被动式室内空气净化产品甲醛净化效果研究
近年来，室内空气污染成为了一个越来越普遍的现象，被动式空气净化产品的价格较低，使用方便，已经成为人们治理室内空气污染的主要途径之一。被动式空气净化产品行业快速发展的同时，由于标准体系不完善，广大消费者对产品基本原理了解不足，缺乏有效的鉴别手段，致使目前市场上的产品品种比较杂乱，产品质量参差不齐，对于行业的发展带来负面效应。本文通过对被动式空气净化产品净化原理的分析及对其甲醛去除效率的检测，为该领域标准的制、修订提供科学依据。同时力求为人们通过该途径解决室内空气质量问题，选购合适产品提供有力的依据。
1 被动式空气净化技术
1.1 吸附净化技术
吸附净化技术工艺相对简单，效果比较稳定，是目前应用最为广泛的一种空气净化技术。吸附作用主要原理是利用目标分子在相界层所受到的不平衡作用力，使其向某一侧移动，逐渐聚集起来，直至达到吸附平衡，其结果是使相邻两相中目标分子的浓度产生不同。常用于制作吸附剂的材料有活性炭、硅胶、氧化铝等，其吸附净化效果主要取决于吸附材料对污染物吸附速率和吸附容量。Hines等人研究了活性炭、分子筛和硅胶等吸附材料对不同气态污染物的吸附作用，发现该类物质对气态污染物吸附效果显著，并分析了不同材料的吸附特性。
1.2 光催化技术
近年来，将光催化技术应用于室内空气净化领域的研究越来越多，该技术具有能耗低、操作简便、反应条件温和、无二次污染和可连续工作的特点。光催化反应去除污染物的本质是在光电转换中进行氧化还原反应。光催化剂是光催化反应的基础，当其吸收能量大于其带隙能的光子时，会导致电子从充满的价带跃迁到空的导带，而在价带留下带正电的空穴。价带空穴具有强氧化性，可以使H2O氧化，产生OH，而导带电子具有强还原性，可以使空气中的O2还原，产生O2-。二者为室内空气中的有机污染物提供了高活性的氧化剂，使污染物最终分解为CO2和H2O等小分子物质，达到净化室内空气的目的。ALBERICI 等将光催化剂TiO2应用于空气中VOCs去除，取得了良好效果，并对作用机理进行了深入分析。目前，市场已经出现了使用TiO2和ZnO等作为光催化剂的光触媒类空气净化产品。
1.3 生物质净化技术
生物质净化材料来源广泛，可生物降解，二次污染少，在室内空气净化方面应用潜力较大，因而倍受人们关注。生物质净化材料的使用主要是因为这些材料中含有与化学污染物反应的活性物质，这些活性物质主要是多酚类、含胺基化合物、含醇羟基化合物、生物碱等。例如茶叶中的多酚类物质，能够有效吸收空气中的甲醛，其主要成分是儿茶素、表儿茶素、表没食子儿茶素、表儿茶素没食子酸酯、表没食子儿茶素没食子酸酯等。儿茶素结构上的间苯二酚结构与甲醛反应形成亚甲基键桥连接而聚合，其过程是先与甲醛反应羟甲基化，然后再与另一分子儿茶素的活性点缩合反应，以达到固定甲醛的效果。国外有研究者对绿茶提取液做了相应的研究，提取液中茶多酚含量为30%，结果表明使用提取液处理过的滤纸和空气净化装置都能有效捕捉甲醛。
许多树皮中含有大量的缩合单宁，可以在酸、碱催化作用下与甲醛反应，最终生成不溶于水的高聚物。单宁与甲醛之间的反应活性很高，在空气净化领域的应用前景较大。SENNO等在人造板材中添加云杉树皮粉末，有效降低了甲醛的释放。另外，蛋白质大分子中含有大量的游离胺基，这些基团能够与甲醛在受热条件下发生交联反应，有效去除甲醛。国内已有使用氨基酸合成甲醛捕捉剂的相关研究，将此净化剂直接喷洒或涂覆在含甲醛材料表面，可以有效消除空气中的甲醛。
2 被动式室内空气净化产品性能
我国目前主要依据QB/T 2761—2006《室内空气净化产品净化效果测定方法》进行被动式空气净化剂净化效果性能测试。试验方法主要参照该标准，在环境试验舱内添加一定量的甲醛溶液作为污染源，试验时间为24 h，空白试验舱内甲醛最终浓度控制在GB/T 18883—2002 《室内空气质量标准》 规定限值的10 ~ 11倍，分别对不同类型甲醛去除剂净化效果进行了研究。
2.1 试验方法
2.1.1 实验装置
1.5 m3空气试验舱，框架结构为铝合金材料和浮法平板玻璃，漏气率小于0.05 m3/h，顶部设置有紫外灯和搅拌风扇，底部设有排风口。采样孔位于舱体中部，通过导管与采样设备连接。根据实验需要，设置空白舱和样品舱，使用牛皮纸作为喷涂类样品的基纸。
2.1.2 采样和分析方法
研究采用AHMT-分光光度法进行舱内空气采集和分析。空气中的甲醛和4-氨基-5-旈基-1,2,4-三氮杂茂在碱性条件下发生缩合，被高碘酸钾氧化成6-旈基-5-三氮杂茂-S-四氮杂苯的紫红色的化合物。甲醛含量与6-旈基-5-三氮杂茂-S-四氮杂苯溶液颜色深浅成正比关系。
样品净化效果评价指标为目标污染物24 h去除率，计算公式为：
式中：y为去除率，%；CA为空白试验舱污染物质量浓度，mg/m3；CB为样品试验舱污染物质量浓度，mg/m3。
2.2 结果与分析
2.2.1 吸附净化产品
