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便携式室内空气净化器的研制http://www.jiuliangmei.com/
信息来源:http://www.jiuliangmei.com/ 发布时间:2019/5/13 TAGS:$cvcvtt$

1 引言

近年来, 我国空气质量不容乐观, 杭州也曾发生严重的连续雾霾天气, 即使紧闭门窗, 也无法阻止PM2.5对室内空气的污染。与此同时, 现代装修所用的大量装饰材料也会造成室内空气污染。室内空气污染的程度甚至可以达到室外空气污染的100倍以上[1], 已经严重地危害到人们的健康。随着社会的发展和进步, 现代人需要长时间地待在室内进行工作学习和开展各项活动, 由此人们也越来越关注和重视室内空气的污染问题, 必须加强室内空气净化技术的研究, 努力改善室内空气质量状况。

2 空气净化器的设计思路

2.1 室内污染物

室内空气污染物主要由4个部分组成:一是渗透到室内的室外大气污染, 如雾霾、汽车尾气和工业排放等;二是装修装饰过程中使用的涂料、油漆、粘合剂和人造复合板材等化学材料散发出的甲醛、甲苯和苯酚等污染物;三是因烹饪、吸烟和点蚊香等行为产生的各种燃烧产物;四是人体自身活动, 如呼吸、排汗、化妆、洗涤、养宠物和开空调等, 产生的分泌物、化学品、微生物和粉尘等污染物。可见, 净化室内空气不但要吸附粉尘, 还要分解有害物质和杀菌消毒。

2.2 空气净化技术

空气净化技术主要分为需要鼓风机动力的主动式空气净化技术和不需要鼓风机动力的被动式空气净化技术, 结合室内空气污染的实际情况, 主要采用以下几类主动式空气净化技术。

2.2.1 活性炭

活性炭是一种多孔碳, 根据吸附孔的大小可以分为吸附小分子的微孔 (孔径<2nm) 、吸附大分子的中孔 (孔径2~50nm) 和吸附细菌及其他微生物的大孔 (孔径>50nm) [2]。活性炭物理性质和化学性质都很稳定, 因此作为吸附材料广泛应用在环保领域。

2.2.2 HEPA

HEPA (High Efficiency Particulate Air Filter) , 即高效空气微粒过滤器, 是国际公认最好的高效滤材。其材质主要是各种高效滤纸和有机纤维, 可以有效阻隔0.3μm以上的微粒, 阻隔率可达99.97%以上[3], 因此HEPA是粉尘、烟雾等空气污染物最有效的过滤装置。

2.2.3 光触媒

凡是具有光催化功能的材料都可以称之为光触媒[4], 实际应用中以纳米TiO2为代表, TiO2在光的照射下, 与空气中的O2和H2O一起发生反应, 使得TiO2表面产生了强氧化性的超氧阴离子自由基和氢氧自由基, 可把空气中的各种有害物、异味、微生物等氧化分解成无污染的CO2和H2O, 从而达到空气净化的效果。

2.2.4 UV-C

UV-C波段, 波长200~275nm[5], 也叫短波灭菌紫外线。危害人体的细菌和病毒等单细胞微生物经UV-C照射后, 细胞阻止内的DNA和RNA结构直接被彻底破坏, 使微生物体内的蛋白质彻底无法生成, 使微生物立即死亡或丧失繁殖能力。针对室内的实际污染情况, 本文研制的空气净化器主要采用了以下几类主动式空气净化技术。

2.3 关键要素

设计和制作一台合格的空气净化器, 必须综合考虑风阻、风机和风道等重点要素, 才能最大限度地发挥净化器的功效。

2.3.1 风阻

用于清除固体颗粒物的空气过滤器, 不同级别的产品, 过滤能力不同。过滤能力越高的过滤器, 由于孔径的缩小或结构紧密度的提升, 对流动的空气所产生的阻力也越大。由此造成风机产生的风无法有效通过。研究发现, 过滤器并非级别越高越好, 而是应该选用与风机能力匹配的产品, 才能实现最佳的净化效果。

