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雾霾肆虐全国,材料业能为防霾做些什么?那些新材料能镇住这只“妖”?

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近期,我国多地都出现了雾霾天气,雾霾再次成为人们热议话题的同时,也给我们的生活和健康带来了许多烦恼。那么,雾霾的形成机理和危害有哪些?作为材料人,我们应该关注哪些科技防霾技术?小编整理了相关资料,给大家做个全面介绍。 

雾霾围城 仍是我们当下要面对的现实

雾霾年年有,今冬最严重。

2015年的秋冬,大半个北方频遭雾霾天气,首都北京两个多月内10次拉响重污染预警,其中一次连官方测定数值都将近1000点,相当于“双重爆表”。

而当北方迎来大风,重现蓝天的时候,雾霾又被吹到了南方,包括隔海峡相望的宝岛台湾也陷入了重度污染。

其实,何止是北京,大半个中国,只要是黑河-腾冲线以东的人口密集地带,这个初冬的空气都不好。

 

 

再讲一遍——雾霾对人体的危害

所谓通常意义上的灰尘,又称为扬尘或降尘,属于粗颗粒物[10,100μm],肉眼可见,只要无风,一段时间后就能因重力自然沉降到地面。被人体吸入的,大部分能够为呼吸系统粘膜所黏附,被阻留在鼻腔和口腔表面,并最终能为人体代谢排出,危害性反而没有直观感觉的那么大。

而真正的颗粒物成因和被风和人类活动刮起的灰尘不同,空气中的氮氧化物和碳氢化合物,遇到阳光照射,产生光化学反应,气体分子变成颗粒物。反应多了,就形成“霾”。

原先常用的污染指标PM10,属于中颗粒物[2.5,10μm],又称为飘尘或浮尘,可长期稳定地悬浮在空气中,形成“气溶胶”。它能随吸入的空气穿透咽喉,进入下呼吸道,也被称之为可吸入颗粒物。近年来我们身边增多的咳嗽、鼻炎乃至咽炎,这就是一个最主要的诱因。

而时下热议的PM2.5,属于细颗粒物[0.1,2.5μm],又称为云尘或烟尘,气溶胶可100%深入到细支气管深处,沉积到肺泡里。这将造成类似香烟一般的危害——诱发肺癌。

 

实际上,香烟烟雾的大部分就是PM2.5,而空气净化器在中国通用的测试标准(GB/T 18801—2008),烟尘源就是指定用某一款著名的香烟,这个牌子叫——红,塔,山(这种糟事儿,应该不是广告吧)。更通俗地说,吸了霾,危害就如同在吸二手烟,肺癌的概率在增大。

 

另外,逐渐开始为人重视的PM0.1,属于超细颗粒物[0,0.1μm],被认为还能进一步进入血液循环系统,其所含的有害物质如重金属元素等比PM2.5更能深入人体,因此对健康构成更大的威胁。

既然都能穿透细支气管和肺泡,那即使门窗紧闭,室外的PM2.5也会随着污染的空气,通过各处缝隙扩散进入,导致室内的空气质量同步下降。残酷的真相就是——你躲在室内还是躲不过雾霾。

 

材料人在行动!防霾抗霾治霾的新材料和新技术

石墨烯炭分子筛获国家专利
江苏师范大学化学化工学院的李海涛教授曾于2005—2010年间担任英国剑桥大学化学系生物物理化学实验室副主任,他利用石墨烯的高吸附性,柔韧性,超薄以及环保绿色的优势,将其作为一种过滤材料的核心,选举粒径为500nm的石墨烯碎片,通过一种特殊的物理技术,把石墨烯碎片送入活性炭的细孔并附椎在内表面上,达到增加过滤材料的比表面积,改善过滤效果,研制出一种功能性材料——石墨烯炭分子筛。该材料具有超高的吸附性,且轻薄、稳定、耐热、比表面积大、对人体无害。与同等重量的活性炭相比其吸附性能提高20倍!同时,这种石墨烯炭分子筛新材料还可用于空气质量改善和汽车换气系统滤膜的开发,对环境问题具有很好的解决促进作用;这种石墨烯炭分子筛材料可以合成一种复合膜,可有效去除饮用水中的抗生素。这为水处理特别是饮用水的净化处理提供了一种高效滤材。

目前,李海涛团队已成功研制出可有效吸附过滤掉雾霾细颗粒物的氧化石墨烯炭分子筛。它能有效抵抗气流冲击,解决防霾产品透气性差的问题,并且低廉、环保、寿命长。氧化石墨烯碳分子筛在雾霾防护的应用中起到了至关重要的作用。

