船用新型空氣凈化技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

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(1.中國艦船研究設(shè)計中心，武漢 430064； 2.江南造船(集團)有限責(zé)任公司，上海 201913)

船舶艙室具有相對封閉的特點，屬于典型的室內(nèi)空氣，對船舶通風(fēng)系統(tǒng)提出了更為嚴(yán)苛的要求。全球約有50%的人所處的室內(nèi)環(huán)境屬于空氣污染范疇[1]。文中介紹了封閉空氣典型污染物，厘清了對船員身心健康影響最大的幾種污染物，如甲苯、甲醛、TVOCs(可揮發(fā)性有機物)等。分析了目前幾種典型的空氣凈化技術(shù)，探討了應(yīng)用于船舶艙室空氣凈化的可能，旨在為進(jìn)一步改善艦員生活環(huán)境提供一定的技術(shù)參考。

1 典型室內(nèi)污染物

典型船舶室內(nèi)污染物的主要來源于船舶艙室內(nèi)設(shè)備材料以及船員活動，分為揮發(fā)性有機污染物、懸浮微生物、懸浮顆粒物等。

1.1 揮發(fā)性有機污染物

揮發(fā)性有機污染物是沸點低于260 ℃，室溫下飽和蒸汽壓超過13 332 Pa的易揮發(fā)性有機污染物的統(tǒng)稱[2]，如甲醛、甲苯等，是引起“病態(tài)建筑物綜合癥”(sick building syndrome，SBS)的直接原因。人體長期吸入含有一定濃度的揮發(fā)性有機污染物，會對人體的呼吸系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)及神經(jīng)系統(tǒng)造成一定的損害，影響到船員的正常生活及身體健康。室內(nèi)揮發(fā)性有機污染物的幾種典型來源形式[3]，見表1。

中國環(huán)境科學(xué)研究院的學(xué)者對可揮發(fā)性有機污染物的危害進(jìn)行了研究，認(rèn)為在慢性條件下，甲醛可造成視力減退、指尖變褐色、指甲床疼痛、皮炎等，而苯及苯的衍生物則會造成驚悸、耳鳴、頭暈、頭痛、惡心、嘔吐、視力減退，長期暴露下會對血液系統(tǒng)造成一定影響。[4]

表1 室內(nèi)材料產(chǎn)生VOCs的二次源

1.2 懸浮微生物

空氣中的懸浮微生物主要有真菌、細(xì)菌和病毒等，直接影響著室內(nèi)空氣品質(zhì)，是影響人體健康的重要因素。其主要有兩種形成的途徑：①由室外的生物污染物以滲透和新風(fēng)的方式被帶入室內(nèi)；②室內(nèi)物品和地面的表面以及建筑圍護結(jié)構(gòu)滋生微生物，或是積水處微生物大量生長后被氣溶膠化，進(jìn)入空氣中形成微生物氣溶膠[5]。船舶艙室較為封閉，環(huán)境潮濕，更易成為某些懸浮微生物滋生的溫床，侵蝕船員的身心健康，嚴(yán)重影響船員的工作生活。研究表明，空氣中的懸浮微生物經(jīng)過空調(diào)過濾后，依然具有較大的活性，在適宜條件下可在過濾器表面大量繁殖[6-7]。

當(dāng)前，我國尚未出臺船舶中央空調(diào)相關(guān)的微生物檢驗規(guī)范，相關(guān)技術(shù)方案亟待修訂。公共場所集中空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)衛(wèi)生規(guī)范檢驗項目[8]，見表2。

表2 公共場所集中空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)衛(wèi)生規(guī)范檢驗項目

1.3 懸浮顆粒物

懸浮顆粒物是懸浮在大氣中的固體、液體顆粒狀物質(zhì)(或稱氣溶膠)的總稱，以直徑分類：<100 μm的稱為TSP，即總懸浮顆粒物；<10 μm的稱為PM10，即可吸入顆粒物；<2.5 μm的稱為PM2.5，即可入肺顆粒物。PM10及PM2.5是對人類危害最大的懸浮顆粒物。研究表明，一些重金屬元素、多環(huán)芳烴等對人體有害的成分在顆粒物中更加富集，富集程度與顆粒粒徑呈反相關(guān)性，粒徑越小的懸浮顆粒物對人體的危害程度越大[9]。而空氣中的細(xì)菌、真菌、懸浮微生物等都有可能附著在懸浮顆粒物中進(jìn)入人體呼吸系統(tǒng)，直接危害人體健康[10]。

2 新型空氣凈化技術(shù)的應(yīng)用

隨著對艙室內(nèi)空氣質(zhì)量越來越高的要求，單一凈化能力的空氣凈化技術(shù)已經(jīng)很難被獨立運用到艙室空氣凈化領(lǐng)域中，而能同時滿足可揮發(fā)性有機污染物脫除、懸浮微生物處理、懸浮顆粒物凈化的技術(shù)更加受到青睞。目前，光催化氧化空氣凈化技術(shù)、等離子空氣凈化技術(shù)和生物凈化技術(shù)較為受關(guān)注。

