厨房油烟中挥发性有机物散发特征及净化技术研究

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烹饪油烟是室内空气中挥发性有机化合物(VOCs)的重要来源,但中国烹饪中常用的油类(菜籽油、大豆、花生、玉米和猪油)的VOCs排放特征及其对人体健康的危害尚不清楚,同时对于烹饪油烟中VOCs的吸附机理及技术尚不清晰,本文开发了油烟VOCs稳定发生装置,并进行油类对散发VOCs的形态分布和健康影响评价,明确油烟VOCs中目标污染物物质,采用蒙特卡洛分子模拟手段发展了油烟中典型污染物(苯、甲醛)的吸附机理,揭示了分子级别的吸附过程,分析了孔径、官能团、水分对于吸附性能的影响,采用新型金属有机框架材料进行油烟中气味物质(己醛)的吸附净化研究,采用密度泛函理论进行了己醛在MOFs吸附点位的讨论,主要贡献与创新如下所示:首先,本文通过喷嘴将油滴均匀喷洒在预加热的壁面上,以获得油烟中恒定的VOCs。分析VOCs结果表明,五种油品的VOCs排放特征相似。醛类是VOCs中浓度最高物质,占比42.1%-74.6%,其次是醇类(5.0%-14.5%)、烷烃和烯烃类(4.9%-9.6%)、呋喃类(2.3%-4.3%)和苯类(0.1%-3.3%)。富含不饱和脂肪酸的植物油比富含饱和脂肪酸的猪油释放出更多的VOCs,而大豆油散发VOCs随烹调温度的升高而升高。在高温下,油中的水通过蒸汽汽提会增加VOCs的排放。此外,在水-油体系中产生的氧化自由基促进不饱和脂肪酸的氧化。在散发的VOCs的健康评价中己醛、苯和呋喃都具有潜在的致癌风险。其次,采用高分辨率测量、建模和模拟相结合的方法对活性炭吸附苯的过程进行了综合研究。给出了微孔活性炭纤维(ACF)和微介孔(CMK-3)两种材料对苯吸附的高分辨率等温线和等位热。研究发现,在极低的压力下(<10-3 P/P0),CMK-3比ACF具有更高的吸附能力,是一种很有前途的室内苯吸附剂。采用Dubinin–Radushkevich模型拟合了低压区域的等温线。此外,用分子模拟结果分析了实验等温线和吸附热,重点研究了油烟中的苯在极低压力下的吸附行为。提出了评价和应用吸附剂的建议,以尽量减少环境湿度的影响。另外,对油烟中小分子醛类(甲醛)进行蒙特卡洛模拟,旨在为极低浓度下的吸附净化甲醛提供新的见解。根据ppm水平下微孔中甲醛的吸附等温线,利用零负荷下的吸附热作为吸附剂-吸附质相互作用的衡量标准,分别考察了微孔大小和微孔活性官能团的影响。通过对甲醛和水的成对势能的吸附机理的分析,提出了水在不致密、不堵塞孔隙的前提下,可能是强化甲醛吸附的性能。最后,本文合成了MIL-101(Cr)、UiO-66、ZIF-8和Cu-BDC四种典型的金属有机骨架(MOFs)材料并用于净化油烟中味道气体(己醛),己醛的吸附能力遵循MIL-101(Cr)(135 mg g-1)>UiO-66(64.3 mg g-1)>ZIF-8(40.3 mg g-1)>AC(35.8 mg g-1)>Cu-BDC(32.5 mg g-1),脱附能力遵循MIL-101(55.5mg g-1)>UiO-66(26.1 mg g-1)>AC(24.5 mg g-1)>ZIF-8(19.3 mg g-1)>Cu-BDC(5.5 mg g-1),表明在MIL-101(Cr)/UiO-66上吸附的己醛要比AC更容易。FTIR分析证实,MIL-101和UiO-66中的Cr-OH/Zr-OH中的O-H,H2BDC中的O-C-O和芳族C-H都是可能的己醛吸附位点。DFT计算进一步揭示,Cr-OH/Zr-OH和H2BDC中芳族C-H是与己醛中C=O相互作用的重要位点。这项研究为通过高度多孔的MOFs材料净化室内醛污染物提供了可能性。
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