 

急需发展的聚酰亚胺纤维
我国快速工业化过程中积累的环境矛盾是造成严重雾霾天气的深层次原因。火力发电、垃圾焚烧发电、水泥、钢铁、有色、化工等高能耗、高污染行业排放的工业废气中含有的可吸入颗粒物是破坏大气环境的首要污染物。据统计,在京津冀区域PM2.5的来源中,燃煤占34%,机动车占16%,其余50%来源于工业、外来运输、扬尘和其他。可见减少颗粒物排放,工业除尘是关键。聚酰亚胺纤维作为袋式除尘器的关键材料,其发展日益受到关注。袋式除尘可以采用多种过滤材料,聚酰亚胺纤维的优异性能决定了它是目前袋式除尘材料的最佳选择。聚酰亚胺纤维具有高强高模的特性,其机械性能优异,在粉尘浓度加大后能够承受较大阻力而不被磨损。

聚酰亚胺纤维还具有耐高温、耐化学腐蚀、耐辐射、阻燃等优异性能,与性能完善、应用相仿的Kevlar 49纤维相比,尽管处理时间稍长,但性能下降比率仅为Kevlar 49的几分之一,各项性能优势显著。水泥、钢铁、垃圾焚烧等领域因产生烟气条件和工况的不同,对袋式除尘滤料的耐温、耐腐蚀性能要求很高,聚酰亚胺纤维能够充分保障滤料的过滤效率,延长其使用寿命,减少更换次数,大大降低企业的停产损失。此外,聚酰亚胺纤维不规则的截面结构特点,大大提高了其捕集尘粒的能力和过滤效率,粉尘大多被集中到滤料的表面,较难渗透到滤料的内部堵塞孔隙。因此,聚酰亚胺纤维对粉尘的捕集能力大大强于一般纤维,竞争优势明显。

作为大型袋式除尘器高温、高端滤料的核心材料,聚酰亚胺纤维在我国已经实现了工业化生产,如中国科学院长春应用化学研究所建成了国内首条300t/a可连续生产聚酰亚胺短纤维的生产线,但总体上我国聚酰亚胺产业规模较小,产能较低,无法满足电力、水泥、钢铁、有色等行业每年7000~8000t的聚酰亚胺纤维需求量,产品严重依赖进口。而全球唯一商业化的聚酰亚胺纤维产品P84由奥地利Evonic公司生产,不仅价格高昂,还对我国实行限量销售,造成国内聚酰亚胺纤维市场需求得不到满足,也限制了我国工业除尘装备技术水平的提高。

 

讨厌的二次有机气溶胶
《Nature》杂志曾于去年底发表了一篇关于二次气溶胶颗粒物对中国雾霾天气重大影响的文章,题为《High secondary aerosol contribution to particulate pollution during haze events in China》。该项研究成果由多家国际著名科研机构所属研究团队共同合作完成,完成单位主要包括瑞士保罗谢尔研究所、中科院地球环境研究所以及瑞士伯尔尼大学等。该研究以中国的极端雾霾事件为背景,选择了北京、上海、广州和西安四个代表城市,利用目前最先进的离线化学分析方法如气溶胶质谱和放射性碳分析技术,并结合多种统计分析法对污染物的化学成分及颗粒物的来源进行了定量分析。研究表明,除了烟尘、汽车尾气、生物质燃烧等一次排放物外,二次气溶胶对PM2.5浓度的贡献达到30%到77%,成为影响雾霾形成的最主要因素。研究发现二次有机气溶胶和二次无机气溶胶对PM2.5贡献相当,这是国际上首次提出二次有机气溶胶在我国冬季重霾污染中的重要贡献。论文指出有效控制二次气溶胶前体物(如NOx、SO2、NH3以及挥发性有机物VOC)的排放,对于降低PM2.5浓度进而减小颗粒物污染带来的环境、经济及人类健康问题有着重要的意义,对中国政府治理PM2.5政策的制定有着指导作用,对于同样处于快速工业化、城市化进程的发展中国家也具有参考价值。

 

透明空气过滤薄片
2015年2月的英国《自然通讯》(Nature Communications)刊登了一项过滤雾霾新技术,由斯坦福大学华裔副教授崔屹及其团队以纳米技术成功研发出能有效过滤PM2.5及以下空气分子的低成本空气净化器滤网——透明空气过滤薄片,为对抗雾霾带来新希望。而崔教授研发团队利用纳米材料聚合物中的一类——聚丙烯腈材料研究的透明空气过滤薄片,可以过滤PM2.5及以下的空气分子,且重量轻、透光性好。该材料通常用于外科医生的手套,是一种直径为头发丝直径千分之一粗细的极微小纤维。