2.1 光催化氧化空氣凈化技術(shù)

有學(xué)者于1972年首次發(fā)現(xiàn)了TiO2電極在受輻射狀態(tài)下可使水催化分解成氫和氧，具有良好的催化特性[11]。同時，TiO2的化學(xué)穩(wěn)定性、抗光腐蝕性、無毒及成本低的優(yōu)勢，使得科學(xué)家對TiO2電極在輻射狀態(tài)下分解甲醛進(jìn)行了廣泛研究。有學(xué)者認(rèn)為納米級的TiO2粉末有更高的催化效率[12]。

文獻(xiàn)[13]中設(shè)計了一種新型填充式空氣凈化器，保證反應(yīng)管內(nèi)徑向空氣流速均勻，在實驗房間甲醛初始質(zhì)量濃度為0.727～1.815 mg/m3時，空氣凈化器的凈化效率為84.7%～92.0%，基于質(zhì)量平衡方程，得出空氣凈化器降解甲醛速率方程(C為空氣中甲醛濃度，10-6)：

文獻(xiàn)[14]中設(shè)計了一種壁掛式光催化空氣凈化器，通過延長污染氣體在凈化器內(nèi)的流動距離，增加污染氣體與光催化劑的接觸面積。在相同反應(yīng)條件下，較傳統(tǒng)的平板式反應(yīng)器效率高約14%。其在環(huán)境溫度為25 ℃，P25TiO2的負(fù)載量為1.0 mg/cm2，甲醛初始質(zhì)量濃度為0.7 mg/m3時達(dá)到最佳凈化效果。

文獻(xiàn)[15]中設(shè)計了一種新型管狀泡沫鎳光催化空氣凈化器，可應(yīng)用于供熱、通風(fēng)及空調(diào)系統(tǒng)。采用將TiO2涂覆在比表面積為0.24 m2/g，平均孔徑為150 μm的泡沫鎳網(wǎng)上，提高了傳質(zhì)效率，使得整體凈化效率相較于多玻璃管凈化器提高了138%。同時，甲醛的反應(yīng)符合一級反應(yīng)動力學(xué)，反應(yīng)速率是空氣流速的二次函數(shù)。

文獻(xiàn)[16]中設(shè)計了一種圓筒形濾筒光催化空氣凈化器，以三元復(fù)合負(fù)載型納米光催化劑CO2+-SiO2-TiO2作為光催化劑，有效解決了催化劑顆粒粒徑增大的問題。對于初始質(zhì)量濃度為1.2 mg/m3的甲醛氣體，空氣凈化器運行3 h后對甲醛的去除率依然達(dá)到80%以上。

文獻(xiàn)[17]中設(shè)計了一種圓柱式大流速光催化與臭氧結(jié)合的空氣凈化器，在540 m3/h流量、92.25 m3空間的封閉空調(diào)系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行了空氣中甲醛降解實驗研究。發(fā)現(xiàn)光催化臭氧氧化在不同甲醛初始濃度下均具有超過95%的降解效率，反應(yīng)平衡濃度低于0.08 mg/m3，優(yōu)于傳統(tǒng)的光催化氧化技術(shù)。

文獻(xiàn)[18]中提出了一種濕法吸收結(jié)合光催化氧化處理室內(nèi)典型空氣污染物的思路，采用厚度為5 cm，孔隙密度為40 ppi的發(fā)泡棉，1-十二烷基-3-甲基咪唑氯鹽(DDMIMCl)水溶液的吸收劑，對甲醛去除率可以達(dá)到96%，克服了傳統(tǒng)空氣凈化器需要頻繁更換濾網(wǎng)的缺點。

2.2 等離子空氣凈化技術(shù)

有學(xué)者研究了鐵電體填充床介質(zhì)阻擋放電反應(yīng)器與線-筒式脈沖電暈放電反應(yīng)器處理10-6級的VOCs，發(fā)現(xiàn)甲苯、二氯甲烷、三氯三氟乙烷的降解率分別可以達(dá)到100%、95%、67%，開啟了等離子體處理氣態(tài)污染物的研究[19]。低溫等離子技術(shù)因其具有高效、安全等優(yōu)點，逐漸成為目前等離子空氣凈化技術(shù)中的熱門，對懸浮顆粒物具有較好的脫除效果。對船舶艙室內(nèi)氣態(tài)污染物的治理，一般要求在常壓下進(jìn)行，且溫度不可過高，防止出現(xiàn)消防危險。能在常壓下產(chǎn)生低溫等離子體的方法主要是脈沖電暈放電和介質(zhì)阻擋放電[20]。低溫等離子技術(shù)與光催化氧化技術(shù)的結(jié)合，在脫除懸浮顆粒物的同時，還可以對VOCs進(jìn)行一定程度的去除，同時可以抑制電離過程當(dāng)中臭氧的生成[21]。

