《Science of The Total Environment》：Life cycle assessment and costing of indoor VOC removal via electro-absorption and in situ electrochemical regeneration of activated carbon
编辑推荐：
新型室内空气净化系统通过电吸附与原位电化学再生活性炭技术有效去除苯，经生命周期评估和成本分析，结果显示系统健康风险降低90-93%，环境足迹减少30%-73%，经济成本为0.11-0.13元/立方米，优于传统通风和活性炭再生方法。
Rafael Granados-Fernández|Javiera F. Gutiérrez-Espinoza|Alberto Rodríguez-Gómez|Manuel A. Rodrigo|Justo Lobato|Carmen M. Fernández-Marchante
卡斯蒂利亚-拉曼查大学化学工程系，Enrique Costa Novella大楼，Camilo José Cela大街12号，13004，Ciudad Real，西班牙
摘要
本研究评估了一种新型室内空气净化系统的可持续性表现，该系统结合了电吸收和活性炭（AC）的原位电化学再生技术，专门用于去除苯。比较了两种配置：（1）使用带有电化学再生活性炭的净化器进行间接处理；（2）使用结合吸附、电吸收和原位活性炭再生的电化学电池进行直接处理。进行了全面的生命周期评估（LCA），涵盖了人类毒性、全球变暖潜力、淡水生态毒性、资源使用以及生命周期成本（LCCA）。这些系统将与癌症相关的人类毒性影响降低了90–93%，提供了一种比未经处理的室内空气或传统通风方法更安全的替代方案。集成系统（案例2）在所有评估类别中始终实现了最低的环境负担，减少了约30%的负面影响。评估结果显示：臭氧消耗量为3.9·10?7 CFC11当量，水消耗量为2升，淡水生态毒性为52.1 PAF·m3·天，每立方米处理后的空气产生的全球变暖效应为26.8克二氧化碳当量。与传统的电网相比，使用可再生能源可将毒性影响降低70%以上；与未经处理的空气相比，可降低97.5%。原位活性炭再生将材料使用量减少了87%，环境足迹减少了73%。成本分析证实了该系统的经济可行性，每立方米处理后的空气成本仅为0.11–0.13欧元，支持将其作为减少室内挥发性有机化合物（VOC）的竞争性和可持续解决方案。
引言
空气污染是全球最严重的环境问题之一，因为它直接威胁人类健康和生态系统（Manisalidis等人，2020年）。在主要空气污染物（氮氧化物、二氧化硫、一氧化碳、挥发性有机化合物、对流层臭氧和颗粒物）中，挥发性有机化合物（VOC）的管理仍相对落后（Gil-Alana和Solarin，2018年）。一般来说，VOC是在常温条件下容易蒸发的有机物质，常见于许多产品和材料、工业工作场所、农业活动以及封闭或受限的工业空间（例如炼油厂的塔架）中。例如，室内VOC来源于日常用品，如油漆、建筑材料、家具和其他制造商品。接触VOC会对人类健康产生显著负面影响，包括呼吸道刺激、头痛、头晕，甚至在某些情况下会导致肝脏和肾脏损伤，以及增加患慢性呼吸道疾病或癌症的风险（Goldstein等人，2021年；Xu等人，2021年）。另一方面，VOC显著促进了光化学烟雾的形成，这一现象因其对人类健康和环境的危害而日益受到关注（Mannucci等人，2015年）。当VOC和氮氧化物（NOx）在阳光下反应时，会生成对流层臭氧。虽然平流层中的臭氧可以保护我们免受紫外线辐射，但对流层中的臭氧却成为一种有毒污染物，对呼吸系统和心血管健康产生不利影响，并恶化城市地区的空气质量（Shao等人，2020年）。此外，这种现象对生态系统也有破坏性影响，它会干扰植物光合作用，改变降水周期，导致干旱并降低农业生产力（Gil-Alana和Solarin，2018年）。
在这种情况下，采取有效措施减少室内空间中的VOC浓度至关重要（Singh等人，2024年）。常见的解决方案包括改善通风以促进新鲜空气循环并去除污染物，以及使用空气净化设备。配备HEPA（高效颗粒空气）过滤器和活性炭过滤器的净化器因其能捕捉细颗粒物和吸附VOC等污染物而受到欢迎（Rodríguez等人，2024年；Sivasubramanian和Subramanian，2019年）。然而，尽管这些技术在捕捉污染物方面很有效，但它们并不能彻底销毁污染物，如果过滤器不定期更换，捕获的污染物最终可能会重新释放到环境中，从而造成二次污染。此外，用于捕捉VOC的过滤器和设备需要进行再生处理才能完全降解污染物。目前，含有活性炭的家用过滤器通常被送往垃圾填埋场，因此VOC并未得到彻底消除。
在工业规模上，通常使用粉末活性炭（PAC）和颗粒活性炭（GAC）。PAC通常被填埋处理，而GAC则通过540°C的热处理在烤箱中再生（Dutta等人，2019年；Larasati等人，2021年），随后进行蒸汽清洗。在此过程中，约有5%到10%的GAC会损失。因此，对于某些行业和特定应用来说，将活性炭填埋处理可能比再生处理更具成本效益（Ohtaka和M，1994年）。因此，有必要探索既能捕捉又能彻底消除空气中VOC的替代方案。
