室內(nèi)空氣質(zhì)量改善技術(shù)研究與應(yīng)用*

劉智杰, 王燕煌，陳前火

（1. 福建省沙縣環(huán)境監(jiān)測站，福建 沙縣 365050；2.福建師范大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，福建省污染控制與資源循環(huán)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 福州 350007）

室內(nèi)空氣質(zhì)量改善技術(shù)研究與應(yīng)用*

劉智杰1, 王燕煌2，陳前火2

（1. 福建省沙縣環(huán)境監(jiān)測站，福建 沙縣 365050；2.福建師范大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，福建省污染控制與資源循環(huán)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 福州 350007）

近年來，人們對室內(nèi)空氣質(zhì)量越來越重視。裝修和裝飾材料，電器和家用化學(xué)品，人為活動，生物性污染，室外污染源等是室內(nèi)空氣污染的來源。甲醛、苯及苯系物、氨、氡及其子體、總揮發(fā)性有機(jī)物是室內(nèi)空氣的主要污染物。文章詳述了新風(fēng)系統(tǒng)、活性炭吸附、靜電除塵、紫外線消毒、臭氧消毒、低溫等離子體、植物凈化等室內(nèi)空氣污染的控制技術(shù)，并根據(jù)室內(nèi)空氣污染的特征提出相應(yīng)的防控措施，為后續(xù)的深入研究提供理論參考。

空氣污染；室內(nèi)空氣質(zhì)量；控制技術(shù)

室內(nèi)空氣污染是指室內(nèi)空氣中存在的，危害人體的健康，且濃度超過國家標(biāo)準(zhǔn)的物質(zhì)。室內(nèi)空氣污染容易導(dǎo)致皮膚疾病、咳嗽、出現(xiàn)頭暈、無力等癥狀，從而影響人們的日常生活[1]。所以，更深入地認(rèn)識室內(nèi)空氣污染及其控制技術(shù)至關(guān)重要。

1 室內(nèi)空氣污染的來源

1.1 裝修和裝飾材料

在裝修中使用的壁紙、化纖地毯、油漆、涂料、添加劑、膠黏劑等含有甲醛、苯、甲苯、二甲苯等；而建筑材料，如花崗石、磚、水泥、石膏等材料中，易釋放出氡氣[2]。

1.2 電器和家用化學(xué)品污染

電器，例如電視、電腦、照明設(shè)備、微波爐等能夠產(chǎn)生電磁輻射。家用化學(xué)品產(chǎn)生的化學(xué)污染物。

1.3 人為活動

人在室內(nèi)的活動，如：燃?xì)馊紵?、烹飪、吸煙、來回走動、打掃衛(wèi)生、健身等活動產(chǎn)生的污染物。且不同的人為活動所產(chǎn)生的污染物的濃度不同[3]。

1.4 生物性污染源

地毯、沙發(fā)被褥、生活垃圾等所產(chǎn)生的細(xì)菌、真菌；人體新陳代謝所排出污染物。

1.5 室外來源

一方面來源于人為的將室外的污染帶至室內(nèi)；另一方面是室外的污染物通過門等縫隙進(jìn)入室內(nèi)。

2 室內(nèi)主要污染物質(zhì)和危害

2.1 甲醛

甲醛在室溫下，是無色氣體，溶于水、乙醇、乙醚、丙酮，易燃。來源于木質(zhì)材料、地板材料、絕緣材料、涂料等材料和生活用品。甲醛引起眼睛不適，刺激鼻子和喉嚨，還會出現(xiàn)流淚、打噴嚏、咳嗽、惡心等癥狀[4]。當(dāng)濃度達(dá)到30 mg/m3會立即致人死亡。

2.2 苯及苯系物

苯及苯系物，即苯、甲苯、二甲苯，屬于無色或淺黃色透明狀的液體，易揮發(fā)，并有強(qiáng)烈芳香氣味。主要來源于油漆，稀釋劑，涂料，膠粘劑，油墨，膠溶劑等。甲苯可引起人類皮膚病等疾病，呼吸系統(tǒng)疾病，心臟病，腎和肝損害[5]。