研发团队使用“电旋”(Electrospinning)技术,将液体的聚丙烯腈转化成蜘蛛网状,制成薄膜,覆盖在纱网上,形成透明空气过滤薄片,纤维上的微小气孔可捕获颗粒物。从不同的聚合物溶液中,制造尺寸可控的均匀的纤维过滤器是“电旋”技术的优势之一。这种多功能性使得“电旋”技术成为生产透明纳米纤维的理想工具。

在“电旋”技术中,高电压被施加到含有聚合物溶液的注射器尖端,电力将聚合物溶液推入纳米纤维,并沉积在纳米纤维上。由于电场分布,聚合物纳米纤维横亘网孔形成网络空气过滤。具有不同表面属性的纳米纤维是由聚合物侧链上变化的官能团和使用电子溅射法涂层的不同物质组成,所选择聚合物可用范围宽且成本低。

通过控制透明空气过滤薄片的表面化学面积和微观结构,在严重的雾霾天气展开实验,结果显示:透明空气过滤薄片的透明度达到90%时,空气中颗粒物的去除率将>95%;透明度达到60%时,颗粒物的去除率将>99%;透明度达到30%时,颗粒物的去除率将>99.97%。

 

神奇的“凹凸棒”
由郑尔历、赵春华发明的“一种消除大范围雾霾用使非金属装置矿物材料粉末带静电装置”已获得国家知识产权局实用新型专利证书,这项实用专利的认证通过意味着国内大面积治理雾霾进入实际操作领域。这种大范围消除雾霾“神器”的核心元素是“凹凸棒”。凹凸棒其实就是坡缕石(Palygorskite)或坡缕缟石,这是一种具链层状结构的含水富镁硅酸盐粘土矿物,由于凹凸棒石粘土具有的特殊的物理化学性质和工艺性能,使其在石油、化工、建材、农业等方面得到广泛应用。正是由于凹凸棒具备的特殊物理性质,让凹凸棒治理雾霾成为可能。

该专利正是利用凹凸棒粘土的极强吸附力,并通电产生正负离子再度强化絮凝反应,使PM2.5;P;M0.5;二噁英等严重空气污染物就地进行吸附于带电离的凹凸棒上,以自然沉降的方式落地,不再排放到大气中,从而彻底解决极细小颗粒物污染大气产生雾霾的根源性问题。

 

雾霾天怎么上体育课?
在雾霾最严重的时候,北京汇佳学校也没有停课。汇佳学校的全部体育场馆都采用了一种特殊的建筑方式:气膜建筑。据汇佳学校体育中心主任李玉介绍,学校一共有四个气膜场馆,其中有一个是马场。孩子们在气膜场馆内运动可以不受天气和环境的限制,过滤空气中的颗粒物,防止雾霾进入室内,保证室内空气质量。

气膜馆可以隔绝雾霾,最关键的因素就在于其建筑原理。气膜建筑是采用内外气压差支撑的新型建筑结构,利用建筑内外气压差,配备一套智能化的机电设备在建筑内部提供空气的正压,把建筑主体的膜结构支撑起来。由于气膜建筑是一个封闭的环境,所有进入馆内的空气都是通过换气设备抽取室外空气输送进入室内,因此室内所有空气在输送过程中就已经经过了净化处理,室外的尘埃颗粒难以进入建筑内部,保证了馆内空气洁净。

其实,从建筑成本上来看,气膜建筑造价相对于砖混结构建筑节省一半以上,建成后不需要额外的装修,并且配备了照明、采暖制冷、空气净化等多种设施。气膜建筑施工时间短,在半个月左右;可以反复拆卸;使用寿命却长达二三十年,是近年来一种新型的建筑形态。

 

最后用柴静《穹顶之下》的几句话做结:

——当一个产业正在被淘汰的时候,会有另一个产品冉冉升起。政府最重要的是不要去补贴那些已经要被时代淘汰掉的落后和污染还有亏损的产业,你要给新兴的产业,给它们公平竞争的机会,它们会带给你惊喜。

——成千上万个孩子正在孕育、正在出生,这些河流、天空、大地应该是属于他们的。我们没有权利只知消费,不知克制,我们没有权利只知抱怨,不知建设,我们有责任向他们证明,一个被能源照亮的世界,同时可以是洁净和美好的。

 

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