主動綠墻凈化甲醛能力分析

于 樂 袁艷平

（西南交通大學機械工程學院 成都 610031）

0 引言

隨著工業化和城鎮化的推進，人們的生活和工作方式發生了顯著的變化。研究發現當代人們有80%的時間實在室內度過，室內空氣品質與人員健康息息相關[1]。然而，在人們對居住和工作環境的追求區域高檔化和舒適化的過程中，大量的化學合成材料在室內廣泛應用，造成了室內甲醛污染[2]。甲醛在我國有毒化學品優先控制名單上高居第二位，其對人體的危害包括刺激作用、遺傳毒性甚至導致癌癥[3]。

目前，室內甲醛去除技術主要包括物理吸附、催化氧化、臭氧氧化和生物過濾技術[3]。然而，這些技術存在價格昂貴，只針對部分污染物，甚至在凈化過程中產生二次污染等問題[4]。因此，植物修復技術因其環保、綠色、人文和社會效益受到了廣泛關注。植物修復技術是指通過植物及其根際微生物降解來吸附、吸收、代謝和降解來去除環境中的污染物[5]。

到目前為止，許多研究對盆栽植物凈化甲醛的能力進行了實驗，結果表明盆栽植物在受控的實驗室條件下能夠有效的去除甲醛[6]。然而，有研究表明要獲得與這些實驗室研究相當的結果，在實際應用中需要大量的植物，指出盆栽植物等靜態系統在去除甲醛污染方面效率低下[7]。相比于盆栽植物，集生物技術、園藝科學和通風工程于一體的主動綠墻具有更大的植物密度，垂直分布方式有效利用空間，輔以機械通風加快了對室內污染空氣的處理，成為改善室內甲醛污染的有效手段[8]。

Pettit 等[9]利用主動綠墻系統測試了9 種不同VOCs 的單程凈化率，結果表明不同VOCs 的單程凈化率存在顯著差異。Wang 和Zhang[10]評估了主動綠墻去除甲醛和甲苯的能力，發現凈化率分別超過90%和70%。不同于Wang 和Zhang 的結果，Lee等[11]研究發現甲醛和苯的去除率僅為39%。Torpy等[11]在50m /h 的主動氣流下測試了主動綠墻對甲基乙基酮（MEK）的凈化，發現單程凈化率平均為57%。對現有研究分析發現，主動氣流是主動綠墻的顯著特征，然而目前對于其對主動綠墻凈化的影響研究不足。此外，研究幾乎均在靜態條件下，不能代表室內VOCs 的長期釋放過程。因此本文研究了動態條件下主動綠墻對甲醛的凈化表現，分析了流量對其凈化表現的影響，為主動綠墻的應用提供指導。

1 實驗設計

1.1 實驗材料

本文研究的綠墻模塊是綠墻系統的關鍵組成部分，如圖1所示。主動綠墻包括兩個功能部分：（1）生長基質和植物，其中植物和微生物等生物部分可以吸收和降解污染物，基質等非生物部分可以吸附污染物；（2）安裝在模塊背部的風機將周圍空氣引入系統提高了污染物擴散速度。實驗植物為吊蘭、鵝掌柴和袖珍椰子，如圖2所示，植物株齡為1年，長勢良好且大小一致。模塊尺寸為350mm×350mm×100mm，帶有9 個圓孔用于扦插植物。生長基質為椰糠和泥炭土按照50:50 比例組成。空氣夾層使得從模塊背部進入的空氣得以均勻通過模塊正面。完整的綠墻模塊（已經種植植物）放在實驗室條件中培養2 個月，并通過空調系統將室內溫度和相對濕度分別保持在23℃±2℃和40%±5%。為了促進植物的生長并更好地研究植物介導的甲醛凈化效果，采用LED 燈為綠墻模塊提供約6600lx（約120μmol·m-2·s-1）的平均照度，該值約為實驗室內測得的最大光照強度的一半并足以保障植物正常的光合作用，光照周期為12h/day。所有模塊五天澆水一次至飽和并自然排水，從而模擬綠墻模塊在實際應用中的澆水頻率。

圖1 綠墻模塊結構示意圖Fig.1 Schematic of the green wall module

圖2 實驗采用的三種植物種類（從左到右依次為：吊蘭、鵝掌柴、袖珍椰子）Fig.2 Plant species used in the present work.From left to right:Chlorophytum comosum,Schefflera octophylla,and Chamaedorea elegans