2.3 氨

氨為無色氣體，并且刺激性臭味強(qiáng)烈。主要來源于建筑施工中的混凝土防凍劑、高堿混凝土膨脹劑和早強(qiáng)劑。氨會腐蝕和刺激皮膚組織，使人體免疫功能下降，可引起咽痛、頭痛、厭食、嘔吐等癥狀。

2.4 氡及其子體

氡是由鐳衰變產(chǎn)生的一種無色、無味的天然放射性惰性氣體。其來源主要是地基土壤中析出的氡；其次是建筑材料，如花崗石、黏土、磚瓦、水泥、石膏等含鐳建筑材料；再有就是室外空氣進(jìn)入室內(nèi)的氡。氡及其子體可使血液和其他器官受到輻射損傷[6]。

2.5 總揮發(fā)性有機(jī)物

揮發(fā)性有機(jī)物是指室溫下，飽和蒸汽壓超過133.32 KPa或者是沸點(diǎn)在50-260℃的各種有機(jī)化合物。主要來源于室內(nèi)建筑裝飾的材料、家用燃料不完全燃燒、人體本身排放等。揮發(fā)性有機(jī)物可影響中樞神經(jīng)系統(tǒng)、消化系統(tǒng)和引發(fā)局部組織炎癥反應(yīng)[2]。

3 室內(nèi)空氣污染物濃度的影響因素

室內(nèi)環(huán)境與許多因素如溫度、相對濕度、空氣交換率、實(shí)際入住率水平,通風(fēng)、顆粒污染物,生物污染物和氣態(tài)污染物有關(guān)[8,9]，還與裝修的時(shí)間、房間面積有關(guān)。李惠敏等人[10]在對洛陽市城區(qū)居民住宅的室內(nèi)空氣中的甲醛含量進(jìn)行檢測后，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在裝修了2個(gè)月之后，甲醛超標(biāo)率達(dá)到93.75%。隨著裝修后時(shí)間的延長，裝修后1年，甲醛濃度超標(biāo)率降到36.05%。郭金姝[11]分別對石家莊市的4個(gè)不同地區(qū)的40戶住宅的室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測。結(jié)果表明，甲醛、總揮發(fā)性有機(jī)物的濃度隨著時(shí)間的推移而不斷降低。Giulio等人[1]使用定板的方法（settle plate method）對意大利基耶蒂大學(xué)研究實(shí)驗(yàn)室的3個(gè)不同建筑（微生物、病理、生理學(xué)研究實(shí)驗(yàn)室，有機(jī)化學(xué)研究實(shí)驗(yàn)室和醫(yī)藥技術(shù)研究實(shí)驗(yàn)室）進(jìn)行持續(xù)6個(gè)月微生物濃度的測量，結(jié)果表明微生物、病理、生理學(xué)研究實(shí)驗(yàn)室與其他2個(gè)建筑相比，微生物濃度隨季節(jié)性波動較明顯。崔凱杰等[12]對5類公共場所的120個(gè)監(jiān)測點(diǎn)位進(jìn)行了室內(nèi)空氣甲醛濃度的測定，發(fā)現(xiàn)有63個(gè)數(shù)據(jù)甲醛濃度值超標(biāo)。隨著裝修后時(shí)間的累積,房屋面積的適量增大，甲醛的質(zhì)量濃度逐漸降低；且室內(nèi)溫度和相對濕度對甲醛的質(zhì)量濃度影響很大。

4 室內(nèi)空氣質(zhì)量的改善技術(shù)與應(yīng)用

4.1 新風(fēng)系統(tǒng)

新風(fēng)系統(tǒng)作為一種新型的室內(nèi)通風(fēng)換氣設(shè)備，按照通風(fēng)動力的不同，可分為自然通風(fēng)和機(jī)械通風(fēng)兩類。

4.1.1 自然通風(fēng)

