姚　鑫，陳　猛，范澤云，陳銘夏，施建偉，上官文峰，曹亞裙，張旭東

(1.上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院燃燒與環(huán)境技術(shù)中心，上海 200240；2. 浙江省健康智慧廚房系統(tǒng)集成重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 浙江寧波 315336)

烹飪油煙(cooking oil fumes，COFs)，是指采用食用油煎、炒、烹和炸食物后發(fā)生劇烈化學(xué)變化而產(chǎn)生的油煙霧，包含多種有毒化學(xué)成分，已成為危害烹飪者健康的重要因素[1]。不僅如此，分散在千家萬(wàn)戶的廚房烹飪油煙未經(jīng)處理直排至室外，在城市大氣中不斷累積，成為引起城市大氣霧霾的重要排放源之一[2]，甚至被認(rèn)為是繼工業(yè)排放、機(jī)動(dòng)車尾氣排放之后，空氣污染的第三“元兇”[3]。由此可見(jiàn)，烹飪油煙的凈化對(duì)保護(hù)大氣環(huán)境和保障人類的健康具有重要意義。

近十幾年來(lái)，人們比較關(guān)注餐飲業(yè)的油煙凈化技術(shù)的研發(fā)，而對(duì)分散式的家庭烹飪污染治理研究報(bào)道較少。因此，本論文在介紹烹飪油煙的危害以及主要技術(shù)發(fā)展的同時(shí)，重點(diǎn)對(duì)家庭烹飪污染特點(diǎn)、技術(shù)現(xiàn)狀、未來(lái)發(fā)展以及法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)等方面作了比較全面的分析和論述。

1　烹飪油煙的組成及危害

1.1　烹飪油煙的主要成分

烹飪過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生可見(jiàn)的煙霧，這些煙霧是由油、水蒸氣、液滴、燃燒產(chǎn)物以及冷凝的有機(jī)物組成的微米級(jí)別的粒子。這些顆粒物屬于超細(xì)微粒，總體直徑處于100 nm到2.5 μm之間[4]。從形態(tài)組成上看，主要由顆粒物和氣態(tài)物質(zhì)組成，氣態(tài)污染物主要是一些揮發(fā)性有機(jī)化合物(volatile organic compounds，VOCs)，是異味的主要來(lái)源[5]。

油煙的組成十分復(fù)雜，成分有300多種，主要包括脂肪酸、烷烴、烯烴，以及氧化裂解后的短鏈醛類、酮、醇、酯、芳香化合物和雜環(huán)化合物[6]。蔣燕等[7]采用低溫預(yù)濃縮儀和氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用的分析技術(shù)對(duì)川菜館排放的油煙廢氣進(jìn)行檢測(cè)，共檢測(cè)出14種VOCs，其中苯系物6種(43%，體積分?jǐn)?shù)，下同)、烷烯烴4種(29%)、鹵代烴2種(14%)、酮類2種(14%)。Sjaastad等[8]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，在煎牛排的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量揮發(fā)性的醛類，包括甲醛、乙醛、丙醛、異丁醛、丁醛、異戊醛、戊醛、庚醛、辛醛、壬醛和癸醛。

1.2　家庭烹飪油煙的特點(diǎn)及危害

國(guó)外的烹飪方式與我國(guó)差異很大，食物多為生食或加工為半成品，廚房污染程度較低；而我國(guó)家庭烹飪的溫度高、油量大，同時(shí)加入各種油、鹽、醬、醋，在高溫下這些醬料也發(fā)生化學(xué)變化，因此中式廚房的污染程度很高。一些研究表明，亞洲的烹飪方式產(chǎn)生的PM2.5要多于西式烹飪，分別為30～1 400和20～535 μg/m3[9-10]。Li等[11]分析了中餐、西餐和日餐的廢氣來(lái)研究排放中的多環(huán)芳烴，發(fā)現(xiàn)中式烹飪產(chǎn)生更高的致癌物質(zhì)——苯并芘，其中，西式烹飪是中式烹飪的1/7，而日式的烹飪和快餐幾乎都不產(chǎn)生苯并芘。

