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        室內空氣污染:一個亟待重視的研究領域 ——訪清華大學張彭義教授

        儀器信息網 2019/08/27 10:06:17 點擊 2261 次
        默克工藝
        [導讀] 為更好地了解室內空氣污染現狀及研究進展,儀器信息網的工作人員(以下簡稱Instrument)特別采訪了清華大學環境學院張彭義教授。

          前言:談到空氣污染,大家通常關注的是室外大氣污染。事實上,室內環境對人們健康的影響遠比室外要大得多。調查顯示,成年人有70-80%的時間在室內度過,老年人和嬰幼兒待在室內的時間超過90%。世界衛生組織WHO發布的《室內空氣污染與健康》指出,目前室內空氣污染的程度已經高出室外污染5-10倍,全球4%的疾病與室內空氣質量相關,每年大約有200多萬人因室內空氣污染所致疾病而過早死亡,室內空氣污染已成為人類健康十大威脅之一。

          與大氣污染相比,室內空氣污染物種類眾多,成分復雜,使用的建筑材料、裝飾材料、辦公設施、生活用品,以及室內的通風狀況和人類自身活動等均可能對污染物種類和濃度產生影響,從而使相應的監測和控制工作變得極具挑戰性。為更好地了解室內空氣污染現狀及研究進展,儀器信息網的工作人員(以下簡稱Instrument)特別采訪了清華大學環境學院張彭義教授,請他就室內空氣污染物的主要來源、危害、最新的凈化技術手段、相應的檢測方法和儀器、以及所面臨的難題和挑戰等大家所關心的話題進行了深入闡述。

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        清華大學 張彭義教授

          室內空氣污染:研究對象多,研究投入不足

          Instrument:我國室內空氣污染的來源主要有哪些?會對人體造成哪些危害?

          張彭義:室內空氣污染主要有兩大來源,室外源和室內源。室外源包含來源于室外的顆粒物、臭氧和工業點源污染等。當前最受關注的是細顆粒(PM2.5)污染,世界衛生組織規定的空氣質量準則值中PM2.5的年均值為10μg/m3,而中國很多城市的PM2.5年均值仍在50μg/m3以上。除顆粒物之外,臭氧污染也應當引起廣泛重視。室內源主要分為室內裝修裝飾材料所引起的污染,如甲醛、VOCs、放射性污染物等,以及人體本身活動所排放出來的污染物,如二氧化碳、水蒸氣和VOCs等。人體污染一般不被提起,但實際上新風系統就是為了解決人體污染物釋放而發展的。

          室內空氣污染物種類很多,主要可分為顆粒物(以懸浮顆粒物為主)、氣態污染物(如甲醛、VOCs、臭氧等)、微生物、及放射性物質(如氡)等。這些污染物無論在種類或數量上的增加,都會引起人的一系列不適癥狀的現象,被統稱為“病態建筑物綜合癥“,癥狀包含頭暈、頭疼、咳嗽、打噴嚏、眼睛流淚、精神不振等,嚴重的還會引起癌癥,如高濃度甲醛、苯可能會導致白血病。

          Instrument:現階段室內空氣污染研究包含哪些方面?我國在這一領域的研究進展從全球來看處于一個什么樣的位置?亟待解決的問題有哪些?

             張彭義:室內空氣污染研究主要包含污染狀況、健康影響、檢測方法、污染控制四個方面。具體來說,污染狀況是要了解可能的污染物種類、污染水平、釋放規律以及二次反應、遷移等。健康影響則是要搞清楚這些污染物單獨、復合暴露對人體健康的影響,作用的機制等。檢測方法,就是對各種室內微痕量污染物的檢測分析手段。污染控制包括從源頭上削減、末端的凈化手段等。

          室內空氣污染研究的研究內容從污染物的角度來看,從最開始的室外大氣污染所帶來的二氧化硫、顆粒物、以及氡、環境煙氣等,擴展到現在的揮發性有機物(VOCs)、半揮發性有機物(SVOCs)、PM2.5、臭氧、二氧化碳等。從需要解決問題的角度來看,一是解決室外大氣帶來的顆粒物、臭氧污染等,二是解決室內裝修污染,三是解決建筑節能換風次數降低背景下人體及室內材料的污染問題,這三個問題分別是不同層次的需求。當前,發達國家更多的是面臨第三個問題,而我國則主要還是需要解決前面兩個問題。