1.2 實驗裝置

實驗采用動態玻璃艙熏蒸系統，如圖3所示。玻璃艙尺寸為0.6m×0.6m×0.6m。通過調節甲醛發生裝置（HY-JQ-3，東莞環藝儀器技術有限公司，中國）的發生溫度和主系統風機流量來控制綠墻模塊入口流量和甲醛濃度。待進出口甲醛濃度穩定后，通過氣體采樣裝置（嶗應2020 型，青島嶗山應用技術研究所，中國）采樣并測量含甲醛的空氣通過綠墻模塊前后的濃度。廢氣通過通風柜處理后排到室外。

圖3 主動綠墻動態熏蒸實驗裝置Fig.3 Schematic of the experimental setup

1.3 實驗設置

為了探究主動綠墻去除空氣中甲醛的能力，實驗分為兩部分進行：（1）沒有綠墻模塊的“空室測試”。在穩定的氣流速率下，通過已知濃度的入口甲醛濃度來確定腔室損失（例如，由于泄漏或腔室表面吸附）；（2）在不同流量和甲醛濃度下來進行“整體綠墻模塊甲醛去除測試”。

對照實驗設置動態熏蒸系統的流量為50m /h，通過調節甲醛發生裝置的加熱溫度（95℃）及輸出流量（3L/min），使得玻璃艙上游入口處甲醛濃度約為2.0mg/m 。20min 后同時對進出口的甲醛進行采樣測量。待一次操作完成后，打開艙門及通風柜使得環境中甲醛盡可能排凈。然后重復至少10 次，通過進出口甲醛濃度的配對樣本t檢驗來確定由玻璃艙造成的甲醛凈損耗。然后將每個模塊都放置在動態流通室中，并依次進行入口甲醛濃度約為1.0、2.0 和3.5mg/m 的熏蒸。氣流分別設置為30、50和65m /h。實驗過程中，在甲醛發生器運行即將結束時，同時從腔室進出口進行采樣。在60 分鐘的熏蒸過程中使用了不同的采樣時間，結果表明出口甲醛濃度在每次甲醛發生結束前已達到穩定。Torpy 等[12]在研究中發現了類似的結果，其中出口濃度在一小時內保持穩定。甲醛濃度通過乙酰丙酮分光光度法利用分光光度計（GENESYS 180,Thermo Fisher Scientific, USA）按照國標《GB/T 15516-1995》進行測量。

1.4 數據處理

采用單程凈化率和凈化速率來分析三種綠墻模塊對甲醛的凈化表現及濃度和流量對綠墻甲醛凈化的影響規律。

單程凈化率（single pass removal efficiency,SPRE）表示含甲醛的空氣單次通過綠墻后甲醛含量降低的程度，利用動態腔室入口和出口處甲醛濃度按照公式（1）計算：

式中：SPRE為綠墻模塊對甲醛的單程凈化率，%；Ci為入口處甲醛濃度，mg/m ；Co為出口處甲醛濃度，mg/m 。

凈化速率（elimination capacity,EC）表示單位綠墻模塊面積在單位時間內去除的甲醛的質量，其計算方式如式（2）：

式中：EC為綠墻模塊對甲醛的凈化速率，mg/(m ·h)；Q為穿過綠墻模塊的流量，m /h；A為綠墻模塊的面積，m 。

數據分析采用Excel 和SPSS 軟件進行，繪圖采用Origin 進行。

2 實驗結果與分析

經夏皮洛-威爾克（S-W）檢驗，對照實驗進出口甲醛濃度均服從正態分布（P>0.05），再次對進出口濃度采用皮爾遜相關性分析，結果顯示二者存在高度顯著正相關（P<0.01）且強相關（r=0.804），最后配對樣本t檢驗表明進出口甲醛濃度不存在差異（P=0.905），因此，動態熏蒸玻璃艙展現出良好的密封完整性，其甲醛損失可忽略不計。

