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低阻高效空气过滤材料——新型绿色环保型多孔水滑石空气净化膜材料的设计与合成

人类有90%的时间是在室内工作和生活的,其中有60%左右的时间是在家里,室内空气的质量直接影响着人类的健康。在室内相对封闭的环境中,必须要时常与户外环境进行通风换气,如果不长时间换气,将会导致室内缺氧,影响人类身心健康。然而,在换气过程中,室外的空气中的污染物(如固体颗粒物、二氧化硫、氮氧化合物等)会伴随着空气一起进入室内,影响人类身心健康。同时,室内由于装修导致的甲醛、有机胺类和挥发性有机物污染,以及空气中漂浮的微生物的污染,都对人类健康造成重大的威胁。面对日益严重的环境污染问题,室内环境治理和防护可以说是人类健康生活的最后一道防线。面对室内空气污染,需要从源头进行整治,随着人们环保意识的不断增强,越来越多的人选择使用环保类涂料来进行家装,这些从一定程度上减少了甲醛、有机胺和挥发性有机物的污染源头,这些污染源在一定程度上都是可以杜绝和减少的。

然而,当空气污染源来自室外时,我们别无选择,我们无法避免的需要和室外进行换气,才能保证室内足够的氧气支持人类呼吸。室外空气污染物的治理工作存在周期长、范围广、污染组成复杂等特点,在短时间内,空气质量很难得到全面有效的治理。北京环保局发布2016年空气质量状况报告显示,2016年北京空气质量达标天数198天,重污染38天。北京地区的大气污染问题很严重的。因此,需要重视室外空气净化到室内,减少室内空气污染。

图示:不同尺寸颗粒污染物对人体器官危害示意图

空气颗粒物(Particulatematter, PM)是目前公认的主要空气污染物之一,与人群健康效应各终点的流行病学联系最为密切。大量研究发现,空气颗粒物暴露会对人体产生不良的健康效应。近年来针对PM10和PM2.5的空气净化处理取得了初步的成效。然而,比PM2.5更小的颗粒污染物如PM1.0和PM0.5的净化效果一直不理想,原因在于:对于小于0.5μm超细颗粒物PM0.5,几乎所有靠通过阻挡办法的过滤材料都没有好的效果,因为特别小的粒子都能钻过去,就像蚊子能钻过防护栏杆样。PM0.5在PM2.5中的质量占比不高,但数量浓度比却接近90%,与居民健康危害的关系最为显著(粒径越小,健康危害更大。颗粒物的粒径越小,对应的数量浓度和总表面积越大,越有可能吸附更多的有害物质,对人体健康危害越大)。

镁基层状氢氧化物(简称:镁基水滑石)材料是一类新型的环境净化材料,具有独特的性能:1)镁基功能材料具有资源易得、环境友好、性价比高的特点;2)有弱碱性特征的镁基材料具有优良的缓冲性、吸附性能以及作业安全、产物无害等独特优势。作为一类片层结构固体碱材料,其片层结构表面带正电荷,存在大量活性羟基官能团。通过控制晶体生长,片层结构相互垂直堆叠,形成不同形貌、不同孔结构。以段雪院士为核心的化工资源有效利用国家重点实验室通过多年实践,攻克了水滑石材料工业化制备技术,促进了水滑石材料的清洁生产。近年来,镁基水滑石材料在环保吸附等领域的应用报道逐年增加;将其用于废水处理具有效果好、操作安全、pH易控制等特点;其对酸性、中性和硫化染料的吸收效果均好于活性炭;对染料废水、甲醛、挥发性有机物也表现出优异的吸附性能。

镁基水滑石其独特的性能,在空气净化过程中具有潜在的应用价值。借助水滑石片层结构表面带正电荷,且存大量活性羟基官能团的特性,能够有效的与小颗粒形成静电相互作用,将其吸附到表面;利用其碱性特征,能够有效吸收酸性气体分子;通过控制主体层板缺陷位结构,通过离子交换疏水长链,调控层间环境的极性,通过吸附增溶作用,可吸附甲醛、挥发性有机物等有机分子;通过调控主体层板元素组成,合成制备具有抗菌性能的水滑石材料。

镁基水滑石材料用于空气净化存在一个关键难题:传统水滑石是粉体材料,在处理废水过程中可直接加入到水体中,操作简单。但是将粉体材料直接用于空气净化是不现实的,不仅起不到净化效果,还会引起粉尘污染。

北京化工大学化工资源有效利用国家重点实验室陈伟副教授和宋宇飞教授结合课题组多年来在水滑石功能膜材料研究方面取得的研究经验,从自然界中植物叶片可有效净化空气获得启发,围绕镁基粉体材料在吸附分离方面的优异性能,提出“预埋种子-外延生长”法,制备多重功能过滤膜材料,实现镁基水滑石在膜上的均匀分散和稳定负载。解决传统镁基水滑石粉体易于团聚、流失以及成膜操作性差等问题,进一步推动镁资源在环境净化材料方面的实际应用。通过调控水滑石晶体结构与尺寸大小调控,采用二次生长的策略,制备不同孔径的的多孔水滑石膜材料,水滑石片层与纳米纤维结构交错穿插的结构,延长过滤路径,多孔结构增强与空气中各种污染物的相互作用面积;借助镁基水滑石对不同污染物的吸附净化性能,探索净化机制,发展一类兼具多重功能的环境友好的空气过滤膜材料,净化室内空气,为受环境污染困扰的人们营造一个安全、健康、舒适的生活环境,为将来可能突发的更加严峻的环境大气污染提供技术积累。

图示:植物叶片和镁基水滑石膜材料吸附颗粒物图

参考文献:

[1] 樊守彬,张东旭,田灵娣,李雪峰,郭津津,林雅妮,北京市交通扬尘PM2.5排放清单及空间分布特征,环境科学研究,2016年,29卷(第1期),20-28;

[2] 赵文慧,北京市可吸入颗粒物污染的空间分布特征与影响机理,硕士学位论文,2011年;

[3] 何骁生,空气污染物及其组分与心肺疾病死亡、冠心病发生的流行病学研究,博士学位轮,2014年;

[4] 陈金花,卢军,室内空气污染治理的研究进展,重庆建筑大学报,2007年,29卷(第6期),109-114;

[5] 陈仁杰,阚海东,雾霾污染与人体健康,Chinese Journal of Nature, Vol.35(No. 5),342-344;

[6] 阚海东,《环境空气质量标准》(GB3095-2012)细颗粒物(PM2.5)标准值解读,中华预防医学杂志,2002年,46卷(第5期),396-398;

[7] 北京市环保局,《2016年北京市环境状况公报》,2016年;

[8] 侯景新,治理北京空气污染正当时,视点纵横,2014年,76-77;

[9] 段雪,张法智,插层组装与功能材料,化学工业出版社,2007年;

[10] 段雪,陆军等,二维纳米复合氢氧化物结构、组装与功能,科学出版社,2012年;

[本文作者:北京化工大学化工资源有效利用国家重点实验室陈伟副教授]

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