          隨著我國城市化進程的加速,近二十多年來相繼出現裝修污染、顆粒物污染等問題,我們國家在這兩個方面的研究相對較為活躍,也有不少研究人員在國際上有較大的影響力,已經從學習跟跑階段提升到并跑階段甚至領跑,但是在新問題的發現能力、新研究方向的開拓能力方面還有待提高。

          室內空氣污染是一個交叉性的研究領域,這個領域現有的主要力量來自建筑暖通學科,很少一部分來自環境學科。全球范圍內這個領域的研究人員不多,科研經費投入也少,沒有得到其應有的重視,與室內空氣對人體健康有直接影響的重要性不匹配,很多問題也沒有得到深入的研究,譬如不明的有害物質,痕量臭氧、自由基的反應,微量甲醛/VOCs的快速檢測,室內新興污染物的健康風險及其作用機制,嗅味物質的致嗅機制,各種污染物尤其是VOCs和氣味物質的有效去除手段等。

          室內空氣凈化技術:不斷探索,從挑戰走向成功!

          Instrument:針對一些主要的室內空氣污染物,如甲醛、VOCs、臭氧等,當前的控制和凈化技術有哪些?效果分別如何?

          張彭義:針對室內空氣污染物控制的三大原則為:源頭控制、通風和末端凈化處理。源頭控制是通過原材料控制、制造流程優化、熱處理(加速釋放,降低后期釋放速率)和噴劑(反應、滲入/覆蓋,延緩釋放)等方式,達到減少源頭污染物的種類及降低污染物的釋放速率的目的。通風則是通過自然通風、機械通風和新風凈化的方式稀釋室內污染物。而末端的凈化處理手段主要包括:吸附(物理吸附和化學吸附)、化學反應(氧化:臭氧和二氧化氯)、催化氧化(光催化、等離子體催化、熱催化和室溫催化)三種方式。

          從污染物角度分析,針對甲醛的去除手段研究較多,目前比較有效的手段主要有三種:一是化學吸附,譬如對活性炭表面的官能團進行改性或接氨基官能團,利用氨基和甲醛發生配位吸附;二是室溫熱催化分解甲醛,一類采用貴金屬,如鉑、金等,價格昂貴,另一類就是我們課題組近幾年來研究比較多的活性錳,采用二氧化錳分解片分解甲醛為二氧化碳;三是利用反應性的噴劑,譬如含氨基或胺基的化學試劑。其他還有采用氣態試劑來去除甲醛的,譬如氧化性的二氧化氯、氯氣、臭氧,以及氨氣等,但這些氣體本身也是有毒氣體,所以并不提倡。

          臭氧的去除主要采用室溫催化分解手段,基礎的催化劑是錳氧化物。臭氧去除面臨最大的挑戰是空氣里的水分對催化劑催化性能的影響,這方面我們研究了近十年,近兩年獲得了兩個比較好的催化劑,可以在相對濕度較高的情況下依然保持較好的催化性能。這些材料的性能雖然能夠滿足實際應用需求,但由于大眾對臭氧污染的危害性認識不足,目前這些產品還沒有得到大規模應用。

          室內VOCs種類多、濃度低、釋放速率變化大,除傳統的活性炭吸附外,尚需開發更經濟有效的技術和材料。

          Instrument:室內空氣凈化技術當前面臨的困難和挑戰主要有哪些?未來的發展方向如何?

          張彭義:當前面臨的挑戰主要有裝修材料VOCs和人體污染物的有效去除。裝修材料所釋放的VOCs種類繁多,濃度較低,且不少類別污染物化學性質比較穩定,在室溫下快速分解在理論上幾乎行不通;同時,室內空間有限,凈化裝置的體積不能太大,而室內空氣的總體積大,這就使得單次通過凈化裝置的時間在毫秒量級,在這樣的短時間內要使污染物高效去除,采用分解的手段幾乎不可能。人體污染物的種類也很多,包含各種VOC、氨氣、硫化氫、一氧化碳,以及大量的二氧化碳和水蒸氣,傳統上這些污染物是通過輸入室外空氣換氣/稀釋解決的。但現在建筑物密閉性增加,要求進一步節能,降低新風量,這樣既帶來了挑戰也帶來了機遇。有沒有可能開發新的技術、新的材料來解決低換氣次數條件下的人體污染問題,而且新技術、新材料的使用成本/能耗不能高于建筑物所節省的能耗。

