舊空氣凈化器表面與臭氧的二次污染研究

程嘉穎

（大眾交通（集團(tuán)）股份有限公司，上海 200235）

0 引言

研究表明，室外臭氧經(jīng)過空氣過濾器表面時(shí)濃度會降低[1]。這是因?yàn)榕c過濾器表面的顆粒物發(fā)生了反應(yīng)，產(chǎn)生甲醛等二次污染物[2-4]，所產(chǎn)生的二次污染物可能引發(fā)嚴(yán)重的病態(tài)建筑物綜合征SBS[5-6]。甲醛也被美國環(huán)境保護(hù)局（EPA）認(rèn)為是潛在的致癌物[7]，同時(shí)被世界衛(wèi)生組織國際癌癥研究處（WHO）認(rèn)定是頭號的致癌物[8]。甲醛和其他有機(jī)化合物等二次污染物的形成與臭氧去除率有關(guān)，并且該反應(yīng)受環(huán)境溫濕度、過濾器材料和顆粒物容塵量等因素影響。但是系統(tǒng)的關(guān)于過濾器二次污染物的研究比較局限。

當(dāng)前我國舊過濾器與臭氧反應(yīng)的研究較少，本課題擬研究我國舊過濾器和臭氧反應(yīng)所產(chǎn)生的二次污染物，探究溫度、風(fēng)速和上游臭氧濃度對該反應(yīng)的影響，評價(jià)該反應(yīng)的臭氧去除率和污染物產(chǎn)生濃度，以分析此二次污染對人體的潛在危害。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)針對空氣過濾器表面的臭氧反應(yīng)，搭建一套固-氣反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)臺，如圖1所示。氣流從左上方由抽氣泵進(jìn)入，先經(jīng)過流量計(jì)控制風(fēng)量，再經(jīng)過活性炭過濾，得到風(fēng)量可控的、干凈的空氣。采用三向閥和調(diào)節(jié)閥控制進(jìn)入水桶的風(fēng)量，從而可以控制氣流的濕度。經(jīng)過前期處理后，氣流進(jìn)入不銹鋼風(fēng)管，臭氧產(chǎn)生器的一頭連接風(fēng)管的前段，另一頭將產(chǎn)生的臭氧注入氣流的上游，由此可控風(fēng)管內(nèi)的臭氧濃度。在兩根風(fēng)管的中間夾著實(shí)驗(yàn)用的過濾器材料，用三向閥分別測上游和下游風(fēng)管中臭氧的濃度和揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）的濃度，從而得到上下游的濃度差，風(fēng)管中還有溫濕度自計(jì)儀可以控制溫濕度，最終廢氣會從風(fēng)管的尾部輸出。

圖1 實(shí)驗(yàn)臺搭建框架

本實(shí)驗(yàn)使用的空氣過濾器材料全部來自于上海Honeywell公司（型號HPF35M1120），由該凈化器廠商在全國范圍內(nèi)收集65套過濾器，分別編號，隨機(jī)選擇16套過濾器用作研究空氣過濾器表面成分對該實(shí)驗(yàn)的影響，再隨機(jī)選擇3套過濾器用作濕度、風(fēng)速和上游臭氧濃度對該實(shí)驗(yàn)的影響（編號分別為80、16和23）。運(yùn)用快速溶劑萃取方法[9]和GC-MS探測方法[10]，可得到實(shí)驗(yàn)所用的過濾器材料上的增塑劑含量。80、16和23號過濾器材料上的增塑劑總含量分別為23.13 μg/g過濾器材料，29.89 μg/g過濾器材料和166.49 μg/g過濾器材料。實(shí)驗(yàn)時(shí)先將三向閥通向上游，記錄過濾器材料上游的臭氧和VOCs的值，等示數(shù)穩(wěn)定后（一般為15min后[5]），再將三向閥通向下游，等待與上游的相同時(shí)間（15min后）再進(jìn)行計(jì)數(shù)。通過將該反應(yīng)條件下的上下游臭氧和VOCs濃度的對比，可得該反應(yīng)條件下的臭氧去除率和二次污染物的生成量。再通過調(diào)節(jié)不同的試驗(yàn)參數(shù)，得到不同反應(yīng)條件下的反應(yīng)情況。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 空氣過濾器表面成分對該反應(yīng)的影響

本實(shí)驗(yàn)探究在25℃、70%RH、0.04 m/s風(fēng)速、上游臭氧濃度為120 ppb條件下的臭氧去除率隨空氣過濾器表面成分的影響，結(jié)果顯示并沒有明顯的影響，且臭氧去除率均低于25%以下。相關(guān)系數(shù)為0.48，表明空氣過濾器表面成分對臭氧去除率的影響并不顯著。

類似地，對于二次污染物隨空氣過濾器表面成分的影響，結(jié)果顯示也沒有明顯的影響。另外，有些過濾器材料前后二次污染物的值為負(fù)，即下游濃度低于上游濃度，也有可能是由于PTR-MS不穩(wěn)定造成的，它們對于室內(nèi)已有的這些揮發(fā)性有機(jī)物的濃度而言也相對較小。相關(guān)系數(shù)為0.03，表明空氣過濾器表面成分對二次污染物的影響不顯著。

