舊空氣凈化器表面與臭氧的二次污染研究

程嘉穎

（大眾交通（集團）股份有限公司，上海 200235）

0 引言

研究表明，室外臭氧經(jīng)過空氣過濾器表面時濃度會降低[1]。這是因為與過濾器表面的顆粒物發(fā)生了反應，產(chǎn)生甲醛等二次污染物[2-4]，所產(chǎn)生的二次污染物可能引發(fā)嚴重的病態(tài)建筑物綜合征SBS[5-6]。甲醛也被美國環(huán)境保護局（EPA）認為是潛在的致癌物[7]，同時被世界衛(wèi)生組織國際癌癥研究處（WHO）認定是頭號的致癌物[8]。甲醛和其他有機化合物等二次污染物的形成與臭氧去除率有關，并且該反應受環(huán)境溫濕度、過濾器材料和顆粒物容塵量等因素影響。但是系統(tǒng)的關于過濾器二次污染物的研究比較局限。

當前我國舊過濾器與臭氧反應的研究較少，本課題擬研究我國舊過濾器和臭氧反應所產(chǎn)生的二次污染物，探究溫度、風速和上游臭氧濃度對該反應的影響，評價該反應的臭氧去除率和污染物產(chǎn)生濃度，以分析此二次污染對人體的潛在危害。

1 實驗設計

本實驗針對空氣過濾器表面的臭氧反應，搭建一套固-氣反應的實驗臺，如圖1所示。氣流從左上方由抽氣泵進入，先經(jīng)過流量計控制風量，再經(jīng)過活性炭過濾，得到風量可控的、干凈的空氣。采用三向閥和調節(jié)閥控制進入水桶的風量，從而可以控制氣流的濕度。經(jīng)過前期處理后，氣流進入不銹鋼風管，臭氧產(chǎn)生器的一頭連接風管的前段，另一頭將產(chǎn)生的臭氧注入氣流的上游，由此可控風管內的臭氧濃度。在兩根風管的中間夾著實驗用的過濾器材料，用三向閥分別測上游和下游風管中臭氧的濃度和揮發(fā)性有機物（VOCs）的濃度，從而得到上下游的濃度差，風管中還有溫濕度自計儀可以控制溫濕度，最終廢氣會從風管的尾部輸出。

圖1 實驗臺搭建框架

本實驗使用的空氣過濾器材料全部來自于上海Honeywell公司（型號HPF35M1120），由該凈化器廠商在全國范圍內收集65套過濾器，分別編號，隨機選擇16套過濾器用作研究空氣過濾器表面成分對該實驗的影響，再隨機選擇3套過濾器用作濕度、風速和上游臭氧濃度對該實驗的影響（編號分別為80、16和23）。運用快速溶劑萃取方法[9]和GC-MS探測方法[10]，可得到實驗所用的過濾器材料上的增塑劑含量。80、16和23號過濾器材料上的增塑劑總含量分別為23.13 μg/g過濾器材料，29.89 μg/g過濾器材料和166.49 μg/g過濾器材料。實驗時先將三向閥通向上游，記錄過濾器材料上游的臭氧和VOCs的值，等示數(shù)穩(wěn)定后（一般為15min后[5]），再將三向閥通向下游，等待與上游的相同時間（15min后）再進行計數(shù)。通過將該反應條件下的上下游臭氧和VOCs濃度的對比，可得該反應條件下的臭氧去除率和二次污染物的生成量。再通過調節(jié)不同的試驗參數(shù)，得到不同反應條件下的反應情況。

2 實驗結果與分析

2.1 空氣過濾器表面成分對該反應的影響

本實驗探究在25℃、70%RH、0.04 m/s風速、上游臭氧濃度為120 ppb條件下的臭氧去除率隨空氣過濾器表面成分的影響，結果顯示并沒有明顯的影響，且臭氧去除率均低于25%以下。相關系數(shù)為0.48，表明空氣過濾器表面成分對臭氧去除率的影響并不顯著。

