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低温等离子体治理室内空气污染的原理及应用中南大学黄钊邓启红蔡慧煊吕琪铭邓权威摘要：本文简要介绍了室内空气污染物的现状以及等离子体的基本概念，分析了低温等离子体净化室内空气污染物的原理及应用，着重介绍了低温等离子体去除室内微细颗粒污染物的机理。关键词：室内空气污染；净化；非平衡等离子体；微细颗粒污染物1引言人类的生存离不开空气,一个人可以7天不进食，5天不饮水，但5分钟不呼吸空气就可能死亡。而空气品质的好坏是人类健康发展的关键因素，因为人们可以选择无污染的水和食物，却难以选择所呼吸的空气，呼吸是我们接触空气污染的主要途径。许多疾病都是与我们呼吸的空气有很大的关系。继“煤烟型污染”、“光化学烟雾型”污染后，现代人正进入以“室内空气污染”为标志的第三代空气污染时期。据美国环保总局调查显示：室内空气污染物浓度至少是室外的2～5倍，有时甚至高达100倍以上，而人们80～90%的时间是在室内度过的[1]，如家中的生活休息，办公场所的工作学习，体育馆中的健身运动，乃至娱乐场所的娱乐休闲…。所以人们在关注室外污染的同时，更应该把目光投入室内污染。可以说，建筑室内环境质量IEQ（indoorenvironmentquality）与人们的身体健康、生活舒适、工作效率等息息相关。低劣的空气质量会使人注意力分散，工作效率下降，同时也会降低人们的生活品质。因此如何控制和治理室内空气污染，提高室内空气品质，为人们创造一个健康与舒适的室内生活与工作环境，将对人类社会的可持续健康发展起着关键性作用。2室内空气污染的现状及其治理方法2.1空气污染的现状加拿大环卫组织研究发现：人类68%的疾病是由于室内空气污染造成的。包括办公室、民房现代住宅、大型百货商店、学校教室等在内的室内空气质量近日成了环境专家们研讨的焦点。综合调查结果显示，通风空调系统、建筑及装饰材料、办公设备和家用电器等是室内空气质量最重要的“隐性杀手”。由此产生的空气污染、噪声污染、电磁波及静电干扰、紫外线辐射等给人们的身体健康带来不可忽视的影响。严重的室内环境污染在给人们健康造成损失的同时，也造成了巨大的经济损失，仅1995年我国因室内环境污染健康危害所导致的经济损失即高达107亿美元[2]。⑴室内污染物的类型室内空气污染的数量多、成分复杂、按照室内污染物性质可归纳为三类：有机挥发性有害气体VOCS，细菌、真菌、病毒污染物和颗粒污染物PM。对于有机挥发性有害气体VOCS造成的化学污染：部分VOCS气体（如苯、甲醛等）对人体具有一定的致癌作用，但大多数VOCS对人体健康并没直接影响，而主要影响人体的舒适，如由于强烈的气味或过敏等刺激引起的疲劳、头痛、恶心、胸闷、眼鼻咽喉不适等症状，通常也称为“病态建筑综合症SBS”，这些短期的不适应症状在进行适当的休息或通风后能够得到有效缓解甚至消除[3]。对于细菌、真菌、病毒污染物造成的生物污染：室内空气生物污染是影响室内空气品质的一个重要因素，主要包括细菌、真菌（包括真菌孢子）、花粉、病毒、生物体有机成分等。在这些生物污染因子中有一些细菌和病毒是人类呼吸道传染病的病原体，有些真菌（包括真菌孢子）、花粉和生物体有机成分则能够引起人的过敏反应。室内生物污染对人类的健康有着很大危害，能引起各种疾病，如各种呼吸道传染病、哮喘、建筑物综合症等。对于颗粒污染物造成的物理污染：室内空气中颗粒污染物按粒径大小及其对人体健康的危害程度可分为粗颗粒与细颗粒两种类型，前者通常指TSP（总悬浮颗粒物）或PM10（粒径小于10μm的颗粒物），而后者主要指PM2.5（粒径小于2.5μm的颗粒物）。粗颗粒污染物对人体健康没有太大影响，因为一方面它容易受重力作用的影响而沉降，另一方面它基本上可以被鼻粘膜完全过滤，很少能够进入人体呼吸系统。但室内大量存在的微细颗粒污染物PM2.5却能长时间漂浮在空气中，它们极易进入人体呼吸系统甚至血液循环从而对健康造成重要危害。