我國(guó)居民平均每人每天食用油的消耗量是40 g[12]，3口之家1天消耗食用油120 g，1年為43 200 g，按照目前市場(chǎng)上家用吸油煙機(jī)的油脂去除率95%來(lái)計(jì)算，每年每戶排放油煙顆粒物2 160 g，計(jì)為2 kg，按上?，F(xiàn)有900余萬(wàn)戶家庭計(jì)算，全年全市的排放量就有18 000多t的油煙顆粒物，最近的記者調(diào)查報(bào)告[13]也與上述結(jié)果相符。數(shù)量如此巨大的分散式點(diǎn)源排放出來(lái)的油煙廢氣量是相當(dāng)驚人的。然而，目前我國(guó)對(duì)家庭廚房油煙排放的管理和控制還處于真空狀態(tài)。

在紐約市最近的一項(xiàng)研究中，研究者使用了高分辨率氣溶膠飛行時(shí)間質(zhì)譜儀，發(fā)現(xiàn)烹飪和交通具有相同比重的有機(jī)氣溶膠的排放量，其所產(chǎn)生的有機(jī)氣溶膠占到了30%的總有機(jī)氣溶膠排放量[14]。大規(guī)模的烹飪已被確定是一個(gè)重要的有機(jī)碳和碳元素的貢獻(xiàn)者，包括城市環(huán)境中通過(guò)有機(jī)光化學(xué)，二次有機(jī)氣溶膠形成的縮合的氣態(tài)反應(yīng)產(chǎn)物[4]。

油煙中含有的VOCs大部分為有毒有害物質(zhì)，而苯系物、多環(huán)芳烴類等為致癌物質(zhì)，對(duì)人體健康造成極大的危害。研究表明[15]，在中國(guó)、香港及新加坡，烹飪頻率越高的女性，患肺癌的幾率越大，這與她們經(jīng)常暴露在充滿油煙的廚房環(huán)境中有很大關(guān)系。與其他國(guó)家相比，盡管亞洲的女性吸煙率很低，但是患肺癌的比例卻高于男性[16]。

2　各種烹飪油煙凈化技術(shù)

國(guó)外的烹飪方式產(chǎn)生的油煙濃度低，大飯店一般是采用熱氧化焚燒法，即利用熱氧化反應(yīng)將油煙中的有毒有害成分轉(zhuǎn)化成安全狀態(tài)；中小飯店一般采用催化劑凈化法，通過(guò)催化氧化燃燒將油滴轉(zhuǎn)化為CO2和蒸汽，從而消除污染和異味[17]。

目前我國(guó)家庭廚房所廣泛采用的吸油煙機(jī)，其凈化原理是首先采用機(jī)械過(guò)濾除去大顆粒的油滴和水滴，再經(jīng)過(guò)葉輪的旋轉(zhuǎn)，一方面利用離心力產(chǎn)生慣性分離，另一方面產(chǎn)生氣力輸送作用，通過(guò)過(guò)濾對(duì)油煙起到一定的凈化作用[18]。但吸油煙機(jī)只是將廚房污染轉(zhuǎn)移到室外，在排放口仍然可見(jiàn)明顯的煙霧[19]，污染大氣。

現(xiàn)在普遍采用的油煙凈化技術(shù)主要有以下幾種：機(jī)械式凈化、吸附式凈化、靜電式凈化、洗滌法凈化等。

2.1　機(jī)械式油煙凈化

機(jī)械式凈化法主要包括慣性碰撞、旋風(fēng)分離和過(guò)濾[18,20]。機(jī)械式凈化法設(shè)備簡(jiǎn)單、運(yùn)行費(fèi)用低、維修管理方便，但由于去除效率比較低等缺點(diǎn)，一般只應(yīng)用于預(yù)處理或者是復(fù)合處理法中[21]。

2.2　吸附式油煙凈化

吸附法是利用活性炭或其他多孔材料的吸附特性，吸附去除大部分的顆粒物和VOCs。這種方式對(duì)氣溶膠的去除率為40%～70%，且對(duì)氣味的凈化有較明顯作用，但隨著油煙霧的附著，吸附能力會(huì)逐漸減弱，必須經(jīng)常更換濾料[17]，因此維護(hù)成本較高，且細(xì)菌、霉菌還可能在活性碳上繁殖、發(fā)臭，從而造成二次污染。

