（化学工程与技术专业论文）空气净化器检测用环境试验舱研制及应用研究.pdf

空气净化器检测用环境试验舱研制及应用研究 摘要 对4 5 间新装修的住宅和办公室室内空气品质进行测量，证明装修对室 内空气品质影响巨大，且主要污染物为甲醛和总挥发性有机物c r v o c ) 。 选取同一写字楼内3 个楼层共1 8 个装修程度相同的房间，对使用不同类型 空气净化器房间的污染物去除率进行了监测，净化性能参差不齐，个别房 间使用空气净化器后，净化效率反而低于污染物自然衰减效率，和预想结 果有很大差别。空气净化器测试环境和评价方法不完善，导致劣质空气净 化器应用于日常生活的危害显而易见。为了对不同类型空气净化器进行科 学公正的评价，专门研制了环境试验舱。 环境试验舱主要由内舱、外舱、空气净化系统、污染源发生装置和空 气采样系统组成。其中，内舱为测试舱主体部分，体积为3 0 m 3 。对舱的 性能进行评价测试表明：温度和相对湿度的偏差分别为磊2 5 。c 矛h 5 ；环境舱内外压差在o - 5 p a 时，舱体泄漏量为0 0 5 - 2 o m 3 h ；清洗后， 舱内单项污染物本底浓度小于3 01 tg m 3 ，t v o c 小于1o opg m 3 ；以质量 分数为3 7 的甲醛溶液作代表性污染物，4 种投放量下回收率分别为 8 6 6 ，8 3 4 ，8 2 9 ，8 1 5 ；舱内温度为2 1 ，相对湿度为4 0 时， 甲醛、苯、甲苯、氨等4 种污染物自然衰减率分别为6 7 ，8 9 ，4 7 ， 7 5 。 对环境舱内原有污染源发生装置进行了改造，并分三个阶段对改进前 后的性能进行对比，大量数据及图表表明新装置性能有很大提高，可以更 加快速、均匀地向环境舱内定量释放污染物，浓度稳定可控。在此基础上 对多种污染物进行了挥发性试验，总结出各污染物的挥发特征，通过制作 浓度一时间曲线，可实现间接定量。 利用该试验舱，选择甲醛为代表性污染物，对6 台空气净化器的净化 t 北京化工大学硕士学位论文 性能进行了评价。数据表明不同技术生产出的净化器净化效率有明显差 异，同种技术的净化器净化效率也不同。即使是同一台空气净化器，在关 键技术处作出调整，测试时得出的净化效率也有很大差别。上述实验证明 本课题设计制造的环境试验舱运行良好，可细致测量出净化效率的差别， 能够相对准确反映出具体产品的真实净化效率。 关键词：室内空气品质，甲醛，总挥发性有机物，环境试验舱，空气净化 器，净化性能，自然衰减率 i i 摘要 d e v e l o p m e n ta n da p p l i e dr e s e a r c ho f e n v i r o n m e n t a lc h a m b e rf o ra i rc l e a n e r d e t e c t i o n a b s t r a c t o nt h em e a s u r e m e n t so fn e w l yr e n o v a t e dh o u s i n g sa n do f f i c e s ，i tp r o v e d t h a td e c o r a t i o np r o d u c e st r e m e n d o u si m p a c to ni n d o o ra i rq u a l i t y , a n dt h e m a i np o l l u t a n t sa r e f o r m a l d e h y d ea n dt o t a l v o l a t i l eo r g a n i cc o m p o u n d s ( t v o c ) s e l e c t 18r o o m sw i t h i nt h et h r e e f l o o r si nt h es a m eo m c e b u i l d i n g ，w h i c h a r ei nt h es i m i l a rd e c o r a t e d ，a n dt e s t p o l l u t a n t r e m o v a l e f f i c i e n c yo fe v e r yr o o mw i t hs e v e r a lt y p e so fa i rc l e a n e r t h er e s u l ts h o wt h a t t h ec l e a n i n gp e r f o r m a n c eh a v eb e e nr a t h e ru n e v e n ，s o m ea i rc l e a n e r sc l e a n i n g e f f i c i e n c yi se v e nl o w e rt h a nt h en a t u r a ld e c a yr a t e t h et e s te n v i r o n m e n ta n d e v a l u a t i o nm e t h o di si m p e r f e c ta n di tw i l lb er e s u l t e di n p o o rq u a l i t ya i r c l e a n e ru s e di nd a i l yl i f e i no r d e rt oa s