氣中自然菌消亡率高。紫外線消毒燈適用在無人的狀態下進行，而紫外線消毒器可在有人的情況下使用，但滅菌效果下降。在室內無人的情況下將紫外線消毒器開啟60 min后，白色葡萄球菌殺滅率能達到98%以上；開啟90 min后，殺滅率100%。在室內有人情況下，開機60 min，空氣自然菌下降率為31%－59%[35]。

4.5 臭氧消毒

臭氧消毒是一種使細胞、細胞活動必需的酶失去活性，并且破壞細胞內的遺傳物質的殺菌凈化技術。

臭氧消毒的擴散性能好，能彌漫整個空間；其殺菌效率高，殺菌速度快；不存在任何殘留物，無二次污染；其消毒時間長，消毒效果比紫外線消毒好[36]。

主要應用于房間空氣凈化消毒和醫療衛生領域。許蓮芳[37]將2個空間相同的手術室分別用臭氧和紫外線照射消毒，比較臭氧與紫外線在手術室空氣消毒效果。結果表明，消毒后30 min，采用臭氧消毒的手術室的樣本菌落數明顯低于用紫外線照射消毒；采用臭氧消毒后180 min, 空氣中菌落數仍低于國家標準，但紫外線消毒后180 min, 空氣中菌落數超過了國家標準，說明采用臭氧消毒效果維持時間更長。Zhong等人[38]研究創新的臭氧管產生臭氧燈系統對8種類型單一化合物（甲苯，對二甲苯，乙醇，1-丁醇，甲基乙基酮，丙酮，己烷，和辛烷）對各種動力學參數影響的系統參數評估。實驗結果表明，臭氧化過程可導致測試的揮發性有機物在室內空氣環境的減少。

4.6 低溫等離子體技術

等離子體是物質的第四態[39]。它經常形成一個光電離狀態,包括正離子，自由基，分子顆粒，中性氣體原子和帶負電荷的電子[40]。它能夠有效地去除氮氧化合物、甲醛和揮發性有機物。竹濤等人[41]利用低溫等離子體-催化耦合技術，并采用了自制的復合型催化劑，對含甲苯的空氣進行處理。研究表明：當復合催化劑存在時, 在等離子體反應器中甲苯的最佳降解率達到了98.7%。Alina等人[42]利用等離子體在二氧化鈦催化劑存在下，通過外部紫外照射觀察揮發性有機化合物氧化的協同效應。結果表明，在協同作用下的揮發性有機化合物去除顯著增強。

低溫等離子體技術具有能耗低、效率高、操作簡單的優點。可以處理有機氣態污染物凈化空氣，同時還可以使微生物死亡，具有消毒殺菌功能[43,44]。其技術主要用于低溫等離子體空氣凈化器和低溫等離子體中央空調空氣凈化裝置。

4.7 光觸媒空氣凈化技術

光觸媒空氣凈化技術是一種凈化揮發性有機化合物的方法。是指光觸媒在光照射下，價帶電子被激發到導帶，形成了電子和空穴，并且于氧和水發生氧化反應，生成自由基[40]。有機物中的C-C鍵、C-H鍵、N-H鍵、C-N鍵、O-H鍵、C-O鍵，能被自由基破壞，并分解有機物為CO2與H2O，從而達到凈化空氣的目的。用作光觸媒半導體材料有TiO2、ZnO、Cds、WO3、Fe2O3，PbS、SnO3、ZnS、SrTiO3和SiO2等十幾種，其中TiO2 是常用的半導體材料，TiO2 無毒無害，具有良好的化學穩定性。

