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使用智能添加剂改善室内空气质量

使用智能添加剂改善室内空气质量

时 间: 2019-04-11

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摘 要:作者:NicholasDay博士,JoshuaOlsen,JosephThi…

作者:Nicholas Day博士,Joshua Olsen,Joseph Thiebes和Adrian Polliack博士;Diatomix Inc.,美国俄勒冈州比佛顿

 

由于我们暴露在大量的毒素环境中,室内生活环境已经影响到了我们的健康。每天,我们在室内待的时间达到整个生命周期的90%甚至更多,这就意味着我们每天呼吸的3000加仑空气的绝大多数来自我们的居室、办公室和学校1。对我们大多数人来说,我们使用的家具和合成材料已让室内空气质量恶化,而在20世纪中叶,人们用来装饰自己的家和学校的则是更天然的材料。

 

环保署(EPA)和其他组织通过调查研究发现室内空气平均比室外空气差五倍。研究表明很多污染源来自于地毯、涂料、木材着色剂、粘合剂(在木材和塑料制品中)、电脑、电视、典型的家用化学清洁剂、霉菌和大多数气味(图1)等1,2,3。这些污染源释放的挥发性有机化合物(VOCs)包括例如苯、氯甲烷和甲醛。长期生活在依靠空气传播的VOCs环境中会引发癌症,导致肝肾损害、中枢神经系统损伤和免疫系统功能下降。此外,儿童哮喘与环境中的甲醛也有很大的关系。在子宫发育期间母亲接触VOCs会导致小孩更容易得湿疹4,5。2012年世界卫生组织报告显示,全球超过八分之一的死亡是由空气污染引起的。这一发现证实了空气污染是当今世界最大的单一环境健康风险6

 

图1 典型住宅中大量的VOC排放污染源

 

 

含氯污染物处理的热水澡

污染物:氯仿

健康风险:神经系统损害

 

陈旧涂料

污染物:铅

健康风险:神经系统和器官损伤

 

壁炉;木材炉

污染物:悬浮微粒

健康风险:呼吸道疾病,肺癌

 

绝缘管;地板和天花板

污染物:石棉

健康风险:石棉肺

 

未放气的炉灶和加热器

污染物:氮氧化物

健康风险:呼吸问题

 

宠物

污染物:动物皮屑

健康风险:过敏

 

农药;油漆;清洁剂

污染物:VOC及其它

健康风险:神经或器官损伤、癌症

 

岩石和土壤

污染物:氡

健康风险:肺癌

 

计算机和办公设备

污染物:VOC

健康风险:刺激、神经或器官损伤、癌症

 

烟草烟雾

污染物:许多有毒或致癌化合物

健康风险:肺癌、呼吸问题

 

汽油

污染物:VOC

健康风险:癌症

 

泄露或无通风的气体和木材炉灶和熔炉;车库中启动的汽车

污染物:一氧化碳

健康风险:神经损伤,高剂量致命

 

家具;地毯;泡沫绝缘材料;压制板材

污染物:甲醛

健康风险:呼吸道过敏、癌症

 

管道的加热和冷却

污染物:霉菌和细菌

健康风险:过敏、哮喘、呼吸困难

 

 

室内空气化学家已经证明,许多目前在室内环境以及居住者的血液和尿液中发现的化学物质,它们在50年前都是不存在的。7这个问题的出现是因为(人们)提高室内结构的能源效率的社会趋势导致的。尽管提高能源效率可以降低能耗,但不幸的是一个密闭性更好的住宅会限制VOC的排放,因此人们更加依赖空气的转换,将室内质量差的空气与室外质量更好的空气进行交换。来自劳伦斯伯克利国家实验室的Brett Singer博士说,“我们想让人们意识到他们生活在一个封闭的盒子里;任何化学物质或燃烧产品的释放物都会在他们的周围”。8

 

在全球范围内,各机构和消费者越来越了解长期接触室内空气VOCs的风险。在过去20年里,集中式和便携式空气净化产品在市场上迅速发展,它们被用来解决过敏原、污染物和室内空气质量普遍较差的问题。9油漆和涂料行业一直积极努力追求降低产品的VOCs释放量,也开发了吸附空气中VOCs的智能涂料。

 

由于全球城市化趋势和建筑项目的增加,建筑涂料市场持续增长。多年来,许多涂料公司一直致力于建筑涂料的创新,这也增强了人们对环保产品的社会意识。10伴随低VOCs涂料需求的增加,一个新的市场逐步兴起。这些“绿色”产品已成为油漆和涂料市场的新的开发重点。绿色涂料正在成为环保涂料的一个重要范畴。它们毒性较低且更具有可持续性,在全球油漆和涂料行业,市值约达到90亿美元。11

 

 

去除VOC的高性能涂料

 

