文 献 综 述

1.1课题来源、选题依据和背景情况

近年来，随着生活水平的不断提高，大量新型装饰材料和漂亮时尚的现代家具及生活用品不断进入室内，因此所造成的室内环境污染也日趋严重。室内主要污染物PM_2.5、甲醛、苯、甲苯等可挥发性有机物（VOC）严重超标给人们带来的疾病正引起世界各国的高度重视^[1-5]。

2011年冬天，北京等地阴霾天频繁出现，环境监测部门发布的空气质量报告，与大众空气质量实际感受差别甚大，引起了大众对空气质量问题的关注。美国驻华使馆监测并公布北京PM_{2. 5}数据，让PM_{2. 5}成为大众热议的话题。可吸入颗粒物，是指环境空气动力学直径≤10μm分散在大气中的固态和液态粒子的总称，即PM₁₀，是目前大气环境质量评价中一个重要的污染指标。PM_2.5是指由固体粒子和液态粒子混合组成的粒径小于2.5μm的细粒子。随着对大气颗粒物研究的深入，人们逐渐认识到粒径在10μm以下的颗粒物对环境和人体健康危害最大，尤其以PM_2.5造成的污染和危害最为严重。PM_2.5粒径很小且具有更大的比表面积，这就为一些病毒、细菌、重金属和致癌物质提供了良好的载体，如果长期吸入含有高浓度PM_2.5污染的空气。由于PM_2.5不易被鼻腔和呼吸道阻挡，直接进入支气管和肺泡，干扰肺部的气体交换，就会导致呼吸系统，中枢神经系统，心肺系统和其他系统结构的损害^[6-7]。

甲醛作为一种有刺激性且毒性很强的气体，被国际防癌研究所列为致癌物之一^[5]。长期接触低剂量甲醛可导致慢性呼吸道疾病、结肠癌、鼻咽癌、脑癌以及青少年记忆力和智力下降等^[8]。新装修的居室、办公室、新添置的家具以及汽车和某些服装可持续会发有毒气体，其释放周期长达几十年。当今社会的人们都不会脱离这种生活环境，所以空气净化器的重要性日益凸显。

1.2现有空气净化技术

1.2.1吸附技术

吸附技术由于脱除效率高，富集功能强，适用于几乎所有的恶臭有害气体的处理，因而是脱除有害气体比较常见的方法。常用的吸附剂有：活性炭纤维、颗粒活性炭、分子筛、沸石、活性氧化铝及硅胶等，其中又以含高锰酸钾的活性氧化铝、颗粒活性炭及复合活性炭纤维最常用^[9]。

近些年已研制出各种新型的活性炭，如球状活性炭、蜂窝状活性炭、活性碳纤维（ACF）和新型活性炭等^[10]。目前的研究主要集中在活性炭的吸附应用和吸附性能的改进上。其中ACF由于吸附容量大、吸附速度快等优越的性能，备受人们关注。

1.2.2纳米材料光催化技术

纳米材料是指晶粒尺寸为纳米级（10^-9m）的超细材料。新型的高功能精细无机产品纳米TiO₂其粒径介于1^~100nm，它的尺寸小，表面积大，具有很高的催化活性^[11]。

由于该技术在紫外线光照射下，在室温条件下就能将许多无机污染物氧化成无毒无害的CO₂和H₂O，并且这个过程不需要其他化学辅助剂，反应条件温和，二次污染小，运行成本低和可观利用太阳光为反应光源。但是它不能去除室内空气中的悬浮物及危害很大的细微颗粒物。

1.2.3静电除尘技术

静电除尘主要是利用用高压静电场产生电晕，让灰尘带上电荷，带上荷电后的粉尘等微粒在电场力作用下，就会沉积并滑落。静电除尘技术广泛应用于水泥工业、燃煤电厂、炼矿等诸多领域，作为消烟除尘的设备。

传统的干式静电除尘技术的收尘效率有一个极限，特别是对PM_2.5级粉尘，传统的干式静电除尘技术根本无法收集。另外，传统的干式静电除尘技术对O₂ 、NO_x、重金属等的去除也束手无策。