          對于以上挑戰,我們團隊經過多年的實踐和思考,提出的技術發展方向如下:開發易低溫熱再生的吸附材料和高效的低溫催化分解材料,并在此基礎上發展靈巧的凈化設備。易低溫熱再生吸附材料在室溫下快速吸附污染物,再在室溫稍高的溫度(如50-60℃)下能快速脫附完全,用較低的能耗實現污染物的持續、安全去除。高效的低溫催化分解材料是在比室溫稍高的溫度下對脫附出來的有機污染物有著持續、高效的催化分解能力。

          科研與產業化同行

          Instrument:您從何時開始關注室內空氣污染這一問題?對此做了哪些方面的研究?取得的研究成果主要有哪些?

          張彭義:我在1998年底博士畢業時就開始關注室內空氣污染這一問題,2000年得到了國家自然科學基金資助,開展室內揮發性有機物(VOCs)的吸附光催化降解研究,后面陸續得到清華大學基礎研究基金、國家自然科學基金、國家863計劃、973計劃等的資助,并陸續開展了室內VOCs、甲醛、臭氧催化分解方面的研究,研究的方法主要有光催化、臭氧輔助光催化、185nm紫外光催化、活性錳甲醛分解材料、錳氧化物臭氧分解材料等。

          我們的研究成果中比較成功的是室溫分解甲醛的活性錳材料,可以將甲醛在室溫條件下催化分解為二氧化碳,單位質量的材料對甲醛的去除能力超過600mg/g,對于室內濃度水平的甲醛的去除能力是改性活性炭化學吸附容量的20倍以上,在長達1700多小時的長時間試驗中保持活性穩定。基于此材料先后開發出甲醛分解氈、活性錳折疊濾芯和空氣凈化器等產品。通過多次技術改進,從2016年起實現了規模化的銷售,累計銷售產品20多萬套。近年來,我們還開發了去除甲醛的噴劑,從2019年開始銷售,已實現銷售近萬套。

          除此之外,我們所研究的室溫臭氧分解材料在性能方面得到了很大的提升,能夠進行小批量的催化劑生產,基本完成了在多種基材上的涂覆試驗,并且開展了幾個月的壽命試驗,已經能夠滿足室內外源低濃度臭氧的長期連續去除要求。同時,適合入住前室內裝修污染凈化處理用的185nm紫外光催化凈化器已經完成了小風量樣機的實測工作,目前正在開展600m3/h風量凈化機的研制工作。

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        圖左:甲醛分解氈、圖中:活性錳折疊濾芯、圖右:帶有活性錳去除甲醛濾芯的空氣凈化器

          Instrument:請問您的研究成果的產業化是如何順利實現的?是否有和相關企業開展一些合作?

          張彭義:首先,這些產品的研發和關鍵材料的生產基本都是我們團隊自己做的。在“南京領軍型科技創業人才“的支持下,我們在2013年成立了南京宇杰環境科技公司并開始產品的批量化生產。一開始也沒什么公司感興趣,我們只好自己嘗試做銷售推廣,但效果不好;后來慢慢有了一些知名度,不少公司跟我們來洽談,我們就開始跟其他公司合作,將市場推廣和銷售交給他們,很快實現了規模化的銷售。像甲醛分解氈、活性錳分解濾芯和甲醛去除噴劑等小型產品都是團隊自主生產,而像空氣凈化器這種生產成本比較高的產品,我們將機殼和外部結構交給專業公司來做。

          為了更好地進行產品測試,彌補校內實驗室空間的不足,我們今年開始在浙江建設實驗室,這樣就有條件更好的開展產品的研發工作,譬如在模擬室內環境條件下對產品性能進行長時間的測試,以得到更可靠的數據來支持我們的產品。可以說,銷售推廣都是合作伙伴在做,我們只負責做產品和技術支持。我們的課題組是“兩條腿走路“,一個是由研究生、博士后組成的研究小組,主要做應用基礎研究,就新材料開發、材料性能機理及材料表征等展開研究;另一個是由科研助理等技術人員組成的研究小組,主要任務是進一步完善前期的研究成果,以及針對產品銷售過程中出現的問題進行改進。

          Instrument:您的課題組目前正在進行的相關項目有哪些?下一步的研究計劃是什么?