運用金屬離子摻雜[45]、非金屬離子摻雜、半導體的復合，半導體光敏化[46,47]等改良方法，從而提高納米TiO2光催化效率。用紫外線光照射時，金/二氧化鈦的光催化活性比純TiO2的更高，因為金納米粒子可以捕集光生電子，然后抑制光生電子 - 空穴對的復合[48]。Zhang等人[49]將鈉添加到鈀/氧化鈦，導致了良好分散的鈀物種，促進表面的OH基團的活化和化學吸附的氧氣，從而顯著的提高了Pd/二氧化鈦催化劑對環境中甲醛的降解。這項工作進一步證實了堿金屬離子對貴金屬催化劑的催化活性有促進作用。熊平[50]通過改變光催化劑納米TiO2載體、紫外光波長以及納米TiO2濃度等影響甲醛降解效果的因素，結果表明，以10 mm 厚度海綿狀活性炭過濾網為載體,在波長為365 nm 的紫外光照射下，TiO2濃度為4%時，甲醛去除率可達93.88%。

在陶瓷和瓷磚的表面和建筑玻璃涂上一層納米TiO2薄層，具有防污、防霧功能。同時，抗菌鈦可殺死周圍的菌類，具有抗菌功能[51,52]。因此納米TiO2可作為抗菌防霉材料和防污自潔材料[53,54]。納米TiO2光催化因其具有良好的降解作用，被用于凈化器的制備[55]。

4.8 植物凈化技術

植物凈化空氣的有效途徑是通過光合作用釋放氧氣，吸收二氧化碳；通過蒸騰作用降低溫度和調節濕度；使粉塵沿著葉粘液分泌；在根系和土壤中微生物能吸收有毒氣體的分解，它由一系列物理和生化反應。分解有毒的空氣能提供營養給自己[56]。能凈化空氣中污染物的植物主要有蘆薈、吊蘭、綠蘿、虎尾蘭、常青藤、萬年青、美人蕉、石竹等

[57]。周亶等人[58]用金邊吊蘭和常青藤這2種植物對不同濃度的甲苯進行降解，結果表明，2種植物的降解能力隨甲苯濃度增加而降低。耿孝恒等人[59]對吊蘭、虎尾蘭等5種綠色植物吸收甲醛能力進行了測定，研究發現，所選植物對甲醛都有較高的吸收率，吊蘭吸收甲醛的能力最好，綠蘿吸收甲醛的能力最差。綠色植物可以過濾和吸附顆粒物，而且植物自身具有殺菌能力。對于陽性植物應放在窗戶附近有足夠的陽光；陰生觀葉植物和部分遮蔭的植物應放在黑暗的地方。對于在濕度高的衛生間和廚房，陰生植物大葉是最好的。這是因為冬季室內干燥，所以闊葉植物需要澆水應該發展以增加濕度。但在中國的南方，由于濕度高，減少噴水，這需要一點點水的陽性植物保持。對于在客廳，選擇觀葉植物可以吸收較多有毒氣體，如吊蘭，虎尾蘭等。所以應該根據房間功能、植物生態習性、照明、濕度和污染物種類選擇所需要的植物[56]。

5 室內空氣污染的防控措施

5.1 完善監測標準，加強監督管理

國家應完善相關室內空氣質量的相關標準的制定與修訂工作。政府有關職能部門應該履行裝修行業的監督管理。

5.2 控制污染源

應從裝修材料、電器和家用化妝品、人為活動等方面減少室內污染物的排放。盡量使用綠色、無污染的裝修材料。

5.3 合理使用凈化技術

根據室內空氣污染的主要污染物的特征，合理地使用凈化技術。

5.4 加強公民防范意識

政府有組織地擴大宣傳室內空氣污染的知識，加強公民防范意識。呼吁公民對室內的環境進行定期監測。對于室內污染較嚴重的地方給予有關建議和指導。

6 結語

我們的大部分時間在室內，如辦公室，學校，家庭等，所以室內空氣質量對人體健康非常重要。雖然改善室內空氣質量的技術有很多種，但是，并不是每個室內環境都適合每種技術，人們應根據實質情況，選擇合適的控制技術。而且，目前的室內空氣控制技術有一定的局限性，所以隨著社會科學技術的進步，新的室內空氣質量的技術有待發展。

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X502

A

1007-550X（2016）-0035-08

10.3969/j.issn.1007-550X.2016.05.002

福建省自然科學基金項目（2012J01197）。

2016-04-20

劉智杰（1977- ），男，福建沙縣人，工程師，主要從事環境監測方面的工作。