除臭氧新風凈化器的設計與性能研究

王 鳳 周 域 張騰飛1,△

(1．天津大學,天津;2.大連理工大學,大連)

0 引言

臭氧(O3)是大氣環境中的主要污染物[1],近年來,夏季大氣環境中的臭氧濃度逐年升高[2],建筑通風會將室外高濃度臭氧引入室內,對人員健康造成嚴重威脅[3]。人體對臭氧暴露非常敏感,50×10-9體積分數的臭氧就會刺激到人體的咽喉黏膜,70×10-9以上的臭氧會誘發哮喘、肺功能損傷、呼吸道不適、心率失調、血壓升高等呼吸系統和心血管系統疾病[4]。Weschler提出,對室內送風進行過濾可以有效減少室內人員的臭氧暴露風險[5]。然而,一般的供暖、通風和空調系統過濾器即便在迎面風速低至0.81 cm/s的條件下,也只能夠獲得10%左右的臭氧凈化效率[6],且凈化效果主要源于過濾器表面聚集的微粒層和臭氧分子的氧化還原反應,這一過程產生的副產物可能會對室內環境造成更嚴重的危害[7]。另一種常見的應對臭氧污染的方法是在室內使用空氣凈化器[8],但這種凈化方法具有滯后性,臭氧分子一旦進入室內,很容易氧化家具建材散發的苯、醛及不飽和烯烴,產生可吸入的亞μm顆粒[9]。還有許多研究嘗試利用活性炭或碳纖維材料的吸附能力來凈化臭氧[10],在實驗室條件下取得了一定的效果。但水分或其他物質的存在會影響臭氧分子的吸附效率,且在電鏡下可觀察到活性炭材料被臭氧氧化后碎裂,形成的μm級別粉末會造成二次污染[11]。

一種新的思路是利用金屬/金屬氧化物作為催化劑直接催化分解臭氧[12],相比于熱分解[13]、光催化分解[14]和還原性溶液吸收[10]等凈化方法,催化分解無需考慮高溫加熱、特殊光源和廢液處理等條件,更加清潔安全。這種方法在實驗室條件下已較為成熟,諸多研究驗證了貴金屬或過渡金屬及其氧化物的凈化效果,且公認在復合催化劑中錳氧化物對臭氧分解的效果最好。Yu等人的研究已在實驗室條件下證實了含錳氧化物催化劑的凈化效果可以達到90%以上,而將活性二氧化錳催化劑負載在蜂窩載體材料上的方法也已經廣泛應用在飛機的臭氧轉換器上,在高溫下取得了95%的分解效率[15]。但是目前仍缺乏一種適用于常溫居室環境的新風凈化器,旨在從送風源頭阻止臭氧向室內擴散傳播。

因此,本研究設計出一種能夠去除臭氧的新風凈化器,通過實驗測試優選了過濾器的不同設計參數,獲得了不同背景濃度下的凈化效果。

1 實驗裝置及方法

1.1 實驗裝置介紹

本文設計的新風凈化器(見圖1a)的外部尺寸為0.350 m×0.320 m×0.814 m(長×寬×高),室內送風口和室外進風口的尺寸均為0.30 m×0.08 m,風道內部的尺寸為0.30 m×0.25 m×0.80 m,室內外兩側設有保溫層。變頻風機安裝在風道中部,設有30、60、90、120、150 m3/h 5個擋位的可調風量,將室外空氣引入室內。為實現對顆粒物的預過濾,保證臭氧轉換器的凈化效果,將中效過濾器安裝在風道內靠近室外的進風口側。臭氧轉換器則安裝在靠近室內送風口側,用于凈化臭氧。同時,在凈化器的室內側設有2個密封門,開啟密封門后可更換臭氧轉換器和中效過濾器。