2.3.2 风机

不同的风机可以提供不同的风量与风压, 风机对于空气净化器的净化效能至关重要。常见的风机类型有两种:轴流式风机和离心式风机。

轴流式风机因气流流动的方向与风机扇叶的轴相同而得名, 多用于空气流量要求较高而对风压要求较低的场合。由于其风压较小, 所产生的气流很难穿透过滤网, 因此在空气净化器中使用较少。离心风机的原理是利用高速旋转的叶轮将气体加速, 使用一个涡旋管道, 将气流变向、减速、压缩, 从而产生了很高的风压与风量, 因此可在有限的空间内, 实现高风压与高风量, 非常适用于空气净化器。

2.3.3 风道

通常空气净化器的风道较短, 这样一方面可以避免污染物在风道内的沉积, 另一方面较短的风道相对容易密封, 可以避免因密封效果不好导致泄漏, 产生二次污染。

3 空气净化器设计与制备

3.1 结构设计

在风向设计上, 一般需净化的空气首先经过过滤网, 过滤为洁净空气, 然后到达风机, 再经过风机风道及后续净化手段, 吹入室内。同时, 为了将室内立体空间循环净化, 一般考虑采用四周+底部进风, 顶部吹风的设计。因此本课题研制的空气净化器的风道设计成四周进风、顶部吹风的形式。

净化空气经过活性炭网、HEPA和光触媒网进入离心风机, 在吹风口安装UV-C杀菌灯进行杀菌处理, 最终从空气净化器上方流出。在出风口外设置挡风板, 以确保在空气顺畅流通的同时, 避免杂物进入。

同时, 为确保空气净化器便携特性, 在空气净化器底部安装万向轮, 在顶部安装拉手, 从而确保移动性。在小型空气净化器的设计制作过程中采用蓄电池供电的方式, 将蓄电池集成到空气净化器内部, 以提高便携性。

3.2 元件选型

根据GB/T 13554-2008《高效空气过滤器》, 针对50m2的使用面积, 初步选定过滤器和配套风机型号, 并据此选择UV-C杀菌灯型号, 以及设计空气净化器支架和外壳。

本课题中, 过滤器选用包含活性炭网、HEPA和光触媒网的飞利浦AC4144过滤网套装;UV-C杀菌灯选用上海四通公司生产的15W的UV-C杀菌灯;风机分别选用可以提供较高风压和高风量的通用离心式风机 (功率180 W、额定电压为220V) , 以及具有较好便携性的小型轴流式风机 (功率3 W、额定电压12V) , 以进行对照实验。

4 性能测试

空气净化器样机装配完成后, 在实验室现有条件下, 开启空气净化器一段时间后, WinLand-TC308型TVOC+PM2.5空气质量检测仪进行空气净化程度测试。

实验结果显示, 采用离心式风机的空气净化器在30m2的实验室运行1h、2h、4h后, TVOC (评价有机气态物质) 从33分别降低到15、12.7和9, PM2.5从19.2分别降低到13.4、9.4和5.6。

采用轴流式风机的空气净化器在30m2的实验室运行1h、2h、4h后, TVOC从分别33降低到30、25、23, PM2.5从19.2分别降低到17.2、14.7和10.8。

可见, 开发的两款空气净化器均起到了净化空气的效果, 其中风机选择对净化效果有比较明显的影响。采用180 W离心式风机制备的空气净化器对PM2.5的去除效率可达到27%以上, 对有毒有害气体的分解吸收可达到29%以上, 有效提高了室内空气质量。

5 结语

针对室内空气污染的问题, 采用活性炭吸附、HEPA过滤、光触媒分解和紫外线杀菌技术, 研制了一种便携式空气净化器, 经过实验测试分析, 该净化器可以达到很好的净化室内空气的目的。

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