在脫除懸浮顆粒物方面，有學(xué)者比較了直流電暈放電與脈沖電暈放電對細(xì)顆粒物荷電特性的影響，發(fā)現(xiàn)在相同的線板式反應(yīng)器中，脈沖電暈放電可以比直流電暈放電提供更高的峰值電壓，加劇帶電粒子與顆粒物之間的荷電作用[22]。文獻(xiàn)[23]中研究了采用脈沖電暈放電對細(xì)顆粒物凝并效果，發(fā)現(xiàn)其對小顆粒(0.5～1.0 μm)有良好的荷電性，高頻對小顆粒(低于0.7 μm)凝并性，低頻對大顆粒的凝并有利。文獻(xiàn)[24]中研究了脈沖電暈放電對細(xì)顆粒物脫除的作用，發(fā)現(xiàn)交錯布置的線線結(jié)構(gòu)電凝并反應(yīng)器在施加脈沖電暈放電時，對小粒徑顆粒物的凝并效果平均提高13%。文獻(xiàn)[25]中設(shè)計了一套應(yīng)用于柴油機排放物質(zhì)的介質(zhì)阻擋放電低溫等離子體凈化脫除系統(tǒng)，可以有效脫除顆粒物，效率最高可達(dá)到79%質(zhì)量分?jǐn)?shù)。文獻(xiàn)[26]中將低溫等離子體與傳統(tǒng)電凝并技術(shù)結(jié)合，應(yīng)用于粉塵脫除方面，也取得了較好的效果。

在VOCs降解方面，有學(xué)者將表面介質(zhì)阻擋放電裝置與不同晶型的MnO2結(jié)合，對甲苯的脫除進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)α-MnO2具有最好的催化活性，當(dāng)能量密度為160 J/L時，甲苯的降解效率能夠從單獨低溫等離子體的32.5%上升到78.1%。引入anatase TiO2可以提高α-MnO2的比表面積和酸性位，進(jìn)一步提升甲苯的降解效率，最高可以達(dá)到90.2%，同時復(fù)合催化劑可以顯著降低臭氧的逃逸量[27]。有學(xué)者在1 000 m3/h風(fēng)量的閉循環(huán)實驗平臺中，開發(fā)了一套新型的兩段式等離子體凈化技術(shù)。該技術(shù)適用于低濃度、大風(fēng)量有機氣體深度凈化，尤其當(dāng)苯乙烯氣溶膠為157 nm左右時，其收率可以達(dá)到75%[28]。文獻(xiàn)[29]中設(shè)計了一種拉西環(huán)(Raschig Rings)填充床介質(zhì)阻擋放電反應(yīng)器，發(fā)現(xiàn)對甲苯的處理效率較未填充床反應(yīng)器從48%提高到97%，能量效率也有一定程度的提高。在沿面介質(zhì)阻擋放電與填充床介質(zhì)阻擋放電反應(yīng)器的基礎(chǔ)上，優(yōu)化設(shè)計了一種復(fù)合介質(zhì)阻擋放電等離子體反應(yīng)器，其對初始濃度為1/10 000，氣體流量為5 L/min條件的苯污染氣體降解效率最高可達(dá)到52.8%，比單一的沿面介質(zhì)阻擋放電或填充床介質(zhì)阻擋放電分別提高10.3%與22.1%，且具有明顯更高的能量效率[30]。

低溫等離子體技術(shù)在凈化空氣中的微生物方面亦有一定研究進(jìn)展。文獻(xiàn)[31]中研究了介質(zhì)阻擋放電直接殺滅通過放電電極的微生物的可能性，發(fā)現(xiàn)空氣流量為25 L/s，一次通過可以降低空氣中1.5個對數(shù)單位的細(xì)菌。文獻(xiàn)[32]中研究了基于氧氣低溫等離子技術(shù)脫除空氣中各種呼吸道病毒，發(fā)現(xiàn)空氣流速為0.9 m/s時，副流感病毒、合胞病毒和流感病毒分別下降了6.5、3.8以及4個對數(shù)單位。文獻(xiàn)[33]中研究了微波輻射與低溫等離子體對生物氣溶膠活性的影響，發(fā)現(xiàn)低溫等離子體可在較短的時間內(nèi)高效地滅活空氣中的細(xì)菌、真菌和病毒，并破壞細(xì)菌和真菌的細(xì)胞膜，能量為28W的低溫等離子體可在次秒級內(nèi)滅活100%的病毒MS2，同時可以高效地降低空氣中的過敏原。但在單獨使用的過程中，低溫等離子技術(shù)易產(chǎn)生臭氧等二次污染。