1.2.4生物净化技术

由于生物技术具有投资少、操作管理简单、运行费用低、安全可靠等优点，近些年来人们运用其除臭、处理氮氧化合物废气与挥发性有机物废气，并取得了一定的成果，用生物技术来净化和处理废气已成为一个热点研究课题。

生物法处理有机废气在德国、荷兰、美国和日本等国应用广泛，其中生物滤池和生物滴滤塔技术已经十分成熟。目前，国外已广泛利用生物过滤技术来处理低浓度、高流量的挥发性有机污染物和臭味气体，尤其对苯、甲苯、乙苯、二甲苯以及苯乙烯等的处理。清华大学，天津大学等运用生物法处理VOC和恶臭气体，方士等人进行了泥炭生物滤塔处理低浓度二氧化硫恶臭气体的实验，取得了90﹪以上的净化率^[12]。

1.3膜分离技术

膜分离技术是一项快速、简单、经济节能和高效的新技术，是利用各组分在压力推动下透过膜的传质速率不同而达到分离的目的。

瑞典、芬兰和美国等国家最早将陶瓷膜应用于IGCC (集成气化联合循环)发电厂的除尘系统^[13] 。芬兰的环境电力公司发明了一种简化的IGCC 工艺，其中应用陶瓷烛式过滤器来进行热气体净化，过滤效率为99. 4 %～99. 8 %，过滤后出口颗粒含量小于5 mg/ m³。这低于汽轮机要求的产物气体中最大固体量为5 mg/ L的技术要求，并且比环保要求值低了几乎一个数量级。在英国，用无机陶瓷过滤器处理燃煤工厂的废气已被证实是最适合的颗粒脱除技术，在Grimethorpe PFBC电站，自1991 年起使用陶瓷膜过滤器进行烟气除尘^[14]，一直在成功地运行，因而他们认为这是一种最为可信的除尘技术。美国能源部的一份报告中提到，陶瓷膜管可用于脱除排放气中大于100 nm 的细颗粒，而在英国，早已将这种陶瓷膜管在不同的化工和腐蚀条件下进行了运用。 据报道，英国山星金属有限责任公司已成功用类似装置从排放物中回收高纯铝箔颗粒^[15]。在煤炭气化工艺中,陶瓷膜用于热气体净化已经是较成熟的工艺，如荷Buggenum的Shell 煤炭气化工艺从1993年起开始使用德国Schmacher提供的烛式陶瓷过滤器。该过滤单元装置( HGF864/ 1500) 高17 m，直径4. 2m，包括864根烛式过滤膜管，分为18组，每组48根构成一个组件。气体处理流量约为400 000 m³/ h(标准)，最大承压4 MPa，操作温度400 ℃^[16]。这些过程充分利用陶瓷膜的耐高温、耐腐蚀、孔隙率小、寿命长等优点。

目前用于分离气体的合成膜主要由有机聚合膜和无机膜。有机膜具有分离系数高的优点，但它耐腐蚀和耐热性差，使用过程中易堵塞，易老化，气体分离通透性差。无机膜化学性质稳定、不被微生物降解、较大的机械强度、容易控制孔径尺寸,在室内空气净化方面有着巨大的潜力，但是气体分离系数很低，对室内空气中低浓度的VOC去除效果不理想。

无机膜就其表层结构可分为多孔膜和致密膜两大类。多孔膜的渗透率比致密膜要高，渗透选择性却较低，但其成产方便、成本低在工业上广泛应用，主要有多孔陶瓷膜、多孔金属膜、分子筛膜等。

1.3.1陶瓷膜的构型

目前，用于气固分离的陶瓷膜过滤器，根据膜材形状和排列方式的不同，分为列管式、挂烛式、列管式和板式等类型，以挂烛式和蜂窝状为主，如图1和图2所示。陶瓷膜过滤组件由众多的陶瓷单管成管束状组装起来，膜层可在单根陶瓷管的外表面，也可以在其内表面。

1.3.2陶瓷膜特点

陶瓷膜分离技术虽然以其不被微生物降解、化学性质稳定、较大的机械强度、容易控制孔径尺寸等优点，在室内空气净化方面有着巨大的潜力，但陶瓷膜气体分离系数很低，对室内空气中低浓度的VOC去除效果不理想。

