木制过滤板吸附尘霾试验效果分析

    张莉 杨春梅

    

    

    

    摘要：

    根据近年来我国大气污染情况较为严重，以及冬季北方长时间没有绿色植物的的现状，本文介绍了一种可以放置在城市道路绿化带上的木质过滤板，以实现在冬季代替绿色植物对大气污染物进行吸附，降低空气污染的目的。参照国家标准，通过对木质过滤板进行实地道路试验，结果显示，经过过滤板的PM2.5平均值比之前的数值低15%左右，说明木质过滤板对PM2.5具有一定的吸附能力。试验板能谱分析中检测出C、N、Pb、F等元素，说明木质过滤板不仅可以过滤道路交通导致的污染物，还能够吸附大气中的其他污染物，起到一定的隔绝污染物、净化空气的作用。

    关键词：

    木片；过滤板；大气污染；净化

    中图分类号：S 792；X51文献标识码：A文章编号：1001-005X（2018）01-0051-05

    Abstract：

    According to the serious situation of air pollution in our country in recent years and the absence of green plants in winter in the northern part of China，this paper introduced a wooden filter plate that can be placed on urban road green belt，in order to achieve the air pollutants adsorption in winter instead of green plants，to reduce air pollution.Referring to the national standards，the wooden filter plate was tested on the road.The results showed that the average PM2.5 of the filter plate was about 15% lower than that of the previous value，indicating that the wood filter board had a certain adsorption capacity for PM2.5.The C，N，Pb and F elements could be detected in the spectrum analysis.It showed that the wooden filter plate can not only filter pollutants caused by road traffic，but also adsorb other pollutants in the atmosphere，and play a role of isolating pollutants and purifying air.

    Keywords：

    Chipper；filter plate；atmospheric pollution；purify

    0引言

    我国城市空气质量不容乐观，在2013年按照新标准第一阶段实施监测的74个城市中，只有3个城市空气质量达标。其中涉及到的大气污染物主要为SO2、NO2、PM10、PM2.5等，合格率仅为4.1%，超标城市比例达到了95.9%[1]，由此可见，我国的大气污染覆盖范围很广，且部分城市的污染情况十分严重。监测数据表明，我国城市环境污染的类型，正在由煤烟型向煤烟污染与车辆排气污染混合型或排气污染型转化[2]。城市中约60%～70%的大气污染是由机动车尾气排放造成的，所以对于大气环境污染的控制，很多人首先将目光放在了对汽车尾气排放的控制方面上[3]。1968年，美国正式颁布了世界上第一个汽车尾气污染物排放标准，标准实施后，汽车排放的CO和HC比未控制前分别减少了39%和41%[4]。在这之后，日本和欧洲紧跟美国的脚步，纷纷出台了适合自身情况的尾气排放控制标准[5]。在我国，对由交通活动带来的大气污染则意识较晚。直到1981年，我国才开始制定机动车污染物排放标准[6]，1993年才颁布了相当于欧洲20世纪70年代的汽车尾气排放标准[7]。但随着人民生活水平的提高和机动车行业的不断发展，我国的汽车保有量迅速增长，随之带来的是汽车尾气对大气污染的分担率不断提高。在部分特大城市中，机动车排放物已成为城市空气污染的主要来源[8]。

    在污染形成后的治理方面，人們首先想到的是绿色植物。研究表明，城市中植被覆盖面积越大的地区污染物浓度越低，因此可以利用对污染物不敏感的植物对污染物进行吸附，城市绿化就是其中的一种实现手段[9-10]。植被叶片因其表面性能（如茸毛和腊质表皮等）可以截取和固定尘霾颗粒物，使颗粒物脱离大气环境，因而成为消减城市大气环境污染的重要过滤体[11-12]。我国在这方面的研究始于20世纪70年代末，系统地研究了城市绿化带配置、管理等对城市园林绿化的生态效益的影响，逐步推出了推进城市绿色生态化建设工程的相关政策[13-15]。研究结果表明，绿化带可以起到降风沙、防粉尘、降温增湿、净化空气、降低污染、美化环境的功效[16-17]。但是选用植物来净化空气的这种方法在北方寒地却有很大的局限性，因为几乎所有的绿化带在冬季基本都处于休眠状态。以哈尔滨为例，全年约有7个月的时间树木是没有叶片的，没有叶片的植株对于空气的净化能力将被极大程度地削弱，因此，北方地区急需一种能够在秋冬季节净化空气的方法。