自然通風(fēng)是指依靠室外風(fēng)力所造成的風(fēng)壓和室內(nèi)外空氣溫度差所造成的熱壓，促使空氣流動，使得建筑室內(nèi)外空氣交換。影響自然通風(fēng)的因素有很多，如室外氣象條件、建筑朝向、結(jié)構(gòu)、布局、開口大小和開口形式等[13-18]。Liu等人[19]提出了“三步走”的設(shè)計(jì)過程，以重慶的某個(gè)住宅小區(qū)為例，從建設(shè)水平，樓層說明設(shè)計(jì)過程。并通過室外的速度場和壓力場的模擬與計(jì)算流體力學(xué)方法進(jìn)行建筑優(yōu)化。結(jié)果表明，隨著建筑物之間的間距的增加和建筑與風(fēng)向之間的角度的減小，自然通風(fēng)潛力增加。隨著朝南和建筑軸之間的夾角增大，采光效果變好（更少的陰影），而通風(fēng)潛力下降。Cheung等人[20]利用計(jì)算流體動力學(xué)(CFD)模擬方法，研究了規(guī)則排列和交錯(cuò)排列的高層住宅建筑對自然通風(fēng)的影響。結(jié)果表明，交錯(cuò)排列的建筑與規(guī)則排列的建筑群相比，平均通風(fēng)率從5%增加到10%。

自然通風(fēng)能使室內(nèi)的污染物濃度降低，可以保持健康、舒適的居住建筑環(huán)境的室內(nèi)條件，同時(shí)減少消耗的建筑物能源[21,22]。在距離通風(fēng)口近和空氣流動性好的區(qū)域，甲醛的濃度均有所降低。張淑娟等人[23]對室內(nèi)空氣的質(zhì)量進(jìn)行調(diào)查，選取了廣東省427個(gè)具有代表性的單位，進(jìn)行分析。結(jié)果表明，室內(nèi)的甲醛濃度偏高，且經(jīng)過長時(shí)間的通風(fēng)，甲醛濃度降低。

4.1.2 機(jī)械通風(fēng)

以CO2濃度為控制指標(biāo)的機(jī)械通風(fēng)方式，可以保持室內(nèi)空氣品質(zhì)良好，減少采暖系統(tǒng)能耗[24]。Rosbach等人[25]研究荷蘭東北部的17所學(xué)校的18間教室，將其分為12個(gè)實(shí)驗(yàn)教室和6個(gè)控制教室。在12個(gè)干預(yù)教室CO2的濃度保持在預(yù)先設(shè)定的水平的800 ppm和1200 ppm。探討機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)對室內(nèi)CO2的濃度的影響。實(shí)驗(yàn)表明，教室里的二氧化碳濃度可以通過安裝CO2控制的機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)使其降低。Sidheswaran等人[26]研究了在HVAC（heating,ventilation, and air conditioningsystems）的玻璃纖維過濾器和聚酯過濾器中釋放出來的甲醛。結(jié)果表明甲醛釋放量隨著濕度的增加而顯著增加。另外玻璃纖維過濾器釋放出來的甲醛量在比聚酯纖維過濾器要大48%-64%。

4.2 活性炭吸附

活性炭是一種很細(xì)小的炭粒，具有大的比表面積，且吸附能力強(qiáng)。影響活性炭的因素有活性炭吸附劑的性質(zhì)、吸附質(zhì)的性質(zhì)、pH值、溫度等[27]。Luo等人[28]通過容積法在298 K和壓力高達(dá)3.5 MPa下，測定了甲烷在活性炭上的吸附特性。結(jié)果表明，相對較大的孔體積和比表面積，甲烷吸附能力更好。當(dāng)兩個(gè)樣品的微孔參數(shù)相似，甲烷吸附量取決于微孔孔徑分布，較窄的孔徑分布促進(jìn)了甲烷的吸附。活性炭能有效吸附苯類化學(xué)物質(zhì)，為了提高活性炭的吸附性能，可以通過采用活化技術(shù)對活性炭表面的孔隙結(jié)構(gòu)和官能團(tuán)進(jìn)行改良[29]。Jiang等人[30]采用浸漬方法制備改性活性炭吸附劑，結(jié)果表明，改性后的活性炭吸附去除能力顯著增強(qiáng)。