2.3　靜電式油煙凈化

靜電式油煙凈化設(shè)備的主要原理是利用陰極在高壓電場(chǎng)發(fā)出來(lái)的電子與油煙顆粒碰撞，使顆粒荷電，再利用電場(chǎng)力使帶電顆粒在捕集區(qū)被捕集，從而實(shí)現(xiàn)凈化分離[22]。與其他技術(shù)例如噴淋、洗滌相比，靜電式凈化技術(shù)在收集和去除油煙方面更加有效[1]。李家勝[23]報(bào)道，當(dāng)靜電式油煙凈化設(shè)備風(fēng)速控制在0.6～1.6 m/s，電極電壓為2.5 kV時(shí)，1～10 μm的顆粒物去除率在90%以上。雖然靜電技術(shù)可以捕集顆粒物并在一定程度上降低了異味，但運(yùn)行效率受一些因素的影響，例如運(yùn)行參數(shù)，烹飪過(guò)程和天氣條件[24]。

2.4　濕式油煙凈化

濕式油煙凈化法是將吸收凈化液(水、化學(xué)藥劑)通過(guò)特殊的裝置形成液膜或液霧，通過(guò)氣液接觸使污染物從氣相向液相轉(zhuǎn)移，從而洗滌吸收顆粒物和有害氣體。李剛等[25]提出“水幕式公共廚房油煙凈化裝置”，處理效率在75%～90%左右；邵偉慶等[26]發(fā)明的“組合式油煙洗滌凈化裝置”，最大凈化效率可達(dá)到80%。洗滌法對(duì)于去除油煙中SO2，NOx等廢氣很有效，但此方法耗水、耗電，運(yùn)行費(fèi)用較高；如果采用循環(huán)水，噴淋裝置容易堵塞，不易清洗；而且設(shè)備龐大，對(duì)于場(chǎng)地比較狹窄的廚房則無(wú)法安裝。

濕式凈化法需要對(duì)洗滌液進(jìn)行無(wú)害化處理。顯然，這種技術(shù)可以用于餐飲烹飪的排放凈化，卻難以適用于家庭烹飪油煙排放的凈化。

2.5　催化凈化法

催化凈化法的原理是在催化劑的作用下，在烹調(diào)過(guò)程產(chǎn)生的污染物在一定溫度下被催化氧化燃燒或分解，轉(zhuǎn)化為二氧化碳和水蒸氣，消除污染和臭味。張大偉等[27]采用浸漬法制備La0.8Sr0.2MnO3負(fù)載型納米催化劑，經(jīng)800 ℃焙燒的催化劑形成了鈣鈦礦晶粒，當(dāng)負(fù)載量達(dá)到10%時(shí)，催化劑對(duì)油煙低溫燃燒的催化活性較高，起燃溫度為198 ℃，300 ℃下催化效率最高，達(dá)到90%。Yang等[28]以Al2O3為載體、MnO2/CuO為活性組分，在650 ℃下焙燒制成球形催化劑，對(duì)油煙進(jìn)行催化，催化溫度200～600 ℃，能將PAHs、硝基多環(huán)芳烴等氧化為CO2和H2O，在200 ℃對(duì)油煙的催化效率達(dá)到了96%。

以上結(jié)果表明，雖然催化燃燒法對(duì)油煙的去除效率較高，但需要在高溫環(huán)境(300 ℃左右)才能進(jìn)行催化反應(yīng)，能耗高、危險(xiǎn)性大，家庭廚房難以應(yīng)用。

各種凈化技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比總結(jié)在表1中。可以預(yù)見(jiàn)，未來(lái)該領(lǐng)域的研究重點(diǎn)在于尋找能夠同時(shí)去除顆粒物與VOCs、總體造價(jià)與能耗都較低、尺寸小、適用于家庭廚房的復(fù)合式油煙凈化技術(shù)。

表1　常見(jiàn)油煙凈化技術(shù)對(duì)比

3　高壓靜電催化耦合凈化技術(shù)

高壓靜電的原理決定了它具有高效捕捉細(xì)小顆粒物的特性，以及對(duì)烹飪油煙的凈化能力[29]。在一定范圍內(nèi)，電壓越高則顆粒物捕集效率也越高，同時(shí)產(chǎn)生更多臭氧。臭氧污染環(huán)境，單獨(dú)的臭氧對(duì)有機(jī)污染物和異味的去除能力很有限。我們的研究表明，在催化作用下O3能實(shí)現(xiàn)對(duì)VOCs的有效凈化，并在靜電催化耦合同時(shí)凈化室內(nèi)PM和VOCs方面取得了進(jìn)展[30]。