选取6种采用吸附净化原理的样品进行甲醛去除率试验，其外观性状描述见表1。根据目前市场上在售产品的种类分布情况，选取的6个样品中，有4个性状和使用方式均不同的活性炭样品，硅胶和氧化铝样品各1个。
吸附净化产品的净化效果见图1。从图中可以看出，该类产品对甲醛去除有一定效果，24 h去除率均在50%以上，平均去除率为62.2%。在周纯良等的研究中，物理吸附类净化产品平均甲醛净化效率同样达到了60%。由于样品本身性状和使用方式的不同，样品对甲醛的去除率也表现出一定的差异，波动范围为50.2% ~ 77.1%，24小时去除率的标准偏差为10.06 。去除效果相对较好的是采用舱内悬挂方式的活性炭样品， 24 h去除率达到了70%以上，其中袋装粉末活性炭，且使用方式为舱内悬挂的6号样品，去除率最高，达到了77.1%。采用舱底平铺处理方式的活性炭样品，其净化效果相对较差，尤其是粒径较大的块状活性炭，去除率只有54.3%。所有样品中去除率最差的是硅胶，去除率仅为50.2%。氧化铝的去除率为61.7%，与采用同样试验方式的活性炭相比，效果略好。
2.2.2 光催化净化产品
试验选取市场上常见的6种液体类光触媒产品，其中1 ~ 3号样品为普通型，4 ~ 6号样品为采用特殊技术加工的纳米型。试验依据标准方法进行，将200 g样品均匀涂刷在1 m2大小的牛皮纸上，待晾干后，悬挂于实验舱内。空白试验舱中悬挂未涂刷样品的牛皮纸作为对照。在实验过程中，需要开启紫外灯进行照射，由于紫外照射本身对甲醛有一定的分解作用，因此，该组实验增大了甲醛溶液的使用量，以保证对照组试验舱内24 h后的甲醛浓度为标准限值的10 ~ 11倍，以避免紫外灯照射对实验结果的影响。
光催化净化产品甲醛24 h去除率试验结果见图2。试验所选取的光触媒类产品对甲醛去除效果显著，24 h去除率均在80%以上，平均去除率为89.2%。光催化净化产品对甲醛去除效果要明显好于吸附净化产品，且24 h去除率比较稳定，去除率最高的产品与最低的只相差14.3%，去除率整体标准偏差为6.86。从图2可以发现，与纳米型光触媒（4 ~ 6号样品）相比，普通型光触媒（1 ~ 3号样品）净化效果略差，均未达到90%，而纳米型光触媒去除率则都达到95%左右。造成这一结果的主要原因是纳米型光触媒中发挥净化作用的活性物质颗粒更小，与外界的接触面积更大，在用量相同的条件下，与甲醛的作用面较大，进而提高了净化率。
2.2.3 生物质净化产品
选取6种生产加工方式不同的生物质净化产品进行甲醛24 h去除率检测，其中液体样品3个，采用涂刷悬挂方式进行试验，固体样品3个，采用直接放置的方式进行试验，生物质净化产品样品描述见表2。针对不同的样品处理方式，实验过程中分别设置有悬挂空白牛皮纸对照试验舱和空态对照试验舱，对照组舱内甲醛最终浓度均控制在标准限量的10 ~ 11倍。
生物质净化产品甲醛24 h去除率见图3。由图3可见，试验选取的6种生物质净化产品甲醛去除性能参差不齐，波动范围较大，甲醛24 h去除率的标准偏差为29.42，是3类样品中最不稳定的。研究中生物质净化产品平均去除率为72.4%，介于光催化净化产品和吸附净化产品之间。1 ~ 3号样品的甲醛去除率相对较高，说明植物中某些活性成分对甲醛有较强的净化作用。同样为植物提取物的4号样品是固体状态，其甲醛去除率低于1 ~ 3号样品，说明采用涂刷方式有利于植物活性物与甲醛发生反应。固体颗粒状5号样品的甲醛净化性能相对较差，去除率只有17.4%，与成分相同的粉末状样品差距较大，可能是由于该样品中活性物质含量较少或者是颗粒表面透气性较差与外界接触面积较小造成的。6号样品是由透气无纺布包装的未经特殊加工的干燥植物组织，其甲醛24 h去除率为62.2%，与吸附净化产品的平均效果相当，说明某些植物本身对甲醛就有一定的吸收作用。
3 结论
研究选择的检测对象是市场上比较常见的3种被动式空气净化产品，每种类型选取6个样品进行分析，对其甲醛24 h净化效率进行了检测，基本能够代表目前市场上被动式空气净化产品的质量状况。
研究发现，在所选取的3类产品中，光催化净化产品的整体净化效果最好，平均去除率达到了89.2%，尤其是经过特殊工艺生产的纳米型产品，去除率可达95%左右。但是该类产品需要在光照的情况才能发挥作用，实际使用时的甲醛持续净化能力将受到一定的限制。
生物质净化产品的整体净化效果良好，研究中所检测产品的平均甲醛24 h去除率为72.4%，其中液体类产品的去除率要高于固体产品。研究发现，市场上存在一些净化效果较差的生物质净化产品，建议消费者在购买时认真筛选。
吸附净化产品整体净化效果与前2者相比较差，其平均甲醛24 h去除率能够达到60%以上，且部分产品对甲醛的去除率接近80%，但是，该类产品往往使用寿命较长，使用一段时间后通风处日光暴晒后可以再用。另外，研究发现吸附净化材料的比表面积和与外界环境的接触面积是影响吸附类净化产品吸附效果的主要因素。