相对湿度对室内纳米气溶胶迁移与消除的影响研究

Airborne nanoparticles play a unique role in the city’s atmospheric pollution. The evolution of nanoparticles in the air is related to various environmental factors. Atmospheric relative humidity (RH) is known to affect the formation of nano-aerosol, the particle aging, and the resulting physico-chemical properties, including size. But the effect of RH on the particle settlement mechanism has been elusive, due to the complex interplay between air viscosity, surface condensation, adhesion and particle’s hygroscopic behavior. Filtration through fibrous filter media is an effective way to remove nano-aerosol in indoor environment. RH could play an important role in the elimination of nano-aerosol by changing the permeability and pressure drop of fibrous filter media. Therefore, this project is going to investigate the nano-aerosol of different surface characteristics and size in a closed stainless chamber using the on-line monitoring method with the off-line characterization. The particle deposition and coagulation behavior under various RH will be studied and the interaction of water molecules with nano-aerosol will be analyzed. The impact of RH on the filtration efficiency of HEPA (High Efficiency Particulate Air Filter) fibers, as well as that of the emission mode (continuous release vs intense release) on the migration rule of nanoparticles in the indoor air will be obtained. The results help to further understand the removal mechanism of nano-aerosol and provide scientific data for the fair use of humidifier and air purifier in the indoor air.

纳米气溶胶在城市大气污染中具有独特的重要性。纳米气溶胶的迁移演化与诸多环境因素相关，大气湿度影响着纳米气溶胶的生成和老化过程及与尺寸相关的理化性质。但因湿度与空气粘度、颗粒的吸湿增长、水分子在颗粒表面的粘附凝结等之间复杂的相互作用，其对纳米气溶胶沉降机制的影响尚不明确。室内环境中，纤维滤膜的过滤是纳米气溶胶清除的有效途径。相对湿度通过改变纤维滤膜的渗透性和压力损失，在纳米气溶胶的消除过程中有着重要作用。因此，本项目拟利用在线监测方法结合离线表征手段，在密闭的不锈钢腔室内模拟不同表面特征、粒径范围的纳米气溶胶在不同湿度条件下的沉积团聚行为，比较其不同释放方式（瞬时释放和连续释放）下的迁移规律，揭示水分子与纳米气溶胶的相互作用机制及室内纳米气溶胶的去除机理。并在此基础上研究湿度对高效空气过滤器（HEPA）纤维滤膜过滤纳米气溶胶性能的影响，为室内加湿器、空气净化器的合理使用提供科学依据。

纳米气溶胶在城市大气污染中具有独特的重要性。纳米气溶胶的迁移演化与诸多环境因素相关，大气湿度影响着纳米气溶胶的生成和老化过程及与尺寸相关的理化性质。但是，因湿度与空气粘度、颗粒的吸湿增长、水分子在颗粒表面的粘附凝结等之间复杂的相互作用，其对纳米气溶胶沉降机制的影响尚不明确。室内环境中，纳米滤膜的过滤是纳米气溶胶清除的有效途径。相对湿度必然在纳米气溶胶的消除和纳米滤膜的过滤效能方面有着重要作用。基于此，本项目利用在线监测方法结合离线表征手段，在密闭的不锈钢腔室内模拟不同表面特征、粒径范围的纳米气溶胶在不同湿度条件下的沉积团聚行为，揭示水分子与纳米气溶胶的相互作用机制及室内纳米气溶胶的去除机理；对分别使用甲醇、乙醇、正丙醇、纯水和乙醇/水的混合物五种溶剂雾化产生的纳米二氧化硅气溶胶颗粒过滤H13级商业化滤膜的过滤效率和压差进行了实验研究，并结合离散单元法（DEM）对过滤机理进行了探究。结果表明：纳米颗粒吸附的溶剂分子层与滤膜之间的粘附力是影响初始过滤效率的主要因素，而过滤过程中，颗粒间通过溶剂分子层产生的粘附力与颗粒-滤膜之间的粘附力共同对过滤效率产生影响。颗粒-滤膜间粘附力越强，初始过滤效率越高，颗粒平铺在滤膜上形成一次聚集体；颗粒间较强的粘附力致使滤膜上的颗粒发生迁移，颗粒进一步团聚，形成二次聚集体。氢键作用是引起颗粒间二次团聚的主要原因，醇溶剂雾化产生的纳米二氧化硅气溶胶表面含有大量的羟基，醇氢键作用较强，促进颗粒的二次聚集，从而滤膜的布朗扩散捕获能力减弱，初形成的团聚体被气流中的醇分子剥离滤膜表面，导致过滤效率降低。本研究强调了过滤过程中纳米气溶胶的表面亲和性质及颗粒-颗粒和颗粒-纤维之间相互制衡作用的重要性。