室內(nèi)氣態(tài)污染物中甲苯的凈化處理方法研究進展

林顯珍，應柳枝，褚燕瓊，黃小敏，林良柱

(湛江師范學院 廣東高校新材料工程技術開發(fā)中心，廣東 湛江 524000)

室內(nèi)空氣質(zhì)量與人們生活息息相關. 隨著生活水平的提高，室內(nèi)裝飾日趨精致，人們生活也日益舒適. 但“福兮禍之所至”，室內(nèi)空氣質(zhì)量也隨之變得惡劣，影響著人們的身心健康.

1 室內(nèi)空氣中甲苯的來源及危害

在眾多室內(nèi)污染物之中，甲苯是常見的揮發(fā)性有機化合物(VOCs)之一. 居室內(nèi)建筑材料、裝飾材料、人造板家具等會散發(fā)出醛類、芳香烴類化合物等有害物質(zhì). 其中以芳香烴類化合物(如甲苯)最為突出. 據(jù)美國 EPA統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，無過濾嘴香煙，主流煙中甲苯含量大約是100～200 μg. 甲苯對人體的傷害主要以蒸氣形式由呼吸道吸入，或者經(jīng)皮膚和消化道吸收. 甲苯屬于低毒物質(zhì). 若人吸入高濃度的甲苯時中樞神經(jīng)系統(tǒng)有麻醉作用；其對皮膚、黏膜都有較強的刺激作用. 有報道稱甲苯在反復暴露情況下(如用鼻吸入)會使大腦和腎受到永久損害；若孕婦接觸高濃度甲苯，則可能會引起嬰兒先天性缺陷. 因此凈化室內(nèi)空氣中的甲苯顯得尤為重要.

2 室內(nèi)空氣中甲苯的處理措施

吸附法、催化氧化法、熱焚燒法是屬于傳統(tǒng)的凈化處理甲苯的方法,傳統(tǒng)的方法在經(jīng)濟上和處理效率上都存在著一定的缺陷. 因此，要凈化室內(nèi)空氣中的甲苯必須要達到在常溫下脫除并且脫除效率高、操作工藝簡單、成本低及無二次污染的標準. 我們將從物理法、化學法、生物法三個方面來簡述降低室內(nèi)空氣中甲苯的工藝.

2.1 物理法

利用活性炭纖維的強吸附性來吸附室內(nèi)的VOCs.

由表1可知，活性炭纖維(ACF)具有比表面積大、微孔豐富，孔徑小且分布窄，具有較大的吸附量和較快的吸附速度，再生脫附容易，工藝靈活等特點. 尤其，ACF對低濃度的污染物具有良好的吸附能力[1]，可以避免漏吸. 目前，ACF已被廣泛應用于甲苯廢氣的處理.

表1 ACF的基本性質(zhì)Table 1 The basic properties of ACF

在實際應用中， Yoon-Nelson模型[4]可以很好地擬合甲苯在ACF上的吸附穿透曲線；熱空氣脫附活性炭纖維再生實驗表明，在T=403.15 K 、流量Q=10.0 L/min的條件下，ACF具有良好的回收效果，并且再生后吸附效率也在80%以上. 但此方法所需脫附溫度比較高，對于高濃度的甲苯污染的吸附處理的效果不是很理想，有待改善.

2.2 化學法

利用化學反應，使用化學試劑吸收室內(nèi)有毒、有害氣體.

2.2.1 光催化降解法

光催化降解室內(nèi)甲苯的機理：

2.2.2 循環(huán)的存儲-放電等離子體催化

最近幾年,在凈化VOCs的領域中，非平衡等離子體技術結(jié)合催化技術已成為該領域中的研究熱點之一[6-9]. 大連理工大學研究小組報道了一種循環(huán)的存儲-放電(CSD)等離子體催化的新工藝[10-13],它是由循環(huán)“存儲”和“放電”的兩個階段的操作組成的. 在存儲階段儲存空氣污染濃度較低的有機揮發(fā)性化合物，然后在放電階段等離子體催化氧化有機揮發(fā)性化合物，生成二氧化碳(CO2)和水(H2O). 在此基礎之上,采用這種CSD等離子體催化新工藝對模擬室內(nèi)空氣中低濃度甲苯的脫除進行了研究[14]. 在實驗研究過程中, Ag/HZSM-5催化劑顯示了對甲苯的選擇性存儲的優(yōu)勢和等離子體催化氧化甲苯的良好性能. 當實驗條件為P輸入=40 W,t放電=10 min，存儲在Ag/HZSM-5催化劑上的甲苯基本上全部被等離子體催化氧化為CO2(碳平衡接近100%, CO2選擇性為98.2%). 若將反應產(chǎn)物進行質(zhì)譜和紅外光譜實驗，發(fā)現(xiàn)在放電階段沒有甲苯的脫附現(xiàn)象. 雖然以銀作為催化劑載體成本有點高，但是CSD等離子體催化新過程對于快速高效凈化室內(nèi)空氣中的甲苯具有較好的發(fā)展前景. 同時CSD等離子體催化新工藝實現(xiàn)了“低能耗”和“無二次污染物”的目標. 這就促進了等離子體技術在凈化室內(nèi)空氣領域中的應用研究.