將這一原理用于凈化烹飪油煙，主要面臨以下挑戰(zhàn)：1)如何減輕大量油污對(duì)高壓靜電產(chǎn)生的負(fù)擔(dān)；2)如何提高靜電模塊對(duì)PM和油煙的去除效率，最大限度保護(hù)催化劑不受污染。

根據(jù)該原理設(shè)計(jì)了新型油煙凈化模塊，凈化過(guò)程如圖1所示。

圖1　靜電與催化耦合凈化烹飪油煙示意圖Fig.1　Diagram of purification process by electrostatic-assisted catalysis method

該凈化模塊采用三級(jí)凈化處理，第一級(jí)油煙分離單元采用機(jī)械式過(guò)濾格柵，使油煙氣體流經(jīng)過(guò)濾格柵時(shí)，由于慣性作用產(chǎn)生變向、加速，形成湍流和漩渦，使顆粒物與過(guò)濾格柵充分碰撞，最大程度地去除油煙氣體中大顆粒的油滴和水滴。第二級(jí)靜電單元采用靜電捕集原理，分為高壓放電區(qū)和低壓捕集區(qū)，通過(guò)高壓電離作用使油煙顆粒荷電，在通過(guò)捕集區(qū)域時(shí)由于電場(chǎng)作用力而發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而收集在捕集極板上。再經(jīng)過(guò)第三級(jí)催化單元，將油煙氣體中的異味及有害氣體催化分解，去除油煙中的異味及有害氣體。

本課題組建立的脫排油煙機(jī)凈化性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)臺(tái)如圖2所示，測(cè)試方法基本按照GB/T 17713-2011標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

圖2　家庭油煙凈化器油脂分離度測(cè)試平臺(tái)Fig.2　Grease extraction testing platform of home cooking fume purifier

圖3為采用激光顆粒計(jì)數(shù)器在油煙凈化模塊出口端采樣進(jìn)行顆粒物去除效率測(cè)試得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其中藍(lán)色棒狀數(shù)值為空氣中的PM數(shù)值。

圖3　顆粒物去除效率測(cè)試結(jié)果Fig.3　Results of particle removal experiment

從顆粒物測(cè)試的結(jié)果可見(jiàn)，未經(jīng)過(guò)凈化的烹飪油煙中含有大量顆粒物，數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于干凈空氣中的顆粒物數(shù)量，且更多是1 μm以下的超細(xì)微粒；經(jīng)過(guò)凈化后，粒徑為0.3～0.5 μm的顆粒物數(shù)量有所下降，粒徑為1 μm的顆粒物數(shù)量基本去除一半，粒徑為3 μm的顆粒物去除率超過(guò)80%，粒徑為5～10 μm的顆粒物的去除率接近100%。由此可見(jiàn)，該凈化模塊對(duì)于大顆粒有很好的去除效果，顆粒物越大，去除效果越好，對(duì)1 μm以下顆粒物的去除效果不大明顯。

采用便攜式總揮發(fā)性有機(jī)物測(cè)試儀在凈化模塊出口端采樣進(jìn)行TVOC去除效率測(cè)試可以發(fā)現(xiàn)，未凈化的烹飪油煙中總揮發(fā)性有機(jī)物的濃度約為7 849×10-9，凈化后其體積分?jǐn)?shù)降至2 647×10-9，去除率接近70%。

研究表明，高壓靜電催化耦合具有以下技術(shù)優(yōu)勢(shì)：1)靜電與催化耦合，高壓靜電產(chǎn)生的臭氧在催化劑表面快速分解，因而能有效防止臭氧的溢出；2)由于能實(shí)現(xiàn)對(duì)臭氧的控制，為高壓靜電的設(shè)計(jì)提供了更大的技術(shù)空間，所設(shè)計(jì)的靜電模塊能實(shí)現(xiàn)對(duì)PM2.5和更小顆粒物的高效去除；3)利用靜電所釋放出的具有高能量的活性物種(O3等)驅(qū)動(dòng)催化反應(yīng)(克服勢(shì)壘)，使得在室溫下能有效對(duì)油煙排放中的VOCs和異味等進(jìn)行有效、持久催化凈化。

該項(xiàng)技術(shù)具有應(yīng)用于家庭廚房的潛力，但是要真正成為產(chǎn)品，仍然面臨諸如成本與價(jià)格、安裝與維護(hù)等許多挑戰(zhàn)。