s e s sd i f f e r e n tt y p eo fa i rc l e a n e r s s c i e n c e l ya n df a i r l y , t h ee n v i r o n m e n t a lc h a m b e ri sd e v e l o p e d t h ee n v i r o n m e n t a lc h a m b e ri sm a d eo ft h ei n n e rc h a m b e r ，o u t e rc h a m b e r ， a i r p u r i f i c a t i o ns y s t e m ，p o l l u t i o ns o u r c ed e v i c ea n da i rs a m p l i n gs y s t e m a m o n gt h e m ，t h ei n n e rc h a m b e rw i t ht h ev o l u m eo f3 0 m 3i st h ek e yp a r to f t h et e s tc h a m b e r t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t s h o w st h a tt h ed e v i a t i o no f t e m p e r a t u r ea n dr e l a t i v eh u m i d i t y ( r h ) a r e 磊三2 5 a n d 兰5 r e s p e c t i v e l y t h eb o d yl e a k a g ei s0 0 5 - - 2 0m 3 hu n d e rp r e s s u r ed i f f e r e n c eo f 0 5p ab e t w e e nt h ei n s i d ea n dt h e o u t s i d eo ft h ec h a m b e r a f t e r c l e a n i n g ，w i t ht h es i n g l ep o l l u t a n tb a c k g r o u n dc o n c e n t r a t i o nl e s st h a n3 0 p g m 3 ， t v o ci sl e s st h a n10 0 g m j t h er e c o v e r yr a t eo ft h ec h a m b e r s y s t e ma r e 8 6 6 ，8 3 4 ，8 2 9 a n d81 5 u n d e rf o u rk i n d so fa m o u n to f3 7 i i i 北京化工大学硕：卜学位论文 f o r m a l d e h y d es o l u t i o nf o rt h er e p r e s e n t a t i o no fp o l l u t a n t s u n d e rt h ec o n d i t o n o f21 a n dr h4 0 ，t h en a t u r a ld e c a yo ff o u rk i n d so f p o l l u t a n t sw h i c ha r e f o r m a l d e h y d e ，b e n z e n e ，t o l u e n e a n da m m o n i ai nt h i sc h a m b e ra r e6 7 ，8 9 ，7 5 a n d4 7 t h eo r i g i n a l p o l l u t i o ns o u r c ed e v i c e i nt h ee n v i r o n m e n tc h a m b e ri s m o d i f i e da n dc o m p a r e dt h ep e r f o r m a n c eb yt e s t i n gi nt h r e ep h a s e s ，l a r g e a m o u n t so fd a t aa n dc h a r t ss h o wt h a tp e r f o r m a n c eo fn e we q u i p m e n th a sb e e n i m p r o v e dg r e a t l y , i t c a nr e l e a s ev a r i o u so fp o l l u t a n t st ot h ee n v i r o n m e n t c h a m b e rm o r er a p i d l ya n de n e n l y t h ec o n c e n t r a t i o ni ss t a b l ea n dc o n t r o l l a b l e o nt h eb a s i so faw i d er a n g eo fc o n t a m i n a n t sw e r et e s t ，s u m m e du pt h e e s s e n t i a lc h a r a c t e r i s t i c so fa l