2.2.3 電化學反應法

可用于對甲苯等有害氣體作處理的電化學反應法有很多，如三維電極反應器反應法. 三維電極反應器為柱狀結(jié)構(gòu). 用三維電極反應器反應法來凈化室內(nèi)空氣中的甲苯的基本過程如下：首先，把室內(nèi)空氣通入到電解反應器(具有多對網(wǎng)狀電極疊加的反應器)，然后第三電極中的活性炭顆粒對室內(nèi)空氣中的甲苯進行吸附. 接通電源，電化學反應在電極表面發(fā)生，在反應器內(nèi)的粒子的一端發(fā)生陽極反應，另一端發(fā)生陰極反應，這樣，整個粒子就成了一個立體的電極，而粒子間也構(gòu)成無數(shù)個微電解池. 在電解過程中產(chǎn)生的氧化性極強的自由基團(如·O、·OH)與甲苯發(fā)生了化學反應，最終得到可溶性物質(zhì)，從而凈化了室內(nèi)空氣中的甲苯[15].

浙江工業(yè)大學課題組研究發(fā)現(xiàn)甲苯通過反應器(如圖1的實驗流程裝置圖)后能夠被有效地降解，當電流密度等于0．05 A/cm，氣體流量為2 000 mL/min時，質(zhì)量濃度為1 300 mg/m3的甲苯廢氣在反應器中的去除率超過40%. 通過對液相產(chǎn)物的分析，發(fā)現(xiàn)甲苯降解后的主要產(chǎn)物為苯甲酸. 但這個實驗的效率并不高，若能在氣體停留在裝置中的時間、活性炭等方面加以研究，此方法會有很好的發(fā)展前景.

1-氮氣鋼瓶；2-氧氣鋼瓶；3、4-轉(zhuǎn)子流量計；5-甲苯鼓泡瓶；6-三維電極反應器；7-直流電源圖1 實驗流程裝置圖Fig.1 Schematic diagram of the experimental system

2.3 生物法

利用微生物對多種有機物和某些無機物進行氧化降解的過程，以此來處理凈化室內(nèi)氣態(tài)污染物中的甲苯. 我國從20世紀90年代起就開始對采用生物法來處理室內(nèi)空氣污染氣體進行研究. 其中，生物過濾法是凈化室內(nèi)空氣的常用方法之一. 其主要包括生物過濾池法和生物滴濾法[16]兩種.

2.3.1 生物過濾池法

1-增濕器；2-生物濾池圖2 生物濾池處理有機廢氣工藝流程Fig.2 Flow chart of organic waste-gases treatment with biofilter

生物過濾池具有良好的透氣性,能夠保持一定的水量，并且微生物能夠依靠填料中的有機質(zhì)生長，無須另外投加營養(yǎng)劑，因此能有效地去除甲苯. 但其易造成由微生物生長和生物疏松引起的空間堵塞.

國內(nèi)有許多關于生物過濾系統(tǒng)處理氣態(tài)污染物中甲苯的研究報道. 昆明理工大學的孫佩石等采用預先篩選好的菌種進行甲苯廢氣的凈化，在廢氣含量為86.4～190.8 mg/L，停留時間是6.2～13.6 s，每升體積的生物膜對甲苯的生化去除量最大可達157.13 mg/h[17]. 中科院生態(tài)環(huán)境研究中心對苯系化合物進行了好氧降解菌的馴化和篩選，對幾種氣態(tài)苯系物利用生物過濾法進行處理，除三甲苯外，其他化合物的降解率都達到100%[18].

2.3.2 生物滴濾池法

生物滴濾池是介于生物過濾池和生物洗滌器之間的一種處理技術，生物吸收和生物降解同時發(fā)生在一個反應裝置內(nèi). 生物滴濾池與生物過濾池相比，最大的區(qū)別在于其填料上方設有噴淋循環(huán)液裝置(結(jié)構(gòu)見圖3). 生物滴濾池不僅可以很好地解決生物過濾池中的壓實濾料和濾料降解問題，還可以把微生物的代謝產(chǎn)物去除且可以精確控制其pH，適用于高負荷及代謝過程產(chǎn)酸等場合. 但其缺點是需要添加營養(yǎng)物，運行成本較高. 同濟大學對甲苯廢氣進行了生物滴濾池法處理，研究表明：當t=15.7 s, 甲苯負荷低于280 g/(m3·h)時，去除效率可達90%以上[19]. SORIAL等人采用滴濾池處理苯及苯的同系物(如甲苯)，當t= 60 s, BTEX負荷為1.8 kg COD/(m3·d)時，總?cè)コ士蛇_99%[20].

1-貯水槽；2-生物滴濾池圖3 生物滴濾池處理有機廢氣的工藝流程Fig.3 Flow chart of organic waste-gases treatment through biotrickling filter

隨著新型生物法凈化甲苯技術的發(fā)展，出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)新穎的生物活性泡沫乳液反應器[21]等新技術. 這也說明利用生物法處理含有苯、甲苯、二甲苯污染物的空氣的技術正在飛快發(fā)展. FARSHID等人利用生物活性泡沫乳液反應器來處理空氣中的苯、甲苯、二甲苯,實驗結(jié)果顯示平均消除能力(EC)為220 g·m-3·h-1. 總的來說,生物反應器的開發(fā)可能會非常有效地凈化甲苯.

3 結(jié)語

室內(nèi)空氣質(zhì)量的優(yōu)劣，關系到我們的身心健康，關系到我們的生活質(zhì)量. 作者從物理、化學、生物三個方面對空氣中甲苯凈化處理技術進行了簡述，新技術的發(fā)展還不夠成熟,成本較高,且副作用尚有待研究. 目前來看，循環(huán)的存儲-放電等離子體催化甲苯的技術的發(fā)展勢頭較好，很有發(fā)展前景. 生物活性泡沫乳液反應器會有不錯的市場價值. 相信在不久的將來,隨著新技術新方法的進一步成熟,居住者們將不再為室內(nèi)污染物而發(fā)愁,我們將會有一個舒適清新的居住環(huán)境.

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