陶瓷膜是多孔结构的非对称膜，具有耐清洗、耐高温、耐腐蚀、结构稳定不变形、机械强度大、寿命长等突出优点，因而是被广泛接受和赞誉的热粒子过滤材料的最佳选择。对于陶瓷膜过滤器，因其运行费用较低，不会产生二次污染，且寿命长，耐高温，是各种气体处理最适宜和最有前途的方法。

1.3.3陶瓷膜技术应用于气固分离的原理

陶瓷膜过滤过程类似于固定堆积床层，即被脱除的物质大多都在其表面，易于清理^[17]。陶瓷膜过滤器的气固分离操作与液固分离操作相似，可采用终端过滤和错流过滤两种基本方式^[18]。在终端过滤中，气溶胶颗粒到达膜管表面的轨迹大致与膜管垂直，混合流体通过过滤介质，导致颗粒在上游面沉积，即表面过滤,或在深层过滤的情况下颗粒进入膜管。在错流过滤过程中，颗粒随气流进入过滤器时，空气动力场使得它们向过滤介质迁移，那些转向沉积在介质表面的颗粒和被捕捉的颗粒一起形成滤饼。在一定条件下，滤饼可能由于错流的剪切力而被除去。通常，在错流过滤过程中，与表面过滤不同，滤饼的形成和脱除同时发生，在适当条件下，达到动力学平衡，此时，滤饼的脱除速度等于颗粒沉积速度,滤饼的平均面积负载保持常数。多孔陶瓷膜的过滤是集吸附、表面过滤和深层过滤相结合的一种过滤方式。对于气固系统的过滤与分离来讲，其过滤机理主要为惯性冲撞、截留和扩散，如图3所示。(1) 惯性冲撞：流经多孔陶瓷过滤元件微孔孔道的气体中的杂质颗粒，由于惯性而与微孔孔道壁接触而被捕捉。惯性冲撞与杂质颗粒直径的平方成正比，与流速及气体粘度成反比；(2) 扩散：杂质颗粒由于布朗运动而离开流线和微孔孔道壁接触，从而被捕捉。扩散捕捉与流速及气体粘度成反比；(3) 截留：杂质颗粒由于比微孔孔道大而被捕捉，属表面过滤。截留只与杂质颗粒的大小有关。

图3　多孔陶瓷过滤机理

1 截留捕捉2 惯性冲撞捕捉3 扩散捕捉

1.3.4陶瓷膜技术应用于室内空气净化的前景

黄肖容^[19]等人用浓度梯度氧化铝净化空气的研究，对无机膜在室内空气净化方面的应用进行了研究，试验结果表明，该无机膜去除空气中大于0.2μm颗粒物的效果达到100﹪，对细菌的总截留率也达99.99﹪。Aguado^[20]通过液相热液合成的MFI型沸石膜已用于出去室内空气中低浓度污染物正己烷、甲醛和苯等。

陶瓷膜技术被广泛用于室内空气净化、冶金行业的过滤器收尘装置、工业气体净化和煤电厂除尘装置中，但去除挥发性有机化合物的效果不是很理想。所以将陶瓷膜技术与活性炭吸附技术、去甲醛技术相结合，发挥各自长处，弥补各自短处，在去除PM_2.5的同时，还可以有效净化空气中的挥发性有机化合物。

1.4本文的研究内容和目的

从以上的论述中可以看出，将陶瓷膜除PM2.5技术与活性炭吸附及去甲醛滤网技术相结合，可对室内空气有效净化。无机膜能把空气中的PM2.5和细菌除去，从而避免了因活性炭及去甲醛滤网表面微孔的堵塞引起的失活问题，使其能更好地发挥其优越的除挥发性有机物的性能。但是陶瓷膜用于空气净化的研究还较少，而现有陶瓷膜及相应的传质结构模型都是建立在液体分离领域的基础上的，限制了陶瓷膜在空气净化领域的应用。

本实验尝试测定膜孔径、粉尘粒径等对膜分离性能的影响，建立面向除尘体系的膜微结构和性能的关系模型，为陶瓷膜在空气净化领域的应用奠定基础。

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