碳纳米管过滤材料去除室内空气复合污染物的基础研究

Indoor air quality is faced with growing complex pollution of particulate matters (PM), volatile organic compounds (VOCs) and ozone nowadays. Air filtering is an effective approach to solving this problem. Traditional air filters can just remove one kind of pollutants effectively. Moreover, the ability or convenience of regeneration is very poor commonly, which may lead to issues of material waste, secondary pollution and large occupation space. Recently, new air filters based on carbon nanotubes (CNTs) has been developed. However, deep research into the new filters removing complex pollutants was deficient. This research aims to develop a new air filter based on CNTs, which can remove PM, VOCs and ozone simultaneously. Experimental and theoretical study of filtration performance and regeneration will be carried out. The directions of this research are listed below. 1. Select proper substrate material and manufacture method for growth of CNTs, and then develop a new air filter. 2. Test its performance of simultaneous removal of complex pollutants, and optimize the filter design according to experiment results and theoretical analysis. 3. Investigate suitable regeneration methods for the new filter, and test regeneration ability of removing different pollutants. 4. Propose comprehensive evaluation indexes for air filters removing complex pollutants. The research achievement can provide a convenient and sustainable method for control of indoor complex pollution.

室内空气质量面临着日益严重的颗粒物、挥发性有机化合物和臭氧的复合污染问题，空气过滤是应对这些问题的有效手段之一。传统的空气过滤材料大都只针对其中一类污染物，需采用多种去除手段消除室内空气复合污染，且颗粒物滤材无法再生，造成材料浪费、二次污染和占用空间大等问题。本研究旨在开发一种可同时去除这些室内污染物的空气过滤材料，对其过滤性能和再生性能进行测试、优化和理论分析。研究主要包括：1、寻找合适的基底材料和碳纳米管制备方法，开发出新型空气过滤材料；2、测试该过滤材料同时去除复合污染时的过滤效果，根据测试结果和理论分析优化过滤材料设计；3、探究该过滤材料的再生方法；4、提出过滤材料去除复合污染的综合评价指标。研究成果可为控制和解决室内复合污染问题提供便利的、可持续的技术手段。

针对室内面临的颗粒物（PM）、挥发性有机化合物和臭氧引起的复合空气污染问题，目前采用的由高效空气过滤材料和活性炭等吸附材料叠加的传统空气过滤净化装置，存在着效果有限、占地多、阻力大和再生难的问题。本研究针对上述问题，以一种可以同时、高效、低阻、可再生地去除室内复合污染物的基于碳纳米管的新型空气净化材料为目标，对其应用于室内空气品质控制中的若干关键基础问题开展了相关的实验和机理研究，主要成果如下。.首次实验测试了碳纳米管对臭氧和甲醛的去除，通过机理研究发现碳纳米管可化学吸附臭氧，而对甲醛以物理吸附占主导。碳纳米管表面的结构与纯度缺陷是甲醛和臭氧吸附的关键位点，增加其结构和纯度缺陷可以有效地提升其去除臭氧和甲醛的能力。.提出了用于同时去除复合空气污染的碳纳米管微观梯级结构空气净化材料的设计原则。首次以活性碳纤维为基底浮动催化生长碳纳米管，得到的碳纳米管—活性碳纤维微观梯级结构空气净化材料可以低阻高效的去除PM、臭氧和甲醛，与同类型材料相比优势明显。.发现新型空气净化材料负载固态PM对其去除气态污染物没有显著影响，但负载液态PM时则负面影响十分明显。通过电热再生可以实现新型材料对液态PM和气态污染物的有效再生，也可以消除负载液态PM对材料去除气态污染物的负面影响。.基于数理模型与滤材加载试验，发现了纤维状空气净化材料置于空气净化器中时，甲醛洁净空气量呈现随累积吸附量指数衰减的特点。.综上所述，本研究成果实现一种材料对多种污染物的同时、高效、低阻、可再生的去除，其在飞机，汽车，建筑等室内环境的空气品质控制中存在较好的应用前景。.依托本项目，课题组在建筑与环境领域顶级期刊Building and Environment (Q1，IF=4.971)上发表文论4篇，在中文核心期刊暖通空调上发表论文1篇；参加国际会议累计10人次；培养毕业博士、硕士各一名，均获清华大学建筑学院优秀学位论文，其中培养博士获行业顶级学会美国供暖制冷空调工程师学会国际研究生奖学金（全球10-25名）。