主動綠墻凈化甲醛能力分析

于 樂 袁艷平

（西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 成都 610031）

0 引言

隨著工業(yè)化和城鎮(zhèn)化的推進(jìn)，人們的生活和工作方式發(fā)生了顯著的變化。研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)代人們有80%的時(shí)間實(shí)在室內(nèi)度過，室內(nèi)空氣品質(zhì)與人員健康息息相關(guān)[1]。然而，在人們對居住和工作環(huán)境的追求區(qū)域高檔化和舒適化的過程中，大量的化學(xué)合成材料在室內(nèi)廣泛應(yīng)用，造成了室內(nèi)甲醛污染[2]。甲醛在我國有毒化學(xué)品優(yōu)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(dǎo)致癌癥[3]。

目前，室內(nèi)甲醛去除技術(shù)主要包括物理吸附、催化氧化、臭氧氧化和生物過濾技術(shù)[3]。然而，這些技術(shù)存在價(jià)格昂貴，只針對部分污染物，甚至在凈化過程中產(chǎn)生二次污染等問題[4]。因此，植物修復(fù)技術(shù)因其環(huán)保、綠色、人文和社會效益受到了廣泛關(guān)注。植物修復(fù)技術(shù)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(huán)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(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明盆栽植物在受控的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室研究相當(dāng)?shù)慕Y(jié)果，在實(shí)際應(yīng)用中需要大量的植物，指出盆栽植物等靜態(tài)系統(tǒng)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(shù)、園藝科學(xué)和通風(fēng)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(jī)械通風(fēng)加快了對室內(nèi)污染空氣的處理，成為改善室內(nèi)甲醛污染的有效手段[8]。

Pettit 等[9]利用主動綠墻系統(tǒng)測試了9 種不同VOCs 的單程凈化率，結(jié)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(fā)現(xiàn)凈化率分別超過90%和70%。不同于Wang 和Zhang 的結(jié)果，Lee等[11]研究發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)單程凈化率平均為57%。對現(xiàn)有研究分析發(fā)現(xiàn)，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(tài)條件下，不能代表室內(nèi)VOCs 的長期釋放過程。因此本文研究了動態(tài)條件下主動綠墻對甲醛的凈化表現(xiàn)，分析了流量對其凈化表現(xiàn)的影響，為主動綠墻的應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本文研究的綠墻模塊是綠墻系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，如圖1所示。主動綠墻包括兩個(gè)功能部分：（1）生長基質(zhì)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(zhì)等非生物部分可以吸附污染物；（2）安裝在模塊背部的風(fēng)機(jī)將周圍空氣引入系統(tǒng)提高了污染物擴(kuò)散速度。實(shí)驗(yàn)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(gè)圓孔用于扦插植物。生長基質(zhì)為椰糠和泥炭土按照50:50 比例組成?？諝鈯A層使得從模塊背部進(jìn)入的空氣得以均勻通過模塊正面。完整的綠墻模塊（已經(jīng)種植植物）放在實(shí)驗(yàn)室條件中培養(yǎng)2 個(gè)月，并通過空調(diào)系統(tǒng)將室內(nèi)溫度和相對濕度分別保持在23℃±2℃和40%±5%。為了促進(jìn)植物的生長并更好地研究植物介導(dǎo)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(shí)驗(yàn)室內(nèi)測得的最大光照強(qiáng)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(shí)際應(yīng)用中的澆水頻率。

圖1 綠墻模塊結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic of the green wall module

圖2 實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)采用動態(tài)玻璃艙熏蒸系統(tǒng)，如圖3所示。玻璃艙尺寸為0.6m×0.6m×0.6m。通過調(diào)節(jié)甲醛發(fā)生裝置（HY-JQ-3，東莞環(huán)藝儀器技術(shù)有限公司，中國）的發(fā)生溫度和主系統(tǒng)風(fēng)機(jī)流量來控制綠墻模塊入口流量和甲醛濃度。待進(jìn)出口甲醛濃度穩(wěn)定后，通過氣體采樣裝置（嶗應(yīng)2020 型，青島嶗山應(yīng)用技術(shù)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(fēng)柜處理后排到室外。

