一种利用富含碱性矿物质的生物炭（该生物炭来源于牲畜粪便）来控制室内气体污染物的高效被动策略

《BUILDING AND ENVIRONMENT》：A high-performance passive strategy for indoor gaseous pollutant control using alkaline mineral-rich biochar derived from livestock manure

本研究采用可持续的非动力吸附剂——动物粪便衍生生物炭（LMB），有效去除室内甲醛、硫化氢和氨气污染物。实验表明，LMB在2小时内去除97.6%的1ppm甲醛，30分钟内完全去除≤3ppm硫化氢，60分钟内完全去除5ppm氨气。机理分析表明，吸附性能源于多孔结构、表面官能团和碱性矿物成分的协同作用，且LMB可低成本生产，助力循环经济。

　　

崔叶彬|金永贤

韩国全北国立大学环境与能源系，全罗北道全州市德津区白济大路567号，邮编54896

摘要

由于有害气体污染物（包括挥发性有机化合物和无机异味气体）的积累，有效管理室内空气质量（IAQ）已成为一个重要的公共卫生问题。本研究提出了一种可持续的、无需动力的被动吸附策略，利用来自牲畜粪便的生物炭（LMB）来去除甲醛（HCHO）、硫化氢（H₂S）和氨（NH₃）。LMB通过长时间高温热解（700°C，4小时）合成，以确保其芳香结构的稳定性，并具有发达的中孔结构和丰富的原料来源的碱性矿物质（Ca、K、Mg）。在校正了自然室内衰减因素后的试验中，LMB表现出显著的去除效率：1 ppm的HCHO在2小时内被完全去除，而H₂S（≤ 3 ppm）和NH₃（5 ppm）分别在30分钟和60分钟内被完全去除。观察到的H₂S去除效果得益于碱性矿物质的化学吸附和化学计量中和作用。机理分析表明，其优异性能归因于物理孔隙填充、与表面官能团的氢键/配位作用以及无机成分的不可逆化学固定等多种协同效应。此外，基于情景的建模评估了LMB的可扩展性，预测实际使用剂量可以在住宅规模的空间内有效减轻污染物。总体而言，本研究表明LMB是一种有前景的、成本效益高的广谱吸附剂，既能改善室内空气质量，又能通过将农业废弃物升级为功能性材料来促进循环经济。

引言

在当代社会中，由于人们大部分时间都在室内度过，室内空气质量（IAQ）的管理已成为一个重要的公共卫生挑战。影响IAQ的主要因素大致分为颗粒物（PM₁₀和PM_2.5）和气体污染物，如挥发性有机化合物（VOCs：甲醛（HCHO）、苯、甲苯、二甲苯等）、二氧化氮（NO₂）和臭氧（O₃）[1,2]。这些污染物通过多种途径在室内环境中积累，包括建筑材料和合成家具的排放、烹饪和清洁等室内活动，以及室外空气的渗透[[3], [4], [5]]。此外，室内空间中O₃、自由基、氮氧化物（NO_X）和VOCs之间的化学反应会产生二次污染物，包括二次有机气溶胶（SOA）和低分子量羰基化合物（例如HCHO）。此外，表面吸附的污染物重新释放（称为三手烟）也是恶化室内空气质量的一个重要因素[6,7]。

通常，室内污染物通过通风和空气净化技术来控制[8]。虽然自然通风是一种代表性的方法，可以无需能耗即可稀释污染物，但它有明显的局限性，例如高度依赖外部气象条件，并且会未经过滤地引入室外污染物，如细尘和臭氧[9,10]。机械通风系统可以通过过滤减少外部污染物的进入；然而，它们需要较高的初始安装和运行成本，以及持续的维护[11,12]。相比之下，空气净化器由于成本相对较低且可作为便携式独立装置使用，因此在住宅设施中具有广泛应用优势[13,14]。然而，大多数市售空气净化器专门用于去除颗粒物，在有效控制HCHO、H₂S和NH₃等气体污染物方面存在固有的技术局限性[15,16]。