    1木质过滤板制作概述

    木质过滤板是为了解决冬季北方城市道路绿化带无绿叶现状，而研制的一种既能够吸附和过滤交通环境中的污染物，又具有城市美化功能的多功能木质板。木质过滤板的制作原料是白松木，首先利用削片机和粉碎机将白松木加工成木质过滤板所需要的具有合适厚度和长度的木条。由于本试验所使用的木质过滤板主要是为了研究木板本身在自然风力条件下对于大气中悬浮颗粒物及有害气体的吸附性，因此在制作过程中要求尽量少地使用乳白胶，以减少乳白胶在试验过程中对试验结果产生的影响，施胶量应控制在使木条之间能够刚好粘合即可。本次试验中，按照约2∶1的比例，将乳白胶与木条均匀混合。依据目前城市道路绿化带植被通常被修整为高度为60 cm的实际情况，将混合均匀的木条铺装在预先做好的模具中，在铺装的过程中要保证尽量均匀，使过滤板内部各处的密度保持一致，大约为20 kg/m3。最后通过压机施压、烘干处理，达到试验用板的要求，如图1所示。根据本次道路试验用过滤板的基本尺寸，从压制好的过滤板中截取规格为60 cm×6 cm×60 cm的标准试验样板，剩余的过滤板作为对比板分析时使用。

    2木质过滤板道路试验

    2.1试验简介

    木质过滤板的试验地点为大庆市火炬新街建设大厦旁，试验现场如图2所示。在天气允许的条件下连续监测7个工作日，监测项目为试验板前后的PM2.5濃度。根据监测结果判断木质过滤板对空气中尘霾颗粒物是否有过滤功能，以及实际的过滤效果。受试验条件等的限制，每日累计采样的时间选定为8 h，试验中的其他操作均根据《环境空气质量标准（GB3095-2012）》中针对颗粒物的监测数据统计的有效性规定执行。

    2.2试验结果

    每天试验监测后得到8组数据，选取其中5组作为有效数据取其平均值，用来计算当天的日PM2.5平均浓度。

    PM2.5的浓度计算公式：

    式中：ρ为PM2.5的浓度，μg/m3；ω2为采样后滤膜的质量，mg；ω1为空白滤膜的质量，mg；V为已换算成标准状态（101.325 kPa，273 K）下的空气采样体积，m3。

    试验期间的天气状况及经过计算后得出的PM2.5的浓度、过滤效率结果，见表1。通过得到的数据可以看出，木质过滤板对PM2.5的确具有较为明显的吸附能力。通常情况下，木质过滤板对PM2.5的过滤效果大约为13.5%。从表1中可以看出，试验期间的湿度变化不大，基本可以排除湿度对试验结果的影响。

    3试验板检测及能谱分析

    3.1采样

    为了使检验结果能够更加准确地反映真实情况，在试验板上采样时采取间断地任意选取三处采集点，采样深度随机选择，同时在对比板上取1个样本，共4个样本。

    3.2样本检测

    选取的样本经过喷金处理后就可以进行电镜观察。对比板的电镜图像如图3所示。从对比板的电镜图像上可以看出，木片的表面覆盖着一些制作过程中使用的乳白胶，还有一些极其细微的颗粒物，这些是试验板在处理过程中吸附的一些尘霾颗粒物。条状物是样本木片表面的木纤维，圆形孔洞是木片上的气孔。从总体上看，对比板样本的表面较为洁净，颗粒物较少。