近年来的流行病学研究表明，室内可吸入微细颗粒污染物浓度或数量与日益增长的呼吸系统疾病及心脑血管疾病的入院率和死亡率密切相关[4]。另外，微细颗粒污染物对人体健康的影响程度与粒径大小有关：粒径越小，颗粒物传输至呼吸系统的部位就越深，危害就越大。⑵室内空气污染的特点由于室内空气污染与大气空气污染所处的环境不同，其污染特点也不同，室内空气污染具有如下特点[5]：第一，影响范围广。涉及人群数量大，影响范围包括：居室环境、办公环境、交通工具环境、休闲场所等，而涉及人群几乎包括整个年龄组。第二，接触时间长。人一生在室内度过的时间占80－90%,即使室内有浓度很低的污染物，在长期作用于人体后，也会影响人体健康。第三，污染物种类多。室内空气中的污染物既有化学性污染物如甲醛、氨水、苯、甲苯、一氧化碳等；生物性污染物，如细菌、真菌等；还有物理性污染，如烟气、尘埃等颗粒污染物。第四，污染物浓度高。由于室内是个较封闭的环境，在没有或少量通风时，污染物不能排放到室外，大量污染物在室内囤积。严重时，室内污染物浓度可超过室外几十倍，甚至高达上百倍。第五，污染物排放周期长。一些污染物能不断地从装修材料中释放出来，排放周期长。有研究表明室内甲醛的释放可达十几年之久，而对于放射物质导致的污染，其危害时间则更长。2.2空气污染的治理方法因为室内空气污染累积性、长期性、多样性以及如上的一些特点，治理室内空气污染的方法也是多种多样，根据不同作用原理，其治理方法[6]有，物理吸附法、化学法、光催化分解法、离子化法、湿式除气法等。分析表1中各种空气净化法，其中物理吸附法原理为气体与固体吸附剂依靠范德华力的吸引作用而被吸附住。主要用于去除空气中的氨气、二氧化碳、硫化氢和挥发性有机化合物等。但这些材料对去除二氧化碳、一氧化碳的效果不大，除臭也比较困难，并且吸附容易达到饱和，已经吸附的有害气体，在一定条件下又会重新释放出来，再者由于吸附剂在使用一段时期以后便失去活性，必须要定期清洗或更换，所以运行费用较高。原理作用形式净化对象净化效率二次污染物理吸附法范德华力多孔吸附物质VOCS、NO2、NH3、H2S一般无湿式除气法离心力分离尘粒挡板沉降油、烟等颗粒物较好无化学法化学反应生成无害物载体、活性化学物质有害气体好有光催化法紫外光照射分解有害气体多相光催化剂VOCS、与非挥发性有机污染物一般有离子化法放电反应高能电子、活性自由基等VOCS、颗粒污染物等好有表1多种空气净化法的比较湿式除气法其原理是当含灰气流冲击到挡板上时，气流中沉降力大的尘粒被分离出来。虽然净化效果较前者有了提高，但工艺流程复杂，且影响因素过多不易控制。化学法可分为三种：（1）中和法、（2）氧化法、（3）催化法。原理基本是利用相对应的化学反应，优缺点很明显，如（1）优点是吸附牢固、反应不可逆，缺点是消耗试剂较多，使用寿命较短。（2）优点是效率高，反应不可逆。缺点是消耗试剂较多，过剩的氧化剂容易造成二次污染。（3）缺点是空气中不允许有使催化剂本身发生反应的物质，并且催化剂的价格也比较贵。光催化法是在光的催化下将吸收的光能直接转变为化学能，使许多通常情况下难以实现的反应在常温、常压的条件下能够顺利进行。利用紫外光源，将TiO2光催化剂对室内的有害气体及异味气体等通过光催化反应彻底分解为无臭、无害的产物，同时可杀灭空气中的细菌、病毒。与其他净化技术结合，光催化是一种具有应用前途的室内空气净化技术。总的来说，传统的室内空气污染净化方法，如物理吸附、过滤，化学等方法，已无法满足室内污染治理过程中同时处理微细颗粒（物理污染）、处理毒害气体(NOX、SOX、VOCS等化学污染)、杀菌（生物污染）等多方面要求。而低温等离子体技术被认为是治理气态污染物和水污染物的关键技术。该技术是一个集物理学、化学、生物学和环境科学于一体的交叉综合性技术，其显著特点是对室内污染物兼具物理作用、化学作用和生物作用，具有费用低、净化效率高等明显优点。