PM2.5凈化裝置設計探索

鄭珍珠 周賽華 洪坤東 謝永杭

（廣州大學，廣東 廣州 510006）

當下，大氣污染日益嚴重，大半個中國都籠罩在PM2.5引起的陰霾天氣里。由于PM2.5難以被鼻孔、喉嚨所阻擋，通過呼吸系統被吸入后沉積到肺泡，造成肺部及全身性炎癥，心血管系統損傷。研究表明，PM2.5日平均濃度每增加10ug/m3，呼吸系統疾病的死亡風險就增加0.97%，心血管疾病的死亡風險增加1.22%，心肺疾病死亡率和癌癥死亡率分別升高6%和 8%。而且PM2.5濃度升高會對發(fā)育期的兒童肺功能有明顯影響。流行病學資料顯示，生活在污染嚴重城市的人患肺癌的風險比生活在清潔城市的人高10%—15%。

目前常見的PM2.5凈化技術有HEPA、活性炭吸附、等離子/負離子凈化、光催化（光觸媒）凈化等。HEPA是目前被廣泛使用的一種多層凈化技術。其過濾介質由細微玻璃纖維制成，厚度和質地與吸墨紙非常相似。HEPA高效過濾器一向被認為對所有0.3微米和更大的顆粒最低去除率高達99.97%。但是HEPA無法過濾掉直徑0.3微米以下顆粒和直徑更小與空氣中PM2.5形成關系密切的氣態(tài)污染物。活性炭吸附、光催化（光觸媒）凈化技術雖然對氣態(tài)污染物有較好的凈化效果，但對于固體顆粒污染物凈化效果有限。

因此我們希望探索出新的PM2.5凈化技術，其凈化原理簡單，對固體顆粒和氣態(tài)污染物都有較好的凈化效果，由此技術制造出來的PM2.5凈化裝置售價低，維護簡單，成本低。我們想到了水洗凈化，水既能洗掉空氣中的固體顆粒，又能吸收空氣中的多種氣態(tài)污染物，理應能有效降低空氣中的PM2.5的濃度。但目前關于水洗凈化PM2.5原理的研究少之又少，所以對水洗凈化PM2.5的詳細研究相當有必要。

國家環(huán)保部根據我國情況于2012年發(fā)布的《環(huán)境空氣質量標準》GB 3095—2012， 規(guī)定環(huán)境空氣中的PM2.5控制濃度一級標準為日平均濃度35μg/m3，與世界衛(wèi)生組織推薦準則值空氣中的PM2.5日平均濃度25μg/m3的標準相近，可以做為室內和車內環(huán)境中的PM2.5的測試評價標準。

1 凈化裝置設計

1.1 凈化原理

本裝置的凈化原理是水膜水洗和霧化水凈化。水膜水洗是通過噴頭將水噴到若干層適當目數的紗網上，在紗網上形成一層層水膜，然后讓需要凈化的空氣以一定的速度通過紗網上的水膜。此種凈化方式類似于水洗，但又不完全等同于水洗。將水以水膜的形式展開既能增大空氣與水的接觸面積，又能減小空氣通過的阻力。這樣的凈化原理既增大的凈化的效果又減小了凈化的功耗。這里的霧化水凈化是一種輔助凈化。霧化水凈化就是噴頭噴水時會形成大量細小水顆粒懸浮在紗網上方，空氣經過此含有大量細小懸浮水顆粒層時，空氣中的污染物會因攔截作用、擴散作用、重力和慣性的作用溶于水顆粒中，最終水顆粒會在重力的作用下落入紗網下方的水槽中。此種凈化方式相對于纖維過濾，阻力略有增大，但凈化效果卻大大提高，最終將進一步提高此裝置的凈化效率。

1.2 凈化裝置構造（見圖1）

1.3 裝置凈化過程

水循環(huán)：水泵將底部儲水池中的水輸送到裝置上部水管，噴頭將水霧化噴出，形成大量懸浮在空中的細小水顆粒，并在五層紗網上形成水膜。水顆粒溶解污染物后在重力的作用下，落在紗網上，隨紗網上洗過空氣的水一起流入儲水池。