lp o l l u t a n t s ，a n dm a d ei n t oc o n c e n t r a t i o n t i m e c u r v e ，c a nb er e a l i z e di n d i r e c t l yq u a n t i t a t i v e u s i n gt h et h el a r g ee n v i r o n m e n t a lc h a m b e r ，s e l e c tf o r m a l d e h y d ea st h e r e p r e s e n t a t i v ep o l l u t a n t s ，a n de v a l u a t et h ec l e a n i n gp e r f o r m a n c eo f6s e t sa i r c l e a n e r sb yt h em e t h o d so fd e d u c t i n gn a t u r a ld e c a yr a t e t h ed a t as h o w e dt h a t c l e a n e r so fd i f f e r e n tt e c h n o l o g i e sp r o d u c es i g n i f i c a n td i f f e r e n c e si nc l e a n n i n g e f f i c i e n c y , t h er e m o v a le f f i c i e n c yo fc l e a n e rw i t hs a m ek i n do ft e c h n o l o g yi s a l s od i f f e r e n t e v e nt h es a m ea i rc l e a n e rw h i c hi sm a k e d a d j u s t m e n t si nk e y t e c h n o l o g y , t h ec l e a n i n ge f f i c i e n c yi sa l s ov e r yd i f f e r e n t e x p e r i m e n t a lr e s u l t s h o w st h a tt h ee n v i r o n m e n t a lc h a m b e rr u n sw e l l ，a n dd e t a i l e dm e a s u r e m e n to f t h ed i f f e r e n c ei n c l e a n i n ge f f i c i e n c y t h e r e f o r e ，i tc a n o b t a i na c c u r a t e a s s e s s m e n tr e l a t i v e l yw h i c hc a nr e f l e c tt h et r u er e m o v a le f f i c i e n c yo fs p e c i f i c a i rc l e a n i n gp r o d u c t s k e yw o r d s ：i n d o o ra i rq u a l i t y ，f o r m a l d e h y d e ，t o t a lv o l a t i l eo r g a n i c c o m p o u n d s ( t v o c ) ，e n v i r o n m e n t a lc h a m b e r ，a i rc l e a n e r ，c l e a n i n g p e r f o r m a n c e ，t h en a t u r a ld e c a yr a t e 目录 符号说明 试验室容积，m 3 总衰减常数，m i n 。 自然衰减常数，m i f f l 污染物初始浓度，m o l l - 在时间t 时被检污染物的浓度，m o l l - 1 用于降低空气污染物浓度的清洁空气流量，m 3 r a i n 空气净化器额定风量，m 3 m i i l 室内面积，m ? 为g b t18 8 8 3 规定的化学污染物限值符号 污染物自衰减， 污染物总衰减， 空气净化器对某种化学污染的净化效率， v y 忍 心 o g q g s s 叩 私 e 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 作者签名：互煎壶日期： 垫f ：= 二兰2 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文的 规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京 化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件 和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部 或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学 位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在上年解密后适用本授 权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 作者签名：互煎垫 日期： ! ! ! ：三二二2 作者签名：垫垫望 日期： ! ! ! ：二：f - 1 - 一f 一 导师签名：型之担 日期：鲥! ：七：丛 第一章绪论 第一章绪论弟一早三；酉化 现代人生活和工作形态的改变，在室内的停留时间同益趋长，使得室内空气质量 成为人们关注的焦点。