          張彭義:目前正在開展的研究主要有甲醛和臭氧的室溫催化材料、VOCs的吸附材料,這些研究得到了蘇州-清華創新引領行動專項、國家自然科學基金的資助。下一步的研究重點是VOCs易熱再生吸附材料、低溫催化氧化材料,還將開始布局開展人體污染物的釋放和去除研究。

          “治檢產品”的身影在室內空氣污染領域隨處閃現

          Instrument:在您的研究中主要會用到哪些儀器設備?從您的實踐看,相關儀器還有哪些方面需要提高和改進?

          張彭義:在我們的研究中會用到很多儀器設備,主要可分為兩類,一是用于氣態污染物的檢測分析,例如臭氧分析儀、氣相色譜、熱脫附-氣相色譜質譜儀、顆粒物檢測儀等;二是用于材料的表征,例如物理吸附儀、化學吸附儀、XRD、SEM、HRTEM、球差電鏡、XPS、順磁共振等。

          在氣態污染物檢測方面主要是檢測限的問題,室內空氣污染物的濃度很低,通常在ppb級別,我們希望能夠測定到ppb級別的二氧化碳,同時也能實時地測定ppb級別的VOCs。而在材料表征方面主要對高分辨的球差電鏡、STM有需求,可以幫助我們更加深入地了解催化劑的結構、形貌以及污染物的降解機制。

          Instrument:目前市場上有很多針對室內空氣質量檢測及室內裝修污染治理的產品,如何進行快速分辨?

          張彭義:總體來說,現有的室內裝修污染治理的產品仍不能很好地滿足實際需求。目前的產品形式主要有噴劑、被動式產品、凈化器三類。噴劑主要有光觸媒、生物酶等類型,其原理一般是掩蓋/封閉或反應,對快速去除空氣中的甲醛有較好的效果,也可以在一定期限內起到降低污染物釋放量的作用,但是效果不持久,污染物以后還會不時地釋放出來。被動式產品包括活性炭包、甲醛分解片等,在小空間內比較有效,應該組合使用,但還是缺少較好的除味產品。凈化器具有快速去除大空間污染物的優點,但是要匹配適當風量的凈化器,比如一個十幾平米的臥室,一般選擇風量至少在300m3/h以上的凈化器,風量越大效果越好,同時還要考慮濾網的配置,應該選用配置有活性炭、活性錳濾網的凈化器,并且要經常更換活性炭濾網。如果是著重于防止室外顆粒物污染,那么應該選用HEPA濾網。

          在室內空氣檢測產品方面,有眾多的便攜式甲醛、TVOC檢測器,這些設備的可靠性較差,不建議選購幾百元的檢測儀,可以找專業的檢測機構,甲醛檢測盒作為參考。便攜式顆粒物檢測儀可靠性相對較好。 

          后記:張彭義教授認為,環境學科是一門應用型學科,對應用型學科的人來說,所追逐的夢想不應該只是發表高影響力的論文,也要做一些真正實用的產品出來。張教授在采訪過程中也強調,一種新材料或新試劑研發出來,除了考慮技術指標之外,還要考慮制備成本的經濟性、制作過程的環保性等一些實際情況,否則一個技術即使成功賣給企業了,企業也不一定能做出合格的產品,勉強做出來可能也沒法用。

          在和張彭義教授的交談中,讓筆者深刻感受到,做產品有時候可能需要比搞科研更加全面的考慮。一個成功的產品也許要為之付出更多的汗水和努力!

        采訪編輯:李學雷

        撰稿編輯:陳星羽

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        • 化學吸附的確是目前比較可行的處理方法,希望得到越多使用者的認同和認可。
          09月07日 14:19:28
        • 空氣質量不容忽視
          09月01日 17:07:30
        • 多多了解下
          09月01日 08:43:29
        • 看一下
          08月30日 08:59:24
        • 環境問題必須重視
          08月30日 06:19:56

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