吸附型根床动态植物净化对室内空气的净化效果及机理研究

With experimental investigation,mechanisms analysis, and model prediction methods, this study investigate the performance and mechaniam of an sorbent-based dynamic botanical air purification system for removing indoor total volatile organic compounds and particulate matter. The key parameters for the removal mechanisms will be determined. The performance demonstration of the botanical system for residential building application will be conducted through laboratory test and model prediction, which will provide reference data and thereotical basis for the application of botanical air filter in indoor pollutant control. Specific research content of the study include: (1) investigate the roles of plant leaves, adsorbent root bed, moisture in root bed and microbial in plant root in the overall purifying processes and determine corespongding key parameters with well-controlled environmental chamber tests. The target contaminants include the typical indoor volatile organic compounds (toluene) and particulate matter, and the tests will be conducted with concentration levels simulating the typical indoor pollution levels in newly built or renovated residential building; (2)validate the performance of the dynamic plant purification device in simulated newly renovated living room,smoking room,and kitchen environment; (3)establish a mechanistic model of the dynamic botanical purification system, and use the model to predict the purification effect of the botanical air filter in a typical residential building environment and compare with the experimental results.

本项目拟通过实验研究、机理分析及模型预测的方法，研究以吸附材料为根床的植物净化装置去除室内可挥发性有机物及颗粒物的传质机理，确定关键步骤的机理参数，通过验证实验和模型分析预测其在典型居住建筑室内应用中的有效性，为植物空气净化技术的应用提供理论及数据基础。 具体的研究内容包括：（1）利用可控条件的环境舱，分析确定植物叶片、吸附剂根床、根床水分及植物根系及其可能包含的微生物分别在整体净化效果中起到的作用及关键参数,其中研究目标污染物包括典型的室内可挥发性有机物（以甲苯为代表）及颗粒物，浓度水平模拟中国典型新建及新装修室内污染水平；（2）通过创造装修后居室、吸烟环境及厨房油烟环境三种典型室内污染环境，实验验证所研究的动态植物净化装置在典型室内的应用效果；（3）在机理分析的基础上，建立植物净化空气的机理模型，利用模型预测所研究的植物净化装置在典型居住建筑室内的净化效果并与实验结果进行对比。

利用植物净化室内中的甲醛和甲苯等气体污染物进而来改善室内空气品质具有一定的潜力，但这种净化效果绝不仅是植物叶片的作用。文献显示生长在植物根系的微生物在VOC降解中起到一定的作用，但这种作用的微生物学机理，及其在整个净化效果中起到的作用的比例还没有深入的研究。此外，将植物净化应用于典型室内环境中起到的空气净化综合效果缺乏定量的结论。 .本项目主要研究动态植物净化技术（DBAF）去除室内甲醛和甲苯等典型室内空气污染物的性能和以及相应的动力学机理模型。研究内容包括：（1）利用可控条件的环境舱，通过对比实验分析植物叶片、吸附剂根床、根床水分及植物根系及其可能包含的微生物分别在整体净化效果中起到的作用，确定各部分的作用机理及关键参数。（2）在机理分析的基础上，建立植物净化空气的数学机理模型，并利用模型预测所研究的植物净化装置在典型建筑室内的净化效果并与实验结果进行对比验证。（3）实验测试验证所研究的动态植物净化装置在典型建筑室内环境中的应用效果，评估其对实际建筑空气中的污染物的净化能力。.本研究有以下发现：（1）通过具有微生物的根床的动态空气流对于获得有效去除效率是非常必要的，根床中的水分对于维持微生物的必要生活条件和吸收水溶性化合物如甲醛都起到重要作用，植物的作用则是引入和维持有利的微生物群落，有效地降解被根床吸附或吸收的VOC，根据小规模根床实验的结果，植物的存在将除去效率提高了约两倍。（2）本研究中建立的模型可用于找出临界生物降解速率常数，基于本研究的情况和假设，还发现甲醛的临界生物降解速率常数为1×10-5 s-1，这意味着DBAF的生物降解速率必须保持在1×10-5 s-1以有效去除甲醛。对于小尺寸的DBAF，拟合的生物降解速率常数在0.8-1.5×10-4 s-1的范围内。（3）虽然盆栽植物单独在现实条件下不是有效的，但是基于实验室评价和实地演示，本研究中的动态植物空气过滤系统是对于室内甲醛和甲苯的去除非常有效果的。长期性能测试结果表明，DBAF在300天的测试期内依然保持较高的效率，除甲醛率维持在60%以上，除甲苯率维持在30%以上。这些结论可用于评估植物净化技术在典型室内环境下应用的可行性提供参考。. 该项目研究发表高水平SCI论文3篇， 包括1篇SCI一区期刊论文，2篇SCI二区期刊论文。