圖3 主動綠墻動態(tài)熏蒸實(shí)驗(yàn)裝置Fig.3 Schematic of the experimental setup

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

為了探究主動綠墻去除空氣中甲醛的能力，實(shí)驗(yàn)分為兩部分進(jìn)行：（1）沒有綠墻模塊的“空室測試”。在穩(wěn)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(jìn)行“整體綠墻模塊甲醛去除測試”。

對照實(shí)驗(yàn)設(shè)置動態(tài)熏蒸系統(tǒng)的流量為50m /h，通過調(diào)節(jié)甲醛發(fā)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(shí)對進(jìn)出口的甲醛進(jìn)行采樣測量。待一次操作完成后，打開艙門及通風(fēng)柜使得環(huán)境中甲醛盡可能排凈。然后重復(fù)至少10 次，通過進(jìn)出口甲醛濃度的配對樣本t檢驗(yàn)來確定由玻璃艙造成的甲醛凈損耗。然后將每個(gè)模塊都放置在動態(tài)流通室中，并依次進(jìn)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(shè)置為30、50和65m /h。實(shí)驗(yàn)過程中，在甲醛發(fā)生器運(yùn)行即將結(jié)束時(shí)，同時(shí)從腔室進(jìn)出口進(jìn)行采樣。在60 分鐘的熏蒸過程中使用了不同的采樣時(shí)間，結(jié)果表明出口甲醛濃度在每次甲醛發(fā)生結(jié)束前已達(dá)到穩(wěn)定。Torpy 等[12]在研究中發(fā)現(xiàn)了類似的結(jié)果，其中出口濃度在一小時(shí)內(nèi)保持穩(wěn)定。甲醛濃度通過乙酰丙酮分光光度法利用分光光度計(jì)（GENESYS 180,Thermo Fisher Scientific, USA）按照國標(biāo)《GB/T 15516-1995》進(jìn)行測量。

1.4 數(shù)據(jù)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(xiàn)及濃度和流量對綠墻甲醛凈化的影響規(guī)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(tài)腔室入口和出口處甲醛濃度按照公式（1）計(jì)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(shí)間內(nèi)去除的甲醛的質(zhì)量，其計(jì)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(shù)據(jù)分析采用Excel 和SPSS 軟件進(jìn)行，繪圖采用Origin 進(jìn)行。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

經(jīng)夏皮洛-威爾克（S-W）檢驗(yàn)，對照實(shí)驗(yàn)進(jìn)出口甲醛濃度均服從正態(tài)分布（P>0.05），再次對進(jìn)出口濃度采用皮爾遜相關(guān)性分析，結(jié)果顯示二者存在高度顯著正相關(guān)（P<0.01）且強(qiáng)相關(guān)（r=0.804），最后配對樣本t檢驗(yàn)表明進(jìn)出口甲醛濃度不存在差異（P=0.905），因此，動態(tài)熏蒸玻璃艙展現(xiàn)出良好的密封完整性，其甲醛損失可忽略不計(jì)。

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(xiàn)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(yàn)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(xiàn)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(jié)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(shí)，當(dāng)流量從50m /h增加到65m /h 時(shí)，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(dá)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(jié)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(gè)因素間任意兩個(gè)因素的交互作用均對主動綠墻的甲醛凈化表現(xiàn)存在顯著影響（P<0.01）。不過，三個(gè)獨(dú)立因素的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過因素間交互作用。在這三個(gè)因素中，對主動綠墻單程凈化率的影響排序?yàn)椋毫髁浚‵=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?yàn)椋杭兹舛龋‵=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(yù)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(fù)荷作為橫坐標(biāo)，以綠墻對甲醛凈化速率為縱坐標(biāo)，對其進(jìn)行回歸分析，得到綠墻去除甲醛的預(yù)測模型，如圖4所示。結(jié)果表明凈化速率和甲醛負(fù)荷呈線性相關(guān)，不同于生物過濾裝置存在臨界甲醛負(fù)荷[13]，因此主動綠墻具有更好的甲醛凈化表現(xiàn)。

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

3 結(jié)論

本文采用動態(tài)玻璃艙熏蒸系統(tǒng)研究了動態(tài)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(jià)指標(biāo)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(guī)律。

主動綠墻具有較高的甲醛凈化表現(xiàn)，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(nèi)。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(fù)相關(guān)（P<0.01），而凈化速率則相反（P<0.01）。植物種類對凈化表現(xiàn)存在顯著差異（P<0.01），其中吊蘭表現(xiàn)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(fù)荷呈線性正相關(guān)。