4.3 靜電除塵技術(shù)

靜電除塵技術(shù)是指含塵氣體在進(jìn)行電離的過程中，通過高壓電場使塵粒荷電，并在電場力的作用下，將塵粒從含塵氣體中分離出來。

靜電除塵的初期除塵效率能達(dá)到99%，除塵效率高，應(yīng)用于中央空調(diào)系統(tǒng)和潔凈空調(diào)系統(tǒng)，能有效降低室內(nèi)顆粒物的濃度[31]。Kim等人[32]對PVC管安裝為除塵器，以促進(jìn)水的流動作為備用電極的改性濕式除塵器進(jìn)行研究。結(jié)果表明除塵器具有小的收集區(qū)域0.83 m2(m3/min)，可以獲得微粒99.7%的高捕集效率。

4.4 紫外線消毒

紫外線消毒是指利用適當(dāng)波長的紫外線，使微生物機(jī)體細(xì)胞中的DNA核糖核酸的分子結(jié)構(gòu)遭到破壞，并使細(xì)胞死亡，從而達(dá)到殺菌消毒的效果。

運(yùn)用紫外線消毒原理制成的產(chǎn)品有紫外線消毒燈和紫外線消毒器。主要運(yùn)用在醫(yī)院病房，能快速殺滅細(xì)菌[33]。林軍明等人[34]在面積約57 m2的教室，采用平板沉降法和儀器采樣法對沉降菌和浮游菌進(jìn)行采樣和檢測，并對高強(qiáng)度紫外線空氣消毒器進(jìn)行現(xiàn)場消毒試驗(yàn)觀察。結(jié)果表明，在教室里，安裝2臺高強(qiáng)度紫外線空氣消毒器比安裝1臺高強(qiáng)度紫外線空氣消毒器，可使空氣中自然菌消亡率高。紫外線消毒燈適用在無人的狀態(tài)下進(jìn)行，而紫外線消毒器可在有人的情況下使用，但滅菌效果下降。在室內(nèi)無人的情況下將紫外線消毒器開啟60 min后，白色葡萄球菌殺滅率能達(dá)到98%以上；開啟90 min后，殺滅率100%。在室內(nèi)有人情況下，開機(jī)60 min，空氣自然菌下降率為31%－59%[35]。

4.5 臭氧消毒

臭氧消毒是一種使細(xì)胞、細(xì)胞活動必需的酶失去活性，并且破壞細(xì)胞內(nèi)的遺傳物質(zhì)的殺菌凈化技術(shù)。

臭氧消毒的擴(kuò)散性能好，能彌漫整個(gè)空間；其殺菌效率高，殺菌速度快；不存在任何殘留物，無二次污染；其消毒時(shí)間長，消毒效果比紫外線消毒好[36]。

主要應(yīng)用于房間空氣凈化消毒和醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域。許蓮芳[37]將2個(gè)空間相同的手術(shù)室分別用臭氧和紫外線照射消毒，比較臭氧與紫外線在手術(shù)室空氣消毒效果。結(jié)果表明，消毒后30 min，采用臭氧消毒的手術(shù)室的樣本菌落數(shù)明顯低于用紫外線照射消毒；采用臭氧消毒后180 min, 空氣中菌落數(shù)仍低于國家標(biāo)準(zhǔn)，但紫外線消毒后180 min, 空氣中菌落數(shù)超過了國家標(biāo)準(zhǔn)，說明采用臭氧消毒效果維持時(shí)間更長。Zhong等人[38]研究創(chuàng)新的臭氧管產(chǎn)生臭氧燈系統(tǒng)對8種類型單一化合物（甲苯，對二甲苯，乙醇，1-丁醇，甲基乙基酮，丙酮，己烷，和辛烷）對各種動力學(xué)參數(shù)影響的系統(tǒng)參數(shù)評估。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，臭氧化過程可導(dǎo)致測試的揮發(fā)性有機(jī)物在室內(nèi)空氣環(huán)境的減少。