圖1 除臭氧新風凈化器的構造示意圖和臭氧催化濾料

臭氧轉換器是凈化器的核心部件,如圖1b所示,其外部尺寸為0.300 m×0.250 m×0.046 m(長×寬×高)。臭氧轉換器采用平板式結構,以便更好地利用過濾材料的厚度優勢,營造更長的氣體停留時間來保證較高效率和較低通流阻力。臭氧轉換器內部填充共計40 mm厚度的濾料,包括負載了二氧化錳(MnO2)和氧化銅(CuO)顆粒的載物濾料和普通濾棉。載物濾料在分塊區域內分層疊放,其制備方法如下:配置2 mol/L的硝酸銅溶液,與50%質量分數的硝酸錳溶液以錳銅摩爾比3∶1混合均勻備用;用1%的稀鹽酸浸漬玻璃纖維棉30 min后,放入烘箱內100 ℃烘烤2 h;將烘干后的玻璃纖維棉浸入制備好的錳銅混合溶液中5 h,隨后依次在70 ℃和200 ℃條件下烘烤和焙燒各2 h。制備完成的材料裁剪后裝入轉換器內,材料和框架的接合處采用密封膠密封。轉換器的前后兩面各安裝1層防護網,邊緣安裝密封墊以防止漏風,框架側面安裝把手。

將上述通風凈化器安裝在大連理工大學某實驗房南側窗戶下部,實驗房整體尺寸為4.8 m×3.3 m×2.7 m(長×寬×高),除臭氧新風凈化器的工作模式和測點分布示意見圖2。室外空氣從凈化器下部的進風口引入,經過凈化后從室內側送風口進入室內。

注:P1～P3為測點。圖2 除臭氧新風凈化器的工作模式和測點分布示意

1.2 不同載物濾料用量對臭氧過濾凈化性能的影響

本文設計的臭氧轉換器內載物濾料按“5×4”分塊分層疊放,每20塊濾料組成的1個平層記為1層濾料疊放層,每層疊放層厚度約5 mm。濾料的疊放層數量會直接影響MnO2和CuO含量及反應位點數量,進而對凈化效率產生影響。本文測試比較了分別使用1～5層濾料疊放層時的臭氧過濾效率和通流阻力,并分析了其質量因子。

一次通過凈化效率是評價臭氧轉換器性能的關鍵指標,見式(1)。

(1)

式中η為臭氧凈化效率;Cout為凈化后下游的臭氧體積分數,10-9;Cin為凈化前室外側的上游臭氧體積分數,10-9。

利用臭氧檢測儀(設備型號:Model 106L)對凈化器上下游的臭氧濃度進行監測,并通過數據采集設備記錄數據。將室內測點(P1)布置在室內進風口內部,以避免室內環境中的醛類、不飽和烯烴及其他還原性物質被臭氧氧化。室外測點(P3)則布置在室外送風口內,避免測點距進風口過遠受到室外臭氧濃度梯度影響。

不同過濾風速會影響氣態臭氧在催化材料上的停留時間,對凈化效率產生影響。實驗前,先調節凈化器內部的變頻風機轉速,分別得到0.11、0.22、0.33、0.44、0.56 m/s的穩定過濾風速。不同的臭氧背景濃度也影響臭氧凈化效率,實驗中需盡可能維持室外側背景濃度的高位穩定。但是實際大氣臭氧濃度波動較大,為解決此問題,實驗中使用人造臭氧。將三通管段的一端連接實驗室外的臭氧發生器,發生器產生的臭氧經過三通管分別送入實驗區域和尾氣處理區域。利用臭氧檢測儀在測點P3處監測其濃度,多次反饋調節三通裝置得到穩定背景濃度。

實驗前,先將臭氧轉換器安裝在通風凈化器內,調節電動機電壓,控制凈化器的過濾風速達到穩定,再打開臭氧發生器,調節三通裝置,將P3測點的背景體積分數控制在75×10-9左右。在此條件下,對室內外測點的臭氧濃度依次監測,取多組穩定讀數,代入計算得到凈化效率,隨后改變過濾風速,重新校正背景濃度,得到不同過濾風速下的實驗結果。一組實驗結束后,更換濾料層數量不同的臭氧轉換器,重復上述步驟,依次得到1～5層濾料疊放層在不同過濾風速下的表現。

進行通流阻力測試時,從小到大緩慢增大過濾風速,利用帽式風量罩(設備型號:AccuBlance 8380)和熱線風速儀(設備型號:VT110)核定過濾風速,并多次重復驗證;再采用精密微壓計(設備型號:DP-Calc 8715)測量阻力,2個測點分別布置在風道內的臭氧轉換器上、下游位置(P2、P1),多次讀數取平均值。

在測試完過濾凈化效率和通流阻力以后,使用過濾器的質量因子Qf來評價其綜合性能,見式(2)。

(2)