鉴于此背景，电化学技术作为一种处理受污染气体的有前景的替代方案应运而生，包括VOC的降解（Wang等人，2013年）。特别是电化学辅助吸收系统（称为电吸收器），已被证明在捕捉和消除这些化合物方面非常有效。这些设备通过吸收过程将气相中的污染物转移到液相，然后通过电化学降解过程在电极表面生成氧化剂来分解污染物（Arias等人，2022年；Durán等人，2021年；Escalona-Durán等人，2021年；Granados-Fernández等人，2023年，Granados-Fernández等人，2024年）。这项技术比传统系统更高效，因为它不仅能捕捉VOC，还能将其分解，从而消除二次污染的风险。尽管效果显著，但将其整合到家庭应用中仍面临挑战，因为优化工艺并将其与其他净化技术结合仍在开发中。一种直接解决方案是将电吸收器与现有的空气净化系统结合，通过电吸收实现过滤器和活性炭的原位再生，从而提高工艺的可持续性和效率。另一种替代方案是将电吸收过程整合到建筑的通风系统中，直接处理受污染的空气，避免捕捉阶段（活性炭），这可能会提高工艺效率。然而，在这种情况下，需要从液压角度进行更深入的整合。
另一方面，生命周期评估（LCA）已被证明是评估工艺环境可持续性的有力工具（Maldini等人，2025年）。这种方法评估了产品或从原材料提取、生产、使用到处置或回收的整个生命周期，全面关注多个阶段的环境负担。近年来，LCA不仅用于评估工艺或产品的可持续性，还作为决策工具，帮助选择在可持续材料、设计选项、减少排放、能源效率以及成本节约等方面最有利的选择（Pryshlakivsky和Searcy，2021年）。此外，某些环境影响可能不明显（例如，使用或处置过程中的水消耗），使用其他方法可能难以识别。在这方面，值得注意的是，关于电化学过程的LCA研究在现有文献中较少（Rodríguez-Gómez等人，2025b；Rodríguez-Gómez等人，2025a），不包括使用PEM电解槽生产燃料细胞或氢气的能源相关主题（Gulotta等人，2022年）。关于VOC处理，已有的LCA研究主要集中在气相氧化技术上，如实验室规模（Tomatis等人，2019年）或工业规模（Stasiulaitiene等人，2016年）的热氧化系统，以及通过热处理再生活性炭（Gong等人，2022年）和电化学再生废活性炭（Ferrández-Gómez等人，2021年）的研究。然而，这些过程与电化学方法有很大不同，后者更具可持续性，更适合室内空气净化应用，因为它们可以集成到紧凑且安全的净化设备中，在常温条件下运行且不会产生有害副产品。
鉴于上述情况，本研究旨在通过两种不同的方案评估VOC的电化学处理的可持续性：（i）使用基于活性炭的传统净化方法并结合电吸收技术再生吸附材料；（ii）仅使用电吸收技术直接从空气中去除VOC。实验数据用于表征每个系统的输入和输出，并进行了生命周期成本评估（LCCA），以比较两种方法的经济可行性。此外，还分析了未经处理的VOC排放的环境负担，以说明实施处理技术的益处。这项分析有助于确定哪种技术组合在VOC去除和过滤器再生方面表现最佳，为室内空气污染处理提供更高效和可持续的解决方案。
实验数据
LCA使用图1所示装置获得的实验数据进行。该图展示了一个电化学辅助吸收单元，有两种引入污染物（VOC）的方式。在第一种方式中，污染物被吸附在商用空气净化器过滤器中的活性炭（AC）表面上，以便进一步处理（通过电吸收再生AC）。在第二种方式中，污染物通过...
健康和环境影响类别的评估
在本研究中提出的所有环境影响类别中，人类毒性是最重要的，因为苯的排放可能对人类健康造成显著负面影响。图3显示了两种研究情况下与人类毒性（癌症和非癌症类别）相关的环境影响。这一影响类别的表征因子基于相当于比较毒性单位（CTUh）的疾病病例数量。
结论
从这项工作中可以得出以下结论：
-电吸收处理技术结合活性炭的电化学再生被证明比传统替代方案（如强制通风或使用未经再生的原始碳）更有效，且对人类健康的危害更小。
-直接处理气体流（案例2）在所有评估的方面显示出最低的环境影响。
CRediT作者贡献声明
Rafael Granados-Fernández：方法论、调查、数据分析。Javiera F. Gutiérrez-Espinoza：软件、方法论、数据分析。Alberto Rodríguez-Gómez：撰写 – 审稿与编辑、方法论、调查。Manuel A. Rodrigo：验证、监督、资金获取。Justo Lobato：验证、监督、项目管理、资金获取。Carmen M. Fernández-Marchante：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、验证。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能会影响本文报告的工作。
致谢
本研究是在研究项目PID2022-140113OB-I00的框架下进行的，该项目由欧盟（欧洲区域发展基金）和西班牙科学与创新部资助，特此表示感谢。