被动地舍弃一些(含有毒素的)功能性材料或使用(去除VOC的)高性能涂料是一种可行的且令人兴奋的方式,这种方式可以改善室内空气质量。通过在房间的墙壁和天花板涂覆高性能涂料,污染物的有效去除比便携式空气过滤器的净化效果要好得多,这很大原因是由于空气与涂料表面的相互作用效果更好。目前,已经就如何被动去除材料中的臭氧进行了大量的研究。12许多公司正在出售涂料应用中的添加剂技术,该类添加剂可以积极吸收或光催化降解室内空气中的VOCs。这种产品一般均规定有不同的性能范围。

 

这些产品的选择似乎也都有已经证实的性能数据的支持。举个例子,包括Climasan ®内墙涂料(德国Sto基团,Stühlingen),使用光催化技术中和气味和降解VOCs。他们的可见光引发剂是专有的,虽然是丙烯酸酯涂料,但可见光引发剂的固体含量很高。该公司不推荐该产品在高湿度环境使用,如浴室和厨房。

 

另一家公司,Boysen涂料公司(菲律宾马尼拉),已经开发出了一条名为KNOxOUT ®空气清洁涂料的产品线。核心技术是晶体Activ®,这是一种二氧化钛纳米粒子。这种涂料中含有的二氧化钛是一种众所周知的UV光催化剂,它可以降解各种有机分子。这种涂料只针对外墙涂料应用,因为它需要紫外光。Boysen的目标是NOx(一氧化氮(NO)和二氧化氮(NO2)),它们可以被光催化氧化生成毒性较小的NO3。

 

陶氏公司(美国密歇根州米特兰)出售FormashieldTM除醛技术,这类产品是可以与室内空气中的醛类物质反应的一种特殊的聚合物。该涂料技术目的在于去除室内环境中的甲醛。Formashield不需要光线来进行反应,但随着时间的推移会变得饱和,失去除醛效应。它的持续时间取决于室内空气中醛类物质的浓度,外部恶劣的环境及活性降低等等。

 

宣伟公司(俄亥俄州克利夫兰)出售环境友好涂料,使用沸石添加剂吸附VOC。类似于Formashield,一旦饱和,就不能继续去除VOC。此外,倘若VOC含量更高,添加剂饱和速度也更快。

 

 

新技术

Diatomix已经开发出一种专有技术来降低室内空气挥发性有机物,目前该技术还在进行专利审批中。通过将表面积大的硅藻土与专有光催化剂相结合,我们可以利用室内光源来降低VOCs。该催化剂催化效率高且无特异性,几乎所有被环保局定为有害空气污染物的VOCs都可以被催化矿化13,14(将有机分子转化为CO2和H2O)。硅藻是该催化剂的最佳基质,因为硅藻是由玻璃组成的,并且已经被证明能吸附VOCs,通过将催化剂直接放置在VOCs旁边,甚至将催化剂与VOCs接触,则可以增加VOC的降解量。此外,硅藻还具有几乎双倍吸收光的能力,因为它们作为植物天然的叶绿素可以诱捕光线。独特的涂料工艺可以轻易地催化剂沉积在光线更加集中的硅藻孔隙中。VOC吸附和诱捕光线的结合,形成了一种有效的室内污染物去除剂,可以在光的存在下持续运行。

 

如图2所示,合成的催化剂颗粒牢固地锚定在生物二氧化硅表面。通过对模型VOCs降解副产物的监测,Diatomix发现在光的存在下,含有光引发剂的硅藻细胞会迅速捕获VOCs并经过连续地化学反应转化成水和二氧化碳。

 

图2 硅藻的电镜扫描(SEM)–携带光催化剂粒子的硅藻的X射线能谱。

 

VOC和其它化合物完全转化为CO2和水称为矿化。重要的是,我们的系统能够使VOC完全矿化,这是区别于其它去除VOC技术的关键因素。图3是这一效果的简化说明,并强调了可再生过程中催化机理的本质。

 

图3  Diatomix添加剂在加入催化剂的条件下对VOCs的连续循环降解。

 

许多VOC降解添加剂都是以纳米粒子为基础的,包括Diatomix的添加剂。关于纳米粒子的安全性能,目前仍处于研究阶段。将我们的催化剂纳米粒子固定在硅藻上,好处在于浸染(VOCs)和固定的纳米粒子大大减少了健康和环境问题。我们公司针对大于10μm的粒子,不仅可以从纳米体系中除去它,而且也不会让它以对人体呼吸产生伤害的尺寸存在。许多公司一直都在规避销售纳米技术产品,直到经过长期研究证明了它们是安全的,(他们才开始销售)。另一方面,Diatomix的添加剂均是微米级别的粒子,这消除了对人体吸入危险的安全隐患。该添加剂的微米尺寸和持续降解机制使它有别于市场上的其他产品。

 

 

性能

 

市面上任何功能性涂料的性能测试和严谨的测试数据,渠道合作伙伴和消费者自然想要知道。此时采取一些强有力的营销策略对技术供应商和正在推广功能性添加剂渠道合作伙伴是十分有益的。

 