4.6 低溫等離子體技術(shù)

等離子體是物質(zhì)的第四態(tài)[39]。它經(jīng)常形成一個(gè)光電離狀態(tài),包括正離子，自由基，分子顆粒，中性氣體原子和帶負(fù)電荷的電子[40]。它能夠有效地去除氮氧化合物、甲醛和揮發(fā)性有機(jī)物。竹濤等人[41]利用低溫等離子體-催化耦合技術(shù)，并采用了自制的復(fù)合型催化劑，對含甲苯的空氣進(jìn)行處理。研究表明：當(dāng)復(fù)合催化劑存在時(shí), 在等離子體反應(yīng)器中甲苯的最佳降解率達(dá)到了98.7%。Alina等人[42]利用等離子體在二氧化鈦催化劑存在下，通過外部紫外照射觀察揮發(fā)性有機(jī)化合物氧化的協(xié)同效應(yīng)。結(jié)果表明，在協(xié)同作用下的揮發(fā)性有機(jī)化合物去除顯著增強(qiáng)。

低溫等離子體技術(shù)具有能耗低、效率高、操作簡單的優(yōu)點(diǎn)。可以處理有機(jī)氣態(tài)污染物凈化空氣，同時(shí)還可以使微生物死亡，具有消毒殺菌功能[43,44]。其技術(shù)主要用于低溫等離子體空氣凈化器和低溫等離子體中央空調(diào)空氣凈化裝置。

4.7 光觸媒空氣凈化技術(shù)

光觸媒空氣凈化技術(shù)是一種凈化揮發(fā)性有機(jī)化合物的方法。是指光觸媒在光照射下，價(jià)帶電子被激發(fā)到導(dǎo)帶，形成了電子和空穴，并且于氧和水發(fā)生氧化反應(yīng)，生成自由基[40]。有機(jī)物中的C-C鍵、C-H鍵、N-H鍵、C-N鍵、O-H鍵、C-O鍵，能被自由基破壞，并分解有機(jī)物為CO2與H2O，從而達(dá)到凈化空氣的目的。用作光觸媒半導(dǎo)體材料有TiO2、ZnO、Cds、WO3、Fe2O3，PbS、SnO3、ZnS、SrTiO3和SiO2等十幾種，其中TiO2 是常用的半導(dǎo)體材料，TiO2 無毒無害，具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性。

運(yùn)用金屬離子摻雜[45]、非金屬離子摻雜、半導(dǎo)體的復(fù)合，半導(dǎo)體光敏化[46,47]等改良方法，從而提高納米TiO2光催化效率。用紫外線光照射時(shí)，金/二氧化鈦的光催化活性比純TiO2的更高，因?yàn)榻鸺{米粒子可以捕集光生電子，然后抑制光生電子 - 空穴對的復(fù)合[48]。Zhang等人[49]將鈉添加到鈀/氧化鈦，導(dǎo)致了良好分散的鈀物種，促進(jìn)表面的OH基團(tuán)的活化和化學(xué)吸附的氧氣，從而顯著的提高了Pd/二氧化鈦催化劑對環(huán)境中甲醛的降解。這項(xiàng)工作進(jìn)一步證實(shí)了堿金屬離子對貴金屬催化劑的催化活性有促進(jìn)作用。熊平[50]通過改變光催化劑納米TiO2載體、紫外光波長以及納米TiO2濃度等影響甲醛降解效果的因素，結(jié)果表明，以10 mm 厚度海綿狀活性炭過濾網(wǎng)為載體,在波長為365 nm 的紫外光照射下，TiO2濃度為4%時(shí)，甲醛去除率可達(dá)93.88%。

在陶瓷和瓷磚的表面和建筑玻璃涂上一層納米TiO2薄層，具有防污、防霧功能。同時(shí)，抗菌鈦可殺死周圍的菌類，具有抗菌功能[51,52]。因此納米TiO2可作為抗菌防霉材料和防污自潔材料[53,54]。納米TiO2光催化因其具有良好的降解作用，被用于凈化器的制備[55]。