空氣循環(huán)：右側風機將外界空氣吸入，空氣運動路徑如上圖箭頭所示。空氣經紗網水膜水洗凈化后再被紗網上方的霧化層凈化，最后經裝置左側開口的擋水板離開。

2 凈化實驗

2.1 實驗概述

依據廣州市環(huán)境檢測中心2012年監(jiān)控數據：廣州市區(qū)PM 2.5日平均濃度0.073mg/m3，國家環(huán)保部根據我國情況于2012年發(fā)布的《環(huán)境空氣質量標準》GB 3095—2012， 規(guī)定環(huán)境空氣中的PM2.5控制濃度一級標準為日平均濃度 35μg/m3。

選取廣州大學工程實驗北樓的605a實驗室作為實驗房間，房間尺寸6m×7.6m×4.5m。

2.2 實驗測試儀器

CW-HAT200高精度手持PM2.5速測儀：環(huán)境條件：-5—45℃，<90%RH；測量 范 圍：0—500μg/m3

AWA6218B型噪聲統計分析儀：精度等級：2級；測量范圍：35-130dB

UT212數字萬用表：測量范圍：交流電流0—400A±（1.5%+12）， 交流 電 壓 0—600V±（1.2%+5）

2.3 實驗方案

實驗設置了三種工況，分別是工況1空氣經過水膜的速度為1.50m/s，工況2空氣經過水膜速度為1.43m/s，工況3空氣經過水墨速度為1.30m/s。實驗測試時，每隔5min記錄一次裝置進出口空氣PM2.5濃度，每隔30min記錄一次周圍空氣PM2.5濃度。

2.4 實驗數據（見圖2～8）

2.5 數據處理及分析

η=[（C1-C2）/C1]×100%

C1 為室內最初PM2.5濃度，C2房間經凈化后的PM2.5濃度

工況1：室內初始PM2.5濃度C1=0.107mg/m3，經過120分鐘的凈化后室內PM2.5濃度C2=0.034mg/m3

η=[（C1-C2）/C1]×100%=[（0.107-0.034）/0.107]×100%=69%

工況2：室內初始PM2.5濃度C1=0.101mg/m3，經過120分鐘的凈化后室內PM2.5濃度C2=0.046mg/m3

η=[（C1-C2）/C1]×100%=[（0.101-0.046）/0.101]×100%=54%

工況3：室內初始PM2.5濃度C1=0.105mg/m3，經過120分鐘的凈化后室內PM2.5濃度C2=0.057mg/m3

η=[（C1-C2）/C1]×100%=[（0.105-0.057）/0.105]×100%=46%

3 結論

3.1 由自然沉降實驗可知，當把室內空氣PM2.5的濃度升高到120ug/m3，不使用凈化裝置，經過1h的自然沉降，室內空氣PM2.5的濃度會維持在105ug/m3。由此也可推出，不同工況的實驗中室內空氣PM2.5濃度降到105ug/m3以下，是因為凈化裝置的凈化作用。

3.2 由工況1可知，本裝置能有效凈化室內PM2.5，在工況1的條件下凈化效率達69%。而且本裝置能將室內PM2.5濃度凈化到國家規(guī)定的0.035 mg/m3以下。

由此可得出結論：水膜水洗凈化和霧化水凈化PM2.5是一種簡單有效的凈化PM2.5的新技術，采用此項技術的PM2.5凈化裝置能夠將室內空氣凈化到國家規(guī)定的濃度以下。

3.3 三種工況下裝置的凈化效率不同，實驗中改變的是風機的風量，即改變被凈化空氣通過水膜的速度。工況1，風速V=1.50m/s，效率η=69%；工況2，風速1.43 m/s，效率η=54%；工況3，風速V=1.30m/s，效率η=46%。由此可以推測，水膜水洗凈化的效率與空氣經過水膜的速度有關，而且在一定范圍內凈化效率隨風速的增加而增加。

[1]徐玉黨.室內污染控制與潔凈技術[D].重慶：重慶大學出版社，2008.

[2]西安工程大學.流體動力式噴水室凈化PM2.5的研究[J].全國暖通空調制冷2008年學術年會資料集，2008.

[3]國家質量監(jiān)督檢疫總局.GB/T18883-2002 室內空氣質量標準[S].環(huán)境工作通訊，2003（03）：26-33.

[4]國家質量監(jiān)督檢疫總局.GB 3095—2012環(huán)境空氣質量標準[S]，2012.