    试验板的电镜图像如图4所示。通过图4能够看出，样本表面覆盖着很多粒径大小不一的颗粒物，相比图3的对比板，颗粒物的数目大量增加且密度也较大。有些颗粒物呈棱角分明的粒状，还有些颗粒物呈絮状。从试验前后过滤板的电镜图像可以看出，试验之后的过滤板表面附着大量的颗粒物，由此可以说明木质过滤板对大气中的悬浮颗粒物是有着较为明显的吸附功效。

    3.3能谱分析

    本试验是在自然风力条件下进行的，表面物质的覆盖率较低。为了保证不遗漏含量较低的污染物，使之能够被比较精准地检测到，在进行能谱分析的时候，不宜使用大范围面积的扫描，只能选取特定的颗粒物逐个进行点分析。根据交通环境中空气污染物的主要组成元素，检测时选取C、N、S、Pb、F作为检测对象。

    利用能谱仪在对比板样本上选取一整片区域进行了面块扫描，如图5所示。通过成分分析，能够直观地观察到在这一片地区的表面成分，如图6所示。

    在图6中，曲线的高低代表各元素在能谱分析中被计数的次数，即原子含量的多少；横坐标轴代表各元素的结合能大小，用来区分各元素的种类。图中的Au元素是在喷金操作中粘附在样本表面用于辅助探测，它有两个峰，分别为主峰及副峰。Au元素在分析时会被自动排除，不影响对样本的检测及分析。曲线图中的横、纵坐标轴上的数值与最终结果中各元素的含量无直接关系；曲线中不同尖峰的峰高与含量无对比关系。在这片区域的扫描结果中，碳含量最高，且远高于其他两种被检测出的N、O元素，是因为木材主要是有C元素构成的。由于对比样本版没有经过任何试验，因而成分结果中没有检测出除木材本身组成之外的元素。

    试验板①号样本扫描示意图如图7所示。图7中，对泡沫状的目标颗粒物进行区域扫描，扫描范围如图中方框所示，其能谱分析曲线如图8所示，其所含元素种类较为复杂，N、Ca、Si、Al、Fe元素含量都较高。

    试验板②号样本扫描示意图如图9所示。图9中，一颗直径约10μm的颗粒物刚好嵌入了木纤维之间的缝隙，这说明木质过滤板的表面能够嵌入空气中的颗粒物。对该颗粒物进行小范围的扫描分析，能谱图如图10所示。在这个颗粒物中，Si、Ca、Fe、Al元素的含量较高，由此可判断其本体是一颗以SiO2为主要成分的砂粒。

    试验板③号样本扫描示意图如图9所示。图9中，对一个块状颗粒物进行了小范围扫描分析，能谱图如图12所示，扫描结果与②号样本的结果相似，Si、Ca、Fe、Al元素的含量较高，其本体可能是一颗砂粒。

    以上分析可以看出，对比板的主要成分是C，这是木材的基本成分。然而试验后的过滤板中，N元素的含量大幅增加，由于在进行能谱分析时已提前将样品室内气体抽出，使之形成真空状态，所以这些N元素就是来源于交通环境中附着在过滤板样本上的NOX。样本被检测出含有Pb元素，除了来源于车辆的活动外，火力发电、印刷、铅制产品的生产和垃圾焚烧的过程中都会或多或少地造成铅污染。在本次检测过程中着重对S元素进行了检测，但是没有检测出该元素，说明空气中该元素的含量极少。同时，在三个试验样本中均检测出了F元素。此外，还检测出Si、Al、Ca、Fe、O、Na、K、Mg、Ti，这些元素普遍存在于地壳之中，不属于常见大气污染物，在能谱分析中能够检测到上述物质属于正常现象。

    4结论

    木质过滤板道路验结果显示，经过过滤板的PM2.5平均值比之前的数值低15%左右，说明木质过滤板对PM2.5具有一定的吸附能力，过滤板可以使尘霾颗粒附着在其表面。试验板能谱分析中检测出C、N、Pb、F等元素，说明木质过滤板不仅可以过滤道路交通导致的污染物，还能够吸附大气中的其他污染物。因此，木质过滤板吸附尘霾的效果与绿色植物吸附相似。

    由于本次试验使用的木质过滤板受制作和试验条件的限制，因而会对试验结果产生一些影响。

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