類似地，對于二次污染物隨空氣過濾器表面成分的影響，結果顯示也沒有明顯的影響。另外，有些過濾器材料前后二次污染物的值為負，即下游濃度低于上游濃度，也有可能是由于PTR-MS不穩(wěn)定造成的，它們對于室內已有的這些揮發(fā)性有機物的濃度而言也相對較小。相關系數(shù)為0.03，表明空氣過濾器表面成分對二次污染物的影響不顯著。

二次污染物的增量中，各成分的構成也有顯著差異（圖2）。橫坐標表示空氣過濾器表面的7種增塑劑的總量，單位是μg/g過濾器材料；縱坐標表示二次污染物的增量（ppb），其中6種二次污染物由不同顏色的柱形表示。結果發(fā)現(xiàn)，二次污染物的增量與空氣過濾器表面成分的構成沒有顯著關系，也尚未發(fā)現(xiàn)各污染物成分與空氣過濾器表面成分的關系。

圖2 空氣過濾器表面成分對二次污染物各成分增量的影響

2.2 濕度對該反應的影響

本實驗探究在25℃、0.04 m/s風速、上游臭氧濃度為120 ppb的條件下，隨機選取樣品，濕度分為30%、40%、50%、60%、70%等5個濕度值，由水閥控制，前后誤差在±3%。

結果表明，在低濕環(huán)境下，隨著濕度的增加，臭氧去除率略有增加，而隨著濕度的持續(xù)增加，臭氧去除率沒有顯著的變化規(guī)律，且都低于16%。

類似地，濕度對于二次污染物的影響并不明顯，3塊過濾器材料均在60%的濕度條件下達到了二次污染物總增量的最大值。

2.3 風速對該反應的影響

本實驗探究在25℃、70%RH、上游臭氧濃度為120 ppb的條件下，隨機選取樣品，風速設置為0.04 m/s、0.09 m/s、0.15 m/s、0.2 m/s、0.27 m/s等5個風速。

結果表明，低風速下，風速的增加能增加臭氧去除率，而風速增加到0.09 m/s后，臭氧去除率會降低，直到0.2 m/s達到臭氧去除率的最低值，之后又會有所增加。臭氧去除率一直都低于30%。

類似地，在25℃、70%RH、上游臭氧濃度為120 ppb的條件下，高風速對于二次污染物會起到一定的抑制作用，即上游的揮發(fā)性有機物VOCs在高風速下都會被過濾器材料阻擋，從而導致下游的濃度顯著降低。這可能是由于高風速造成氣流組織行程湍流，風道內氣體組成復雜，過濾器表面尚未來得及與臭氧發(fā)生反應；然而，低風速下仍然能造成二次污染物的滋生，3塊過濾器材料都在0.15 m/s出現(xiàn)了二次污染物總量的最大值，表明在適宜的風速條件下，過濾器表面的臭氧反應仍然能產(chǎn)生一定量的二次污染物。

2.4 上游臭氧濃度對該反應的影響

本實驗探究在25℃、70%RH、0.04 m/s風速的條件下，隨機選取樣品，上游臭氧濃度從3 ppb、10 ppb、40 ppb、80 ppb、120 ppb之間變化。

結果表明，在低臭氧環(huán)境下，隨著上游臭氧濃度的增加，臭氧去除量隨之增加，而當臭氧濃度達到120 ppb后，臭氧去除量反而會降低。這說明在低臭氧環(huán)境下，隨著臭氧的增加，會加劇反應的產(chǎn)生，使得有更多的臭氧參與反應，而當臭氧增加到一定程度后，過濾器表面無法去除大量的臭氧，從而去除量降低。

類似地，在25℃、70%RH、0.04 m/s的條件下，隨機選取樣品分析中有代表性的3塊過濾器材料，上游臭氧濃度對二次污染物的影響并不顯著。

3 討論

本實驗研究了空氣過濾器表面的臭氧反應的自變量和應變量之間的關系。其中，自變量分為空氣過濾器表面成分、濕度、風速、上游臭氧濃度等4個變量，應變量分為臭氧去除率（臭氧去除量）和二次污染物的總量等2個變量。其中，濕度、風速和上游臭氧濃度的相關系數(shù)取3塊過濾器材料分別進行相關系數(shù)的計算后，取的平均值來作為參數(shù)比較。由相關系數(shù)的定義[11]，絕對值在0.3以下是無直線相關，0.3以上是直線相關。則可以得到空氣過濾器表面成分與臭氧去除率為低度相關，與二次污染物的總量無直線相關；濕度與二次污染物的總量呈顯著相關，即在同一濕度下，二次污染物的總量隨臭氧去除率的增加而增加，而濕度與臭氧去除率無直線相關；風速與臭氧去除率和二次污染物的總量有低度相關性；上游臭氧濃度與臭氧去除量呈顯著相關，與二次污染物的總量無直線相關。