式中 Δp為臭氧過濾器壓降,Pa。

質量因子越大,表示過濾器能夠在更低的阻力下提供更大的凈化效率,即表示過濾器的綜合性能越好。

1.3 大氣臭氧濃度和濾料使用時長對凈化效率的影響

鑒于大氣臭氧濃度對過濾凈化效率影響較大,本研究控制背景臭氧濃度時,將室外測點的體積分數依次控制在25×10-9、47×10-9、56×10-9和75×10-9左右,從低到高,從安全濃度到超標濃度,對應4種常見的環境臭氧體積分數;控制過濾風速變量時,將臭氧轉換器的迎面風速依次控制在0.11、0.22、0.33、0.44、0.56 m/s,從實驗房最小新風量對應過濾風速依次增加。測試時,將(25～75)×10-9的不同背景體積分數條件與0.11～0.56 m/s的不同過濾風速條件兩兩正交,測試不同工況下的凈化效率。

Yang等人使用10 h的過濾結果作為濾層的長期效率,但隨著濾料使用時長增加,負載的金屬氧化物會出現脫落和失活現象,進而影響臭氧凈化效率[16-17]。實驗中,將過濾風速保持在0.44 m/s,持續使用臭氧轉換器,并測試其長期使用效率。根據夏季臭氧逐時分布特點和GB/T 18801—2015《空氣凈化器》,在1 d時間內,將12 h的背景體積分數維持在75×10-9;另外12 h則不開啟臭氧發生器,臭氧的平均背景體積分數不超過50×10-9。每隔一段時間測量一次在不同過濾風速下的效率,以此評定濾料的使用時長對凈化效率的影響。

2 實驗結果

2.1 不同濾料用量對過濾凈化性能的影響

實驗結果表明,疊放不同濾料層數量的臭氧轉換器均具備臭氧凈化能力。圖3顯示了疊放4層濾料的臭氧轉換器在0.11 m/s過濾風速條件下的室內外臭氧濃度,在投入使用1周后,臭氧轉換器能夠將平均體積分數75×10-9以上的臭氧凈化至20×10-9左右。

圖3 疊放4層濾料的臭氧轉換器在0.11 m/s過濾風速下的室內外臭氧體積分數測試值

圖4顯示了疊放不同濾料層數量的臭氧轉換器在投入使用1周前后的凈化效率。由圖4a可知,對于同一臭氧轉換器而言,過濾風速從0.11 m/s增至0.56 m/s時,由于氣體駐留時間縮短,凈化效率也隨之下降,其中,疊放1層濾料的降幅比例最大,達到67.4%;疊放5層濾料的自身降幅比例最小,為21.4%。對于同一過濾風速而言,濾料層數從1層增至5層帶來更多數量的錳銅氧化物和反應位點,凈化效率也隨之呈現非線性增加,其中,4層和5層之間的效率差距不明顯,最大差距小于4%。圖4b顯示了投入使用1周后的凈化效率,濾料層數為1～3 層時,臭氧轉換器的效率下降更加明顯;1層的效率最大降低了13.1%,3層的降幅達到15.7%。濾料層數量增加至4層后,1周的最大效率降幅僅為5.1%,各過濾風速下的效率依舊維持穩定,可以看出,使用時長所帶來的效率損耗在增加了濾料層數量后變得逐漸不明顯。

圖4 疊放不同濾料層數量的臭氧轉換器的凈化效率

圖5顯示了疊放不同濾料層數量的臭氧轉換器的通流阻力。可以看出,臭氧轉換器的阻力隨著過濾風速增大而非均勻增加,低風速下阻力曲線相對平緩,高風速下的阻力增長更快,4層和5層濾料層近50%的阻力均是在過濾風速超過0.44 m/s后增加的。同時,隨著濾料層數量的增加,臭氧轉換器的阻力也非均勻增加,5層濾料層的阻力出現明顯躍升。導致上述現象的原因,可能是在制備濾料的過程中,層數越多,相互之間越容易產生壓縮和纖維粘連,從而使得原材料逐漸失去了疏松低阻的狀態。

圖5 疊放不同濾料層數量的臭氧轉換器的通流阻力

圖6顯示了疊放不同濾料層數量的臭氧轉換器的質量因子。整體上看,隨著過濾風速的增加,阻力增大和效率下降共同導致臭氧轉換器質量因子的下降。在相同背景濃度的10個實驗組中,隨著濾料層數量的增加,質量因子大體上呈現先增大后減小的趨勢,其中4層濾料層的質量因子具有明顯優勢,其最大值可以達到0.074 Pa-1,使用1周后的數值仍保持在0.067 Pa-1。只有在0.11 m/s的過濾風速下,1層濾料層的初始阻力具有明顯優勢;但使用1周后,其自身凈化效率的大幅下降導致質量因子不再具備優勢,如圖6b所示。綜上,4層濾料層的質量因子在不同過濾風速的實驗組中,都比其他層數高25%～185%。因此,4層濾料疊放可視為臭氧轉換器的最佳設計狀態。