二次污染物的增量中，各成分的構(gòu)成也有顯著差異（圖2）。橫坐標(biāo)表示空氣過濾器表面的7種增塑劑的總量，單位是μg/g過濾器材料；縱坐標(biāo)表示二次污染物的增量（ppb），其中6種二次污染物由不同顏色的柱形表示。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，二次污染物的增量與空氣過濾器表面成分的構(gòu)成沒有顯著關(guān)系，也尚未發(fā)現(xiàn)各污染物成分與空氣過濾器表面成分的關(guān)系。

圖2 空氣過濾器表面成分對二次污染物各成分增量的影響

2.2 濕度對該反應(yīng)的影響

本實(shí)驗(yàn)探究在25℃、0.04 m/s風(fēng)速、上游臭氧濃度為120 ppb的條件下，隨機(jī)選取樣品，濕度分為30%、40%、50%、60%、70%等5個(gè)濕度值，由水閥控制，前后誤差在±3%。

結(jié)果表明，在低濕環(huán)境下，隨著濕度的增加，臭氧去除率略有增加，而隨著濕度的持續(xù)增加，臭氧去除率沒有顯著的變化規(guī)律，且都低于16%。

類似地，濕度對于二次污染物的影響并不明顯，3塊過濾器材料均在60%的濕度條件下達(dá)到了二次污染物總增量的最大值。

2.3 風(fēng)速對該反應(yīng)的影響

本實(shí)驗(yàn)探究在25℃、70%RH、上游臭氧濃度為120 ppb的條件下，隨機(jī)選取樣品，風(fēng)速設(shè)置為0.04 m/s、0.09 m/s、0.15 m/s、0.2 m/s、0.27 m/s等5個(gè)風(fēng)速。

結(jié)果表明，低風(fēng)速下，風(fēng)速的增加能增加臭氧去除率，而風(fēng)速增加到0.09 m/s后，臭氧去除率會降低，直到0.2 m/s達(dá)到臭氧去除率的最低值，之后又會有所增加。臭氧去除率一直都低于30%。

類似地，在25℃、70%RH、上游臭氧濃度為120 ppb的條件下，高風(fēng)速對于二次污染物會起到一定的抑制作用，即上游的揮發(fā)性有機(jī)物VOCs在高風(fēng)速下都會被過濾器材料阻擋，從而導(dǎo)致下游的濃度顯著降低。這可能是由于高風(fēng)速造成氣流組織行程湍流，風(fēng)道內(nèi)氣體組成復(fù)雜，過濾器表面尚未來得及與臭氧發(fā)生反應(yīng)；然而，低風(fēng)速下仍然能造成二次污染物的滋生，3塊過濾器材料都在0.15 m/s出現(xiàn)了二次污染物總量的最大值，表明在適宜的風(fēng)速條件下，過濾器表面的臭氧反應(yīng)仍然能產(chǎn)生一定量的二次污染物。

2.4 上游臭氧濃度對該反應(yīng)的影響

本實(shí)驗(yàn)探究在25℃、70%RH、0.04 m/s風(fēng)速的條件下，隨機(jī)選取樣品，上游臭氧濃度從3 ppb、10 ppb、40 ppb、80 ppb、120 ppb之間變化。

結(jié)果表明，在低臭氧環(huán)境下，隨著上游臭氧濃度的增加，臭氧去除量隨之增加，而當(dāng)臭氧濃度達(dá)到120 ppb后，臭氧去除量反而會降低。這說明在低臭氧環(huán)境下，隨著臭氧的增加，會加劇反應(yīng)的產(chǎn)生，使得有更多的臭氧參與反應(yīng)，而當(dāng)臭氧增加到一定程度后，過濾器表面無法去除大量的臭氧，從而去除量降低。

類似地，在25℃、70%RH、0.04 m/s的條件下，隨機(jī)選取樣品分析中有代表性的3塊過濾器材料，上游臭氧濃度對二次污染物的影響并不顯著。

3 討論

本實(shí)驗(yàn)研究了空氣過濾器表面的臭氧反應(yīng)的自變量和應(yīng)變量之間的關(guān)系。其中，自變量分為空氣過濾器表面成分、濕度、風(fēng)速、上游臭氧濃度等4個(gè)變量，應(yīng)變量分為臭氧去除率（臭氧去除量）和二次污染物的總量等2個(gè)變量。其中，濕度、風(fēng)速和上游臭氧濃度的相關(guān)系數(shù)取3塊過濾器材料分別進(jìn)行相關(guān)系數(shù)的計(jì)算后，取的平均值來作為參數(shù)比較。由相關(guān)系數(shù)的定義[11]，絕對值在0.3以下是無直線相關(guān)，0.3以上是直線相關(guān)。則可以得到空氣過濾器表面成分與臭氧去除率為低度相關(guān)，與二次污染物的總量無直線相關(guān)；濕度與二次污染物的總量呈顯著相關(guān)，即在同一濕度下，二次污染物的總量隨臭氧去除率的增加而增加，而濕度與臭氧去除率無直線相關(guān)；風(fēng)速與臭氧去除率和二次污染物的總量有低度相關(guān)性；上游臭氧濃度與臭氧去除量呈顯著相關(guān)，與二次污染物的總量無直線相關(guān)。