3.1 對該反應的4個實驗變量的討論

空氣過濾器表面成分：在各反應參數(shù)中，空氣過濾器表面成分的各項相關系數(shù)均不高。

濕度：實驗中發(fā)現(xiàn)濕度對該反應的影響較大，也驗證了之前其他文獻中的結論[12]。結果表明，隨著濕度的增加，反應會更加劇烈，二次污染物的總量會相應增多，可能是由于在高濕情況下，使用過的過濾器表面產(chǎn)生了霉菌等物質，從而與臭氧反應的幾率更大。

風速：實驗沒有發(fā)現(xiàn)風速與該反應的顯著關系，這也驗證了其他文獻中的結論[12]。然而，結果也表明，濕空氣下高風速能產(chǎn)生更多的醛類。

上游臭氧濃度：對于使用過的過濾器材料，在室內臭氧濃度（3 ppb）的條件下，過濾器后的二次污染物總量均為負值，表明二次污染物在經(jīng)過過濾器材料表面時，在沒有臭氧的作用下，會被過濾器阻擋。在低臭氧環(huán)境下，隨著臭氧的增加，會加劇反應的產(chǎn)生，使得有更多的臭氧參與反應，而當臭氧增加到一定程度后，過濾器表面無法去除大量的臭氧，從而去除量降低。而上游臭氧濃度與二次污染物的總量沒有顯著的關系。

3.2 對該反應的兩個反應結果的討論

臭氧去除率：結果發(fā)現(xiàn)，臭氧去除率的變化范圍最高不超過25%，最低不超過-7%，可見臭氧去除率的變化范圍比較有限。

二次污染物的總增量：類似地，可得各實驗中二次污染物的總增量的變化范圍（圖3）。結果發(fā)現(xiàn)，二次污染物總增量的變化范圍最高不超過44.58 ppb，最低不超過-55.17 ppb。反應的濃度變化較小，表明該反應并不劇烈。

圖3 各反應中二次污染物的總增量

國家標準規(guī)定，室內甲醛的濃度不能超過40 ppb。為此，對比各反應后甲醛的產(chǎn)量（圖4）。各反應中，甲醛的增量最大值為20.98 ppb，最小值為-17.33 ppb，即甲醛最多不超過室內已有濃度范圍的50%。

圖4 各反應中甲醛的總增量的范圍

4 結束語

針對舊過濾器表面與臭氧的二次污染實驗，結果表明：

（1）二次污染的總增量相對比室內已有的二次污染物總量較低，空氣過濾器表面的臭氧反應并不劇烈；

（2）雖然反應會產(chǎn)生一定量的二次污染物，但濃度較室內已有的濃度相比較小，也尚未發(fā)現(xiàn)各自變量和應變量之間高度相關的關系。

因此，雖然舊過濾器表面確實存在與臭氧的二次反應，但該反應并不劇烈，也尚未發(fā)現(xiàn)自變量和應變量之間高度相關的關系。

在外推到典型的建筑條件時，兩條重要的說明應引起重視。首先，本實驗受到實驗條件的限制，風速較低，而實際家用空氣凈化器和實際公共建筑中經(jīng)過過濾器表面的風速比本實驗中的試驗情況要高。其次，在空調系統(tǒng)中過濾器材料與臭氧發(fā)生反應的同時，其上也在產(chǎn)生新的顆粒物和揮發(fā)性有機物（VOCs），因此能在大范圍下的表面積中補充新的反應材料。而實驗中由于客觀原因，并不能完全模擬現(xiàn)實情況下過濾器材料表面發(fā)生的臭氧反應。因此，將本實驗的結論外推到典型的建筑條件時，關于實際情況下空氣過濾器表面的臭氧反應的結論還需要更多深入研究。