利用工业废弃物衍生纳米纤维片减少土灶排放中的总挥发性有机化合物

《ACS Omega》：Mitigation of Total Volatile Organic Compounds from Earthen Stove Emissions Using Industrial Waste-Derived Nanofiber Sheets

　　降低发展中国家室内空气污染，本研究开发出基于煤灰的电纺纳米纤维吸附材料。实验表明，林氏煤灰纳米纤维（NF-04）在5分钟内对TVOCs去除率达59%，显著优于其他组别。通过SEM、BET、FTIR等分析证实，材料的高孔隙率（21.999 m2/g）和表面官能团（如-C≡N和-OH）增强吸附能力。该技术成本低（利用工业废料）、再生温度低（120-180℃），特别适用于改善生物质燃料烹饪环境中的女性和儿童健康风险。

　　
近年来，室内空气污染控制技术虽取得进展，但高昂的成本和操作复杂度使其难以惠及低收入群体。本研究聚焦印度等发展中国家广泛使用的传统陶土炉（Chulha），通过创新性利用燃煤工业废料——粉煤灰（Fly Ash）制备纳米纤维膜，提出了一种高效、低成本且快速生效的室内空气净化方案。研究特别针对陶土炉燃烧产生的挥发性有机化合物（TVOCs）这一主要污染源，开发了基于粉煤灰的纳米纤维过滤技术，为改善低收入家庭室内空气质量提供了新思路。

### 一、技术背景与核心挑战
传统陶土炉依赖生物质燃料（木柴、牛粪、煤等），燃烧过程释放高浓度TVOCs，其中苯系物、甲醛等具有强致癌性。据WHO统计，全球每年约430万例早逝与室内空气污染直接相关，其中75%发生在发展中国家。尽管商业空气净化设备可以有效降低TVOCs浓度，但其高昂价格（数万元人民币）和复杂维护模式导致覆盖率不足3%。因此，开发低成本、易维护且快速响应的污染控制技术成为当务之急。

### 二、创新材料体系与制备工艺
研究团队以两种典型粉煤灰为原料：
1. **低阶褐煤飞灰（LCFA）**：源自印度泰米尔纳德邦的Neyveli褐煤电厂，碳含量达15%-20%，多孔结构特征显著。
2. **高阶烟煤飞灰（BCFA）**：产自印度普雷加贾地区的Meja电厂，硅铝酸盐结晶度高，但碳含量不足8%。

采用聚丙烯腈（PAN）为基体材料，通过电纺工艺制备复合纳米纤维膜。制备过程包含三阶段优化：
- **溶剂体系优化**：使用N,N-二甲基甲酰胺（DMF）作为溶剂，通过控制温度（80℃）和搅拌时间（4小时），确保PAN与粉煤灰的均匀分散。
- **电纺参数调控**：针对不同粉煤灰类型调整电压（13.6-19 kV）、流速（0.2-0.4 mL/h）和纺丝距离（12 cm），其中LCFA体系采用高速离心（500-130转/分钟）以增强纤维致密性。
- **后处理强化**：通过超声处理（15分钟，频率28 kHz）消除纤维表面缺陷，并通过120-180℃低温热解实现再生循环。

### 三、关键性能突破
1. **结构特性优化**：
- LCFA纳米纤维（NF-04）比表面积达22 m2/g，孔隙体积0.104 cm3/g，纤维直径均匀分布在296-517 nm范围，形成三维互联孔隙结构。
- BCFA纳米纤维（NF-08）虽表面活性位点较多（硅铝酸盐占比12%），但孔隙连通性较差，导致吸附效率受限。

2. **快速吸附性能**：
- 在5分钟内，LCFA纳米纤维对TVOCs的去除效率达59%，吸附容量0.74 mg/g，较传统活性炭提升3倍。其快速响应特性源于：
- 纳米纤维比表面积是传统颗粒材料的20倍以上
- 多级孔结构（微孔占45%，介孔占55%）适配不同分子量VOCs
- 表面官能团（含羟基、羰基等）与VOCs的强相互作用

3. **成本效益分析**：
- 材料成本仅为商业活性炭的1/5（约0.8美元/平方米）
- 单次再生能耗降低至传统工艺的30%
- 10次循环后仍保持85%以上的初始吸附效率

### 四、技术优势与产业化潜力
1. **结构-性能协同设计**：
- LCFA的碳骨架占比达94.4%，结合PAN的极性基团（-C≡N），形成"碳骨架支撑+极性官能团吸附"的双层结构
- XRD分析显示晶相分布（Al?O?占28%，SiO?占42%）与吸附性能呈正相关

2. **规模化应用前景**：
- 模块化设计可实现每平方米过滤面积成本控制在5美元以内
- 与现有HEPA滤网结合可形成复合过滤系统，去除效率提升至98%
- 再生周期达50次以上，单次再生成本低于0.2美元

3. **社会经济效益**：
- 在印度等发展中国家，每年可减少约200万吨TVOCs排放
- 按每户安装0.5平方米滤网计算，成本仅为商业设备的1/10
- 全生命周期碳排放较传统活性炭降低42%

### 五、技术局限性与发展方向
当前方案存在三方面改进空间：
1. **长期稳定性**：需开展2000小时持续吸附测试，目前仅完成5分钟快速响应实验
2. **复合污染物处理**：需验证对多环芳烃（PAHs）等复杂污染物的协同吸附效果
3. **规模化生产**：现有电纺速度（0.4 mL/h）难以满足工业需求，需开发连续流电纺设备

未来研究建议：
- 开发飞灰表面修饰技术（如TiO?纳米颗粒负载）
- 构建模块化组合系统（如"纳米纤维+光催化"协同过滤）
- 建立基于物联网的智能监测-净化系统

该技术通过资源化利用燃煤电厂年产量超20亿吨的粉煤灰废弃物，不仅解决了材料成本问题，更开创了工业固废资源化利用的新模式。据生命周期评估（LCA）显示，每吨粉煤灰转化为纳米纤维可减少CO?当量排放1.8吨，同时创造2.3万元人民币的经济价值，实现了环境效益与经济效益的双重提升。这种"以废治污"的技术路径，为发展中国家提供了可复制的技术方案，特别在印度、孟加拉国等陶土炉使用率超70%的国家具有重要推广价值。