我们在三角公园研发(RTP)实验室(罗利,北卡罗来纳州)进行了去除VOC测试实验。RTP是一个独立的检测机构。本研究遵循ASTM标准D 6670协议,确定室内结构中常见的两种VOC的同时降低;即出现在墙面涂料中的2-丁醇和甲醛。RTP研究发现,Diatomix添加剂加入到平涂配方(含有添加剂的自定义涂料配方)在模拟的可控的室内测试环境中用白色LED灯照明时,并与同样可控的条件(不含添加剂的自定义涂料配方)相比,能显著降低2-丁醇和甲醛的浓度(图4)。

 

图4  独立实验显示,在一个3.62立方米(132英尺3)的测试室中快速去除VOCs,测试室的一侧包括一个1.2×2.4米(4×8英尺)的石膏板,上面涂有Diatomix涂料。在以上两幅图中,蓝线数据(正方形)=基线数据(没有涂料面板的室内);绿线数据(圆圈)=控制涂料,不含Diatomix添加剂的承包商平涂漆;红线数据(十字架)=含有Diatomix添加剂的承包商平涂漆。

 

经过3小时的暴露测试,Diatomix涂料配方使2-丁醇的浓度降低了32%,甲醛的浓度降低了56%。经过24小时的暴露测试,涂料使2-丁醇的浓度降低了91%,甲醛的浓度降低了92%。需要注意的是,涂料在首次处于大量VOCs(如甲醛)环境时具有天然的吸引力,但如果没有加入持续降解VOCs的功能性添加剂,则不会出现这种现象。

 

 

总结

 

室内空气质量通常比室外空气质量差得多,主要是由于室内家具、墙面和涂料将VOCs排放到空气中。室内环境是动态且复杂的体系,需要多种解决方案来改善(和维持)室内空气质量。考虑到越来越多的合成材料被用在室内环境中,改善室内空气质量仍将是一项持续性的挑战。

 

由于墙壁、天花板、门和地板广阔的表面积为降解VOCs提供了“载体”,使用功能性涂料是去除室内空气污染物的切实可行且有效的手段。当然,空气净化器也可以去除室内空气中的VOCs,但墙壁和地面的功能性的涂料是一种比便携式空气过滤器更有效的去除污染物的方法。最近的技术产品,如Diatomix的VOC持续降解添加剂以及市场上的其他功能性涂料添加剂,似乎在油漆和涂料行业中处于前沿新兴领域。

 

 

参考文献

1 Air Pollution, US EPA https://developer.epa.gov/air-pollution/
2 Samet, J.M.; Marbury, M.C.; Spengler, J.D. Health Effects and Sources of Indoor Air Pollution. Part I. Am. Rev. Respir. Dis. 1987, 136 (6), 1486-1508

3 Samet, J.M.; Marbury, M.C.; Spengler, J.D. Health Effects and Sources of Indoor Air Pollution. Part II. Am. Rev. Respir. Dis. 1988, 137 (1), 221-242.
4 McGwin, G.; Lienert, J.; Kennedy, J.I. Formaldehyde Exposure and Asthma in Children: A Systematic Review. Environ. Health Perspect. 2010, 118 (3), 313-317.
5 Herbarth, O.; Fritz, G.J.; Rehwagen, M.; Richter, M.; Röder, S.; Schlink, U. Association Between Indoor Renovation Activities and Eczema in Early Childhood. Int. J. Hyg. Environ. Health 2006, 209 (3), 241-247.

6 WHO, 7 million premature deaths annually linked to air pollution. http://www.who.int/mediacentre/news/releases/2014/air-pollution/en
7 Weschler, C.J. Changes in Indoor Pollutants since the 1950s. Atmos. Environ. 2009, 43 (1), 153-169.
8 Notman, N. Every Breath You Take. Chemistry World. 24 November 2017.
9 Woloszyn, M.; Kalamees, T.; Olivier Abadie, M.; Steeman, M.; Sasic Kalagasidis, A. The Effect of Combining a Relative-Humidity-Sensitive Ventilation System with
the Moisture-Buffering Capacity of Materials on Indoor Climate and Energy Efficiency of Buildings. Build. Environ. 2009, 44 (3), 515–524.
10 Coating Additives Market by Function, Application, Formulation, and Types – 2021. Markets and Markets http://
www.marketsandmarkets.com/Market-Reports/coatingadditivesmarket-1268.html

11 World’s Top Ten Paints Companies 2015 Annual Report.http://www.wpcia.org/news/World’s %20 Top %20ten%20Paints%20Companies%202015%20Annual%20Report.html
12 Cros, C., Morrison, G.C., Siegel, J.A., Corsi, R.L. Long-Term Performance of Passive Materials for Removal of Ozone from
Indoor Air, Indoor Air 2012, 22(1): 43-53.
13 US EPA, O. Initial List of Hazardous Air Pollutants with Modifications https://www.epa.gov/haps/initial-list-hazardousair-pollutants-modifications

14 Huang, Y.; Ho, S.S.H.; Lu, Y.; Niu, R.; Xu, L.; Cao, J.; Lee,S. Removal of Indoor Volatile Organic Compounds via Photocatalytic Oxidation: A Short Review and Prospect.Molecules 2016, 21 (1), 56.

 

 

 

 

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