3.1 對該反應(yīng)的4個(gè)實(shí)驗(yàn)變量的討論

空氣過濾器表面成分：在各反應(yīng)參數(shù)中，空氣過濾器表面成分的各項(xiàng)相關(guān)系數(shù)均不高。

濕度：實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)濕度對該反應(yīng)的影響較大，也驗(yàn)證了之前其他文獻(xiàn)中的結(jié)論[12]。結(jié)果表明，隨著濕度的增加，反應(yīng)會更加劇烈，二次污染物的總量會相應(yīng)增多，可能是由于在高濕情況下，使用過的過濾器表面產(chǎn)生了霉菌等物質(zhì)，從而與臭氧反應(yīng)的幾率更大。

風(fēng)速：實(shí)驗(yàn)沒有發(fā)現(xiàn)風(fēng)速與該反應(yīng)的顯著關(guān)系，這也驗(yàn)證了其他文獻(xiàn)中的結(jié)論[12]。然而，結(jié)果也表明，濕空氣下高風(fēng)速能產(chǎn)生更多的醛類。

上游臭氧濃度：對于使用過的過濾器材料，在室內(nèi)臭氧濃度（3 ppb）的條件下，過濾器后的二次污染物總量均為負(fù)值，表明二次污染物在經(jīng)過過濾器材料表面時(shí)，在沒有臭氧的作用下，會被過濾器阻擋。在低臭氧環(huán)境下，隨著臭氧的增加，會加劇反應(yīng)的產(chǎn)生，使得有更多的臭氧參與反應(yīng)，而當(dāng)臭氧增加到一定程度后，過濾器表面無法去除大量的臭氧，從而去除量降低。而上游臭氧濃度與二次污染物的總量沒有顯著的關(guān)系。

3.2 對該反應(yīng)的兩個(gè)反應(yīng)結(jié)果的討論

臭氧去除率：結(jié)果發(fā)現(xiàn)，臭氧去除率的變化范圍最高不超過25%，最低不超過-7%，可見臭氧去除率的變化范圍比較有限。

二次污染物的總增量：類似地，可得各實(shí)驗(yàn)中二次污染物的總增量的變化范圍（圖3）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，二次污染物總增量的變化范圍最高不超過44.58 ppb，最低不超過-55.17 ppb。反應(yīng)的濃度變化較小，表明該反應(yīng)并不劇烈。

圖3 各反應(yīng)中二次污染物的總增量

國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，室內(nèi)甲醛的濃度不能超過40 ppb。為此，對比各反應(yīng)后甲醛的產(chǎn)量（圖4）。各反應(yīng)中，甲醛的增量最大值為20.98 ppb，最小值為-17.33 ppb，即甲醛最多不超過室內(nèi)已有濃度范圍的50%。

圖4 各反應(yīng)中甲醛的總增量的范圍

4 結(jié)束語

針對舊過濾器表面與臭氧的二次污染實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：

（1）二次污染的總增量相對比室內(nèi)已有的二次污染物總量較低，空氣過濾器表面的臭氧反應(yīng)并不劇烈；

（2）雖然反應(yīng)會產(chǎn)生一定量的二次污染物，但濃度較室內(nèi)已有的濃度相比較小，也尚未發(fā)現(xiàn)各自變量和應(yīng)變量之間高度相關(guān)的關(guān)系。

因此，雖然舊過濾器表面確實(shí)存在與臭氧的二次反應(yīng)，但該反應(yīng)并不劇烈，也尚未發(fā)現(xiàn)自變量和應(yīng)變量之間高度相關(guān)的關(guān)系。

在外推到典型的建筑條件時(shí)，兩條重要的說明應(yīng)引起重視。首先，本實(shí)驗(yàn)受到實(shí)驗(yàn)條件的限制，風(fēng)速較低，而實(shí)際家用空氣凈化器和實(shí)際公共建筑中經(jīng)過過濾器表面的風(fēng)速比本實(shí)驗(yàn)中的試驗(yàn)情況要高。其次，在空調(diào)系統(tǒng)中過濾器材料與臭氧發(fā)生反應(yīng)的同時(shí)，其上也在產(chǎn)生新的顆粒物和揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs），因此能在大范圍下的表面積中補(bǔ)充新的反應(yīng)材料。而實(shí)驗(yàn)中由于客觀原因，并不能完全模擬現(xiàn)實(shí)情況下過濾器材料表面發(fā)生的臭氧反應(yīng)。因此，將本實(shí)驗(yàn)的結(jié)論外推到典型的建筑條件時(shí)，關(guān)于實(shí)際情況下空氣過濾器表面的臭氧反應(yīng)的結(jié)論還需要更多深入研究。