2.3 生物凈化技術(shù)

生物凈化技術(shù)用于處理污染空氣早在20世紀(jì)50年代已經(jīng)得到初步運用[34]。生物法凈化過程是有害氣體分子進(jìn)入微生物細(xì)胞內(nèi)，發(fā)生酶催化生化反應(yīng)，產(chǎn)物擴散到細(xì)胞外，進(jìn)入氣流主體。Pol歸納了較為常見的3種生物凈化工藝有生物吸收工藝、生物過濾工藝與生物滴濾工藝[35]。

生物吸收工藝(適合1～5 g/m3的初始質(zhì)量濃度有害氣體)通常由吸收塔和活性污泥再生池組成，啟動過程復(fù)雜，維護管理成本較高，不利于在船舶進(jìn)行推廣。生物過濾工藝(適合0.5～1 g/m3的初始質(zhì)量濃度)占地面積大，也不利于在船舶進(jìn)行推廣使用。而生物滴濾工藝(適合≤0.5 g/m3的初始質(zhì)量濃度)由于其操作簡便，運行成本低，成為生物吸收工藝中的研究熱門[36]。

文獻(xiàn)[37]中采用1種塑料鮑爾環(huán)和圓柱活性炭2種單一填料和1種組合填料，設(shè)計了一種生物滴濾塔反應(yīng)器，其對苯的最大凈化效率可以達(dá)到100%，對正庚烷的最大凈化效率可以達(dá)到85%以上。文獻(xiàn)[38]中設(shè)計了一種放大型生物滴濾床，用于凈化甲苯/苯廢氣，發(fā)現(xiàn)105 s的氣體停留時間和較低的進(jìn)口甲苯質(zhì)量濃度有利于放大型生物滴濾床進(jìn)行快速掛膜啟動，掛膜啟動后，綜合凈化效率可維持在90%以上。但使用火山巖填料時，生物滴濾床出現(xiàn)了一定的堵塞現(xiàn)象。文獻(xiàn)[39]設(shè)計了一套基于生物滴濾法處理揮發(fā)性有機物(VOCs)的工程工藝。在調(diào)試期即達(dá)到了3 000 m3/h的日處理空氣量，基本達(dá)到了GB16297—1996《大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》排放標(biāo)準(zhǔn)限值以及GB14554—93《惡臭污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的限值。

生物滴濾法運行簡單且環(huán)保，但是傳統(tǒng)生物過濾器隨著設(shè)計尺寸增大，去除能力會降低。同時，其內(nèi)部的反應(yīng)器中的微生物適應(yīng)期很長，不利于及時形成有效脫除效果，特別是用于處理VOCs時[40]。到目前為止，生物法所能處理的污染物承載負(fù)荷不能過高，因此在相同的處理量內(nèi)，其占地面積和工程量更大，同時由于生物進(jìn)化的機制尚未完全明晰，一些設(shè)備的實際運行效果并不穩(wěn)定[41]。

生物凈化技術(shù)需要較長時間的氣體停留時間，填料易堵塞，菌種具有選擇性的特性，也制約了其應(yīng)用于艦船空氣凈化領(lǐng)域。

3 結(jié)論

從船舶設(shè)計角度看，艙室可利用空間有限，無法拿出相當(dāng)大面積艙室用于安裝各型空氣凈化器。同時，由于中央空調(diào)和通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計，已經(jīng)將顆粒污染物進(jìn)行一定程度的脫除，艙室內(nèi)部環(huán)境以及船員生活習(xí)慣并不會產(chǎn)生額外大量的顆粒污染物。船舶艙室內(nèi)大量使用的裝飾材料，船員日常生活所產(chǎn)生的各種分泌物、微生物，在一定程度上會造成空氣品質(zhì)下降，形成揮發(fā)性有機污染物污染以及懸浮微生物污染，危害到船員的身心健康。

低溫等離子技術(shù)與光催化氧化技術(shù)結(jié)合，可以最大限度地對艙室大氣環(huán)境中揮發(fā)性有機污染物以及懸浮微生物進(jìn)行脫除?？梢钥紤]在主要的人員聚集艙室，主要的送風(fēng)通道內(nèi)，使用該復(fù)合型凈化技術(shù)。研究表明，低溫等離子凈化技術(shù)具有易產(chǎn)生臭氧等二次污染的特點，與光催化氧化技術(shù)結(jié)合后，可以找到抑制臭氧等二次污染產(chǎn)生的條件，因此，低溫等離子技術(shù)與光催化氧技術(shù)的結(jié)合，將成為未來控制艙室大氣環(huán)境污染的一種有效手段，得到越來越廣泛的關(guān)注。