不同甲醛濃度和流量下主動綠墻對甲醛的單程凈化率狀況如表1所示。由表1可知，主動綠墻的單程凈化率總體范圍為38.2%-94.4%，并且吊蘭表現最好（63.4%-94.4%），鵝掌柴次之（53.2%-89.7%），袖珍椰子最差（38.2%-79.4%）。方差分析和事后檢驗表明主動綠墻對甲醛的單程凈化率隨甲醛濃度和流量的增加而顯著（P<0.01）降低，并且流量對單程凈化率的影響（F=51，P<0.01）超過甲醛濃度的影響（F=20，P<0.01）。

表1 不同濃度和流量下主動綠墻對甲醛的單程凈化率（%）Table 1 Formaldehyde removal efficiency by active green walls as a function of the inlet formaldehyde concentration and airflow rate passing through the modules

不同甲醛濃度和流量下主動綠墻對甲醛的凈化速率狀況如表2所示。由表2可知，主動綠墻的凈化速率總體范圍為185-1156mg/(m ·h)，吊蘭表現最好（214-1156mg/(m ·h)），鵝掌柴次之（205-986mg/(m ·h)），袖珍椰子最差（185-769mg/(m ·h)）。不同于濃度和流量對單程凈化率的影響，主動綠墻對甲醛的凈化速率隨濃度和流量的增加而顯著增加（P<0.01），并且甲醛濃度對主動綠墻甲醛凈化速率的影響（F=222，P<0.01）超過流量的影響（F=48，P<0.01）。結果表明主動綠墻能夠凈化大量的甲醛，不過值得注意的是，在甲醛濃度為1.91 和3.31mg/m 時，當流量從50m /h增加到65m /h 時，袖珍椰子的甲醛凈化速率分別從 504mg/(m ·h) 降至494mg/(m ·h) 和 從761mg/(m ·h)降至685mg/(m ·h)。一方面可能是流速過快使得綠墻對甲醛的吸附、吸收和降解不充分，另一方面可能是綠墻的甲醛凈化速率達到飽和。

表2 不同濃度和流量下主動綠墻對甲醛的凈化速率（mg/(m ·h)）Table 2 Formaldehyde elimination capacity by active green walls as a function of the inlet formaldehyde concentration and airflow rate passing through the modules

上述結果表明，甲醛濃度、流量和植物種類均對主動綠墻的甲醛凈化存在影響。通過方差分析下的全因子模型分析表明，甲醛濃度、流量和植物種類以及三個因素間任意兩個因素的交互作用均對主動綠墻的甲醛凈化表現存在顯著影響（P<0.01）。不過，三個獨立因素的影響遠遠超過因素間交互作用。在這三個因素中，對主動綠墻單程凈化率的影響排序為：流量（F=1959，P<0.000）>植物種類（F=1259，P<0.000）>甲醛濃度（F=785，P<0.000）；對主動綠墻甲醛凈化速率的影響排序為：甲醛濃度（F=7317，P<0.000）>流量（F=1571，P<0.000）>植物種類（F=666，P<0.000）。為了突顯植物種類的差異，更好地預測不同植物組成的綠墻的甲醛去除速率，盡量消除濃度和流量的干擾，以入口甲醛負荷作為橫坐標，以綠墻對甲醛凈化速率為縱坐標，對其進行回歸分析，得到綠墻去除甲醛的預測模型，如圖4所示。結果表明凈化速率和甲醛負荷呈線性相關，不同于生物過濾裝置存在臨界甲醛負荷[13]，因此主動綠墻具有更好的甲醛凈化表現。

圖4 主動綠墻對甲醛的凈化速率隨甲醛負荷變化Fig.4 Elimination capacity of active green walls as a function of the inlet formaldehyde loading rate

3 結論

本文采用動態玻璃艙熏蒸系統研究了動態條件下主動綠墻去除甲醛的特性，以單程凈化率和凈化速率為評價指標分析了濃度、流量和植物種類對主動綠墻甲醛凈化的影響規律。

主動綠墻具有較高的甲醛凈化表現，單程凈化率和凈化速率分別在 38.2%-94.4% 和185-1156mg/(m ·h)范圍內。主動氣流是影響主動綠墻凈化甲醛的最重要因素，單程凈化率與流量呈顯著負相關（P<0.01），而凈化速率則相反（P<0.01）。植物種類對凈化表現存在顯著差異（P<0.01），其中吊蘭表現最好，鵝掌柴次之，袖珍椰子最差。主動綠墻對甲醛的凈化速率與入口甲醛甲醛負荷呈線性正相關。