4.8 植物凈化技術(shù)

植物凈化空氣的有效途徑是通過光合作用釋放氧氣，吸收二氧化碳；通過蒸騰作用降低溫度和調(diào)節(jié)濕度；使粉塵沿著葉粘液分泌；在根系和土壤中微生物能吸收有毒氣體的分解，它由一系列物理和生化反應(yīng)。分解有毒的空氣能提供營養(yǎng)給自己[56]。能凈化空氣中污染物的植物主要有蘆薈、吊蘭、綠蘿、虎尾蘭、常青藤、萬年青、美人蕉、石竹等

[57]。周亶等人[58]用金邊吊蘭和常青藤這2種植物對不同濃度的甲苯進(jìn)行降解，結(jié)果表明，2種植物的降解能力隨甲苯濃度增加而降低。耿孝恒等人[59]對吊蘭、虎尾蘭等5種綠色植物吸收甲醛能力進(jìn)行了測定，研究發(fā)現(xiàn)，所選植物對甲醛都有較高的吸收率，吊蘭吸收甲醛的能力最好，綠蘿吸收甲醛的能力最差。綠色植物可以過濾和吸附顆粒物，而且植物自身具有殺菌能力。對于陽性植物應(yīng)放在窗戶附近有足夠的陽光；陰生觀葉植物和部分遮蔭的植物應(yīng)放在黑暗的地方。對于在濕度高的衛(wèi)生間和廚房，陰生植物大葉是最好的。這是因?yàn)槎臼覂?nèi)干燥，所以闊葉植物需要澆水應(yīng)該發(fā)展以增加濕度。但在中國的南方，由于濕度高，減少噴水，這需要一點(diǎn)點(diǎn)水的陽性植物保持。對于在客廳，選擇觀葉植物可以吸收較多有毒氣體，如吊蘭，虎尾蘭等。所以應(yīng)該根據(jù)房間功能、植物生態(tài)習(xí)性、照明、濕度和污染物種類選擇所需要的植物[56]。

5 室內(nèi)空氣污染的防控措施

5.1 完善監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)，加強(qiáng)監(jiān)督管理

國家應(yīng)完善相關(guān)室內(nèi)空氣質(zhì)量的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定與修訂工作。政府有關(guān)職能部門應(yīng)該履行裝修行業(yè)的監(jiān)督管理。

5.2 控制污染源

應(yīng)從裝修材料、電器和家用化妝品、人為活動等方面減少室內(nèi)污染物的排放。盡量使用綠色、無污染的裝修材料。

5.3 合理使用凈化技術(shù)

根據(jù)室內(nèi)空氣污染的主要污染物的特征，合理地使用凈化技術(shù)。

5.4 加強(qiáng)公民防范意識

政府有組織地?cái)U(kuò)大宣傳室內(nèi)空氣污染的知識，加強(qiáng)公民防范意識。呼吁公民對室內(nèi)的環(huán)境進(jìn)行定期監(jiān)測。對于室內(nèi)污染較嚴(yán)重的地方給予有關(guān)建議和指導(dǎo)。

6 結(jié)語

我們的大部分時(shí)間在室內(nèi)，如辦公室，學(xué)校，家庭等，所以室內(nèi)空氣質(zhì)量對人體健康非常重要。雖然改善室內(nèi)空氣質(zhì)量的技術(shù)有很多種，但是，并不是每個(gè)室內(nèi)環(huán)境都適合每種技術(shù)，人們應(yīng)根據(jù)實(shí)質(zhì)情況，選擇合適的控制技術(shù)。而且，目前的室內(nèi)空氣控制技術(shù)有一定的局限性，所以隨著社會科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，新的室內(nèi)空氣質(zhì)量的技術(shù)有待發(fā)展。

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X502

A

1007-550X（2016）-0035-08

10.3969/j.issn.1007-550X.2016.05.002

福建省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2012J01197）。

2016-04-20

劉智杰（1977- ），男，福建沙縣人，工程師，主要從事環(huán)境監(jiān)測方面的工作。