4　技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

從20世紀(jì)90年代開(kāi)始，我國(guó)相關(guān)部門開(kāi)始著手制定吸油煙機(jī)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。1999年4月2日，國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局發(fā)布了《吸油煙機(jī)》(GB/T 17713-1999)，并于當(dāng)年10月1日起實(shí)施。該《標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)吸油煙機(jī)的定義、產(chǎn)品分類、試驗(yàn)要求、技術(shù)方法、檢驗(yàn)規(guī)則及標(biāo)志等做了具體的規(guī)定。

2011年10月31日，國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局發(fā)布了《吸油煙機(jī)》(GB/T 17713-2011)，用于替代GB/T 17713-1999《吸油煙機(jī)》。該標(biāo)準(zhǔn)所涉及污染與排放控制的特點(diǎn)變化主要有以下方面：1)將標(biāo)準(zhǔn)的《氣味降低度》與《油脂分離度》的等級(jí)從“提示性附錄”提升為“規(guī)范性附錄”；2)氣味降低度區(qū)分為“瞬時(shí)氣味降低度”和“常態(tài)氣味降低度”，兩個(gè)指標(biāo)同時(shí)進(jìn)行考量，并規(guī)定：外排式油煙機(jī)的常態(tài)氣味降低度應(yīng)不小于90%，瞬時(shí)氣味降低度應(yīng)不小于50%；3)《油脂分離度》標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)變化之處為：①實(shí)驗(yàn)油由48 mL 白色石蠟油變?yōu)?00 mL玉米油；②實(shí)驗(yàn)油的溫度由20±5 ℃變?yōu)?90±5 ℃；③模擬油煙發(fā)生的方式由壓縮空氣噴射石蠟油變?yōu)榈嗡刂疲?9 mL水在30 min±15 s內(nèi)均勻滴入油鍋中；④稱質(zhì)量：吸油煙機(jī)上的油網(wǎng)、油杯和獨(dú)立濾網(wǎng)烘干后分別稱質(zhì)量；⑤標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：外排式油煙機(jī)的油脂分離度應(yīng)不小于80%。

新標(biāo)準(zhǔn)考慮了實(shí)際家庭烹飪過(guò)程中油煙集中、量大的特點(diǎn)，并且提高了獨(dú)立濾網(wǎng)對(duì)油煙外排限制作用標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)的不足之處在于：1)油脂分離度在一定程度上限制了油煙機(jī)向室外大氣排放的油煙量，但是對(duì)其排放的PM10或PM2.5沒(méi)有具體要求；2)標(biāo)準(zhǔn)中的“氣味降低度”標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)是測(cè)評(píng)油煙機(jī)排放能力帶來(lái)的室內(nèi)環(huán)境的要求，對(duì)VOCs的外排放濃度卻沒(méi)有任何限制。

PM和VOCs是大氣污染和導(dǎo)致霧霾的主要物質(zhì)，其中來(lái)自烹飪油煙的貢獻(xiàn)度不可低估。我們相信，今后吸油煙機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)中增加PM和VOCs的排放限值要求是必然的趨勢(shì)。

5　結(jié)論

烹飪油煙是大氣環(huán)境中PM的主要來(lái)源之一。家庭烹飪油煙具有量大、面廣、高度分散的特點(diǎn)，控制其排放對(duì)保護(hù)大氣環(huán)境、減少霧霾產(chǎn)生具有重要意義。

目前國(guó)內(nèi)油煙凈化技術(shù)都有各自的優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)存在不足之處。實(shí)踐證明，高壓靜電催化耦合技術(shù)應(yīng)用于烹飪油煙處理具有很好的凈化效果，不僅對(duì)顆粒物有較高的去除效果，同時(shí)在室溫下能夠有效地對(duì)VOCs及異味氣體等進(jìn)行持久催化凈化。該技術(shù)具有應(yīng)用于家庭廚房的潛力。

技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)方面，現(xiàn)行油脂分離度標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有設(shè)定排放限值，氣味降低度標(biāo)準(zhǔn)對(duì)吸油煙機(jī)的測(cè)評(píng)僅僅是評(píng)價(jià)將污染物轉(zhuǎn)移到室外的能力，因此很有必要增加對(duì)PM和VOCs的排放限值要求，在推進(jìn)油煙凈化技術(shù)水平提高的同時(shí)加強(qiáng)監(jiān)管和執(zhí)法力度。

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