为了克服基于过滤器的空气净化技术在处理气体污染物方面的局限性，人们研究了利用紫外线（UV）、等离子体和光催化剂的各种主动气体去除技术。紫外线光解可以分解气体物质；然而，这种方法通常存在处理能力低和可能产生有害副产物（包括HCHO）的缺点，这是由于氧化不完全[17,18]。结合紫外线和光催化剂的混合技术已被引入以提高去除效率并减少中间副产物；然而，副产物的产生风险仍然存在，且催化剂材料的高成本仍然是商业化的一个重大障碍[19,20]。等离子体技术具有较高的反应速率，但在高压放电过程中可能产生臭氧和NO_X等副产物[21]。尽管最近开发出了能够在室温下实现完全分解的热催化剂，但由于催化剂中毒和贵金属催化剂的高制造成本，其广泛应用受到限制[22,23]。因此，人们迫切需要开发能够在不依赖额外能源或复杂设备的情况下安全有效地去除室内气体污染物的经济型材料。

来自牲畜粪便的生物炭（LMB）是一种可行的、环保的被动吸附剂，可以克服上述技术的经济和技术限制。虽然牲畜粪便传统上被用作肥料，但在现代农业中大规模使用会带来相当大的环境负担。过度施用往往超出土壤的养分吸收能力，导致氮和磷渗入水体（引起富营养化），以及分解过程中释放出恶臭气体和主要温室气体（如甲烷（CH₄）和一氧化二氮（N₂O）[24]。因此，将这种环境负担重的废弃物升级为生物炭是一种实用的方法，既能固碳又能减轻这些环境风险，同时生产功能性材料[24,25]。LMB是通过热解牲畜粪便制成的，使其成为一种环保的废物回收选择。作为一种高孔隙率和大比表面积的碳质材料，它具有有利于吸附气体污染物的物理性质[[24], [25], [26]]。特别是由于其原料特性，LMB富含天然矿物质成分，在去除SO₂和H₂S等极性气体方面表现出优异的性能。此外，通过相对较低温度的热解过程（< 700°C），其生产成本大约仅为普通活性炭的六分之一[26,27]。

在本研究中，我们使用LMB有效控制了主要的室内气体污染物（HCHO、H₂S和NH₃），并使用实验装置评估了其效果。与现有的使用过滤涂层或活性催化剂的方法不同，我们表征了LMB作为独立被动吸附剂时的去除效率和动力学特性。此外，我们还研究了LMB的物理化学结构特性对每种气体污染物去除机制的影响。本研究的结果有望提供一种可持续的解决方案，能够在不消耗额外能源或额外设备的情况下有效改善室内空气质量。

部分摘录

LMB的制备

用于生产LMB的原料来自韩国永德郡的牛粪。收集的粪便首先在100°C的烤箱中干燥以去除水分，然后使用研磨机（SNSG-1002SS，韩国Hanil公司）进行粉碎。粉碎后的样品经过筛分，得到大约300 μm的粒径范围（CG-20341-50，韩国Cunggye Sieve公司）。将50克干燥后的粪便粉末放入陶瓷容器（AIB-50，Hankook公司）中

LMB的物理化学特性

在本节中，我们表征了来自原料和热解过程的物理化学性质（如元素分析/质量分析、pH值、表面积、形态和官能团），以评估LMB作为吸附剂的适用性[49]（表1，图2和图3）。

热重分析（TGA）和元素分析结果显示，LMB含有1.23%的水分、18.90%的挥发物、48.97%的灰分和30.90%的固定碳（表1）。通常，木质生物炭具有

结论

本研究证明，从牲畜粪便这种普遍存在的环境负担中升级而来的LMB可以转化为一种功能性生态材料。这使其成为一种可持续的被动吸附剂，能够在不依赖外部能源的情况下有效控制室内气体污染物（HCHO、H₂S、NH₃）。

研究的主要发现如下：首先，通过700°C热解过程制备的LMB具有稳定的芳香碳结构

作者贡献声明

崔叶彬：撰写——初稿、资源准备、数据分析、方法学设计。金永贤：撰写——审阅与编辑、可视化处理、监督、概念构思。

数据可用性

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