圖6 疊放不同濾料層數量的臭氧轉換器的質量因子

2.2 大氣臭氧濃度和濾料使用時長對凈化效率的影響

圖7顯示了疊放4層濾料時不同背景臭氧濃度和過濾風速下的臭氧凈化效率。由圖7可以看出,背景臭氧濃度越高、過濾風速越大,臭氧的凈化效率越低。在25×10-9背景體積分數下,過濾風速從0.11 m/s增至0.56 m/s,對應凈化效率從81.0%降至67.6%,且效率隨過濾風速的變化趨勢較為均勻。在背景體積分數較大的實驗組內(56×10-9、75×10-9),較小的過濾風速對凈化效率影響較弱,較大過濾風速對凈化效率的影響則表現得更為明顯,過濾風速從0.44 m/s增至0.56 m/s,56×10-9體積分數組的凈化效率就從71.0%降至60.3%,75×10-9體積分數組的凈化效率則是從69.1%降至56.9%,二者降幅均超過本組總降幅的67%。在(25～75)×10-9的不同背景體積分數內,凈化效率最大值均超過75%。

圖7 不同背景體積分數和過濾風速下的臭氧凈化效率

圖8顯示了在風速0.56 m/s下,室內外臭氧濃度隨濾料使用時長的變化。當室外臭氧體積分數在75×10-9左右時,臭氧轉換器在前6周的凈化效率較高,能夠將下游臭氧體積分數控制在40×10-9以內;到第8周時凈化效率出現明顯下降,但仍能保證室內臭氧體積分數低于55×10-9;此后效率繼續下降,至第12周時,室內外濃度非常接近,再往后凈化效果趨于消失。

圖8 濾料長期使用時的臭氧凈化效果

圖9顯示了不同濾料使用時長下臭氧的凈化效率,前6周內較小過濾風速下的凈化效率下降較快。在使用6周后,不同過濾風速下的凈化效率均能維持在50%。6周以后出現明顯的整體效率下滑,8周時效率下降至30%～35%,此后效率逐漸下降,12周時效率低至約5%,此后逐漸不具備凈化能力。

圖9 長期使用后的臭氧凈化效率

3 討論

由于本實驗只有1臺臭氧檢測儀,無法同時測量室內外側的臭氧濃度。兩側的臭氧濃度采取多次輪流測量的方法,每次取穩定讀數來計算最終的凈化效率。測得的凈化效率是一段時間內的平均效率,并不反映瞬時值。為了得到穩定的效率,每組數據的總測試時長為幾個小時。

中效過濾器的濾芯是玻璃纖維,其對臭氧的凈化效果微乎其微,能參與氧化反應的金屬框架實際暴露面積也很小,從未安裝臭氧轉換器時的實測凈化效果來看(見圖10),臭氧在10 h內的凈化效率僅0.6%,可見對臭氧的凈化是靠臭氧轉換器來實現的。

圖10 未安裝臭氧轉換器時通風凈化器對室內臭氧體積分數的影響

4 結論

本研究設計了一種可凈化室內臭氧的新風凈化器,內置的核心部件為臭氧轉換器。通過實驗測試評估了臭氧轉換器的性能,并對轉換器在不同過濾風速、背景濃度、使用時長下的凈化效果進行分析比較,得到如下結論:

1) 在所測試的工況中,臭氧轉換器內濾料疊放4層時,質量因子所表征的綜合性能最優,當室外濃度超標時,最大質量因子可達到0.074 Pa-1,最大凈化效率超過75%。

2) 臭氧轉換器的凈化效率與背景濃度和過濾風速均呈負相關。背景濃度達標時,過濾風速對效率的影響較為均勻;背景濃度超標時,高過濾風速造成的過濾效率下降更為明顯。

3) 濾料長期使用會降低臭氧的凈化效率,背景體積分數為75×10-9時,前6周可以保證50%的凈化效率,6周后效率下降,12周后喪失凈化能力。