3低温等离子体净化空气的原理及应用3.1等离子体基本概念及分类人们自古以来往往把物质划分为三种状态：固、液、气三态，而近百年来，等离子体态才被看作物质的第四态，等离子体态是不同于其它物质状态，它是由带电粒子组成的电离状态，等离子体是由包含足够多的电荷数目近于相等的正、负带电粒子（电子、离子、原子、分子、自由基等）的物质聚集而成，等离子体的状态主要取决于它的组成粒子、粒子密度和粒子温度。等离子体按气体电离的程度分类，可分成完全电离气体、部分电离气体、弱电离气体三种，而按等离子体粒子温度来分类，包括：热平衡等离子体和非平衡态等离子体。热平衡等离子体不仅电子温度高，重粒子温度也高，通常为104K～2×104K数量级，而非平衡态等离子体电子温度可高达104K以上，而离子和原子等重粒子温度却可低到300K～500K，故称为低温等离子体。3.2低温等离子体净化空气的原理低温等离子体所拥有的高能电子同空气中的分子碰撞时会发生一系列基元物质反应，并在反应过程中产生多种活性自由基和活性氧，即臭氧分解而产生的氧原子。活性自由基可以有效地破坏各种病毒、细菌中核酸，蛋白质，使其不能进行正常的代谢和生物合成，从而致使死亡[7]。而活性氧能迅速将多种高分子异味气体分解或还原为低分子无害物质。此外，考虑到等离子体中的离子与物体的凝聚作用，可以对微细颗粒污染物进行有效的收集。在低温等离子体净化空气的机理中涉及的效应包括：1、化学效应——等离子体中包含的大量高能且活性极强的自由基跟有害气体分子发生化学反应或打开有害气体的化学键生成无害产物。2、生物效应——静电作用在细菌、病毒等微生物表面形成剪切力，能够破坏微生物细胞膜，从而起着灭菌的作用，此外负离子增加人体对氧的吸收，使空气更清新，同时能够调节离子平衡。3、物理效应——大量电子、正负离子与空气中的颗粒污染物发生非弹性碰撞，使之成为荷电离子，在电场力的作用下，被集尘极收集。⑴低温等离子体净化VOCS等气态污染物的原理低温等离子体净化VOCS等气态污染物的原理主要体现在它的化学效应上，常压下，气体放电产生高能电子，形成含有大量激发态、亚稳态、游离态粒子以及各种电子、离子等组成的等离子体，它们在净化气态物质的机理方面包括两方面的作用[8]：一、在等离子体产生过程中，一般伴随着瞬时高能量的产生，而活性粒子的化学性质比基态分子活跃得多，在电场作用下，气体分子处于激发态，当气体分子获得的能量高于分子键的结合能时，有害气体分子的化学键便被直接打开，而分解为单质原子或简单无害气体分子。二、等离子体中包含了大量的高能电子、离子、活性自由基、激发态粒子，这些高能活性粒子与有害气体频繁碰撞，打开气体分子的化学键而生成单原子分子、固体颗粒和大量活性极强的自由基和氧化性极强的O3，这些活性物质跟有害气体分子发生化学反应生成无害物质。⑵低温等离子体破坏微生物细胞的原理低温等离子体破坏细菌、病毒等微生物细胞的破坏机理主要体现在它的生物效应上，由于受到高能电子的非弹性碰撞的影响，微生物颗粒在等离子体产生的电场中带上一定数量的电荷，从而在微生物颗粒表面产生一个静电剪切力。当静电剪切力大于细胞膜的表面张力时，细胞膜将会破坏，导致细胞质的流出，而致使微生物死亡。⑶低温等离子体去除颗粒物的原理低温等离子体去除室内微细颗粒污染物的机理主要体现在它的物理效应方面。在电晕放电过程中，产生大量电子和正负离子，在电场的作用下，高速运动与颗粒污染物发生非弹性碰撞，从而附着在上面，与之形成荷电颗粒物，在电场的作用下，运动而被收集，最终达到去除的目的[9]，一般过程包括：①电子与污染物分子碰撞形成带电负离子。②电子以及负离子与颗粒污染物碰撞附着过程。③带电颗粒污染物的收集沉降过程。具体的净化机理可用数学物理模型来描述，其中包括：a低温等离子空气电离方程；b颗粒荷电方程；c电场方程；d颗粒在流场、电场中的输运方程（流体-颗粒-电场）。在低温等离子体机理研究中，最重要的便是颗粒荷电方程的建立，其建立的思想是：电子、正负离子与颗粒物发生非弹性碰撞，导致颗粒物周围形成一个碰撞截面（电子/正、负离子碰撞截面）在碰撞截面内，电子、正负离子将被颗粒物所