有关专业人士指出，随着家庭居室装修档次提高，装饰广泛采 用了彩色油漆、各类高档石质地板以及各款式家具等。尤其是随着家用空调的普及， 人们长时间处于封闭或半封闭的环境中，室内空气流动性差，室内污染物不易扩散， 从而导致空气质量下降，使人体产生一系列问题，如“病态建筑综合症”( s i c kb u i l d i n g s y n d r o m e ，s b s ) 、“大楼并发症”( b u i l d i n gr e l a t e di l l n e s s ，b r i ) 和“多种化学物过敏症” ( m u l t i c h e m i c a ls e n s i t i v i t y ，m c s ) 。这些问题使人们的身心健康受到了很大的影响， 降低了工作效率，病休及医疗费用上升等问题也随之出现。因此，室内空气品质( i a o ) 问题亟待解决。 有关环境监测报告表明，居室内污染毒害人体的主要包括微粒、粉尘、烟雾微生 物以及一氧化碳、有机气体等气态污染物【2 】。并且，室内空气中气态污染物己成为居 室首要污染原因。有关医学报告分析研究指出，人如果长期处于含有高浓度甲醛的环 境里，患肺癌和肝癌的几率将大幅度提高。彩色涂料对人的健康危害最为直接，各类 涂料都会产生致癌物质，其中苯能破坏人的血液循环系统引发白血病【3 】。 为了缓解这些问题，人们采取了各种手段来解决室内空气污染，其中用净化器净 化室内空气就是手段之一。目前中国室内空气净化产品市场已具有相当规模，市场上 出现了臭氧消毒类、紫外消毒类、光触媒类、过滤吸附类、香熏类、高温加热类、消 毒剂类、复合型等几大类净化器【4 】，如何判断这类产品的净化效果成了摆在我们面前 的实际问题。2 0 0 2 年8 月国家正式颁布了推荐标准空气净化器，该标准对空气净 化器产品的颗粒物净化效率及对颗粒物净化效果评价做出了明确定义和规定，气体污 染物的净化效果评价参照执行。实验表明，对气体污染物而言，由于其污染特点与颗 粒物的污染不同，完全按照评价净化器净化颗粒物的方法评价净化气体污染物还存在 很多不合理因素，不同的测定方法及测试条件对其测定结果影响很大，人为引进很多 因素影响净化效果的评价。 1 1 室内空气品质( 1a 0 ) 概述 1 1 1 室内空气品质( 1a 0 ) 定义 所谓室内空气品质，是指室内的空气质量。品质反应了满足人们要求的程度，如 果人们对空气满意就是高品质，反之，就是低品质。室内空气高品质即房间内绝大多 数人没有对室内空气质量表示不满意，并且空气中没有污染物会对人体健康造成严重 北京化t 大学硕十学位论文 危害【5 1 。衡量室内空气环境的主要参数有：温度、湿度、空气速度与清洁度，其中清 洁度是评价室内空气品质的指标。清洁度是指空气中的有害物质的含量，如二氧化碳、 甲醛、可吸人颗粒、t v o c 、细菌等。有明确概念之后才能解决室内空气品质问趔6 1 。 1 1 2 室内空气污染主要特剧7 】 室内空气污染主要有以下特点： ( 1 ) 室内空气污染是在人工环境中产生的，不是自然现象，受气候和社会条件 的影响。社会条件包括社会文明程度、技术经济发展水平、民族风俗习惯等多方面的 因素。 ( 2 ) 影响范围大：室内空气污染不同于特定的工矿企业的环境污染，涉及的人 群数量很大，几乎包括了整个年龄组。 ( 3 ) 接触时间长：人们在室内的时间超过全天的8 0 ，长期持续地暴露在室内空 气污染的环境中，对人体作用时间很长。 ( 4 ) 污染物种类多：成千上万种空气污染物同时作用于人体，从固体的浮游粒 子到分子状污染物，从放射性元素到微生物污染，它们都可以发生复杂的抗拮作用或 协同作用。 ( 5 ) 污染浓度低：室内空气污染物虽然种类繁多，但就某一种污染物来说，其 浓度一定不会超标，远低于工业卫生标准，但它对人体的危害却是不可忽视的，因为 它是多钟低浓度污染物综合的、长时间的对人体作用。 ( 6 ) 污染物危害大：室外空气发生污染时，在某种意义上说具有近似于无限稀 释的能力，而对采用空调的室内，很显然其稀释能力是有限的，尤其是从节能考虑， 采用减少换气次数等措施，就使这有限的稀释能力更为减少，致使室内空气污染物对 人体的危害大为增加。 ( 7 ) 健康危害不清：这些低浓度室内空气污染的长期影响对人体作用机理及其 闽值剂量尚不清楚。 1 1 3 室内空气中主要化学污染物来源及其危害 室内空气污染物的种类繁多，化学污染物是其中重要的一项，主要有甲醛、氡、 氨、苯及挥发性有机物等。 1 1 3 1 甲醛 甲醛是室内装修产生的主要空气污染物之一，它是一种无色易溶的刺激性气体， 可以经呼吸道吸收，对粘膜和皮肤有强烈的刺激作用，使细胞中的蛋白质变性，抑制 第一章绪论 细胞机能哺j 。当甲醛浓度达0 2 5m g l 时，气喘病人和儿童就会面临威胁；浓度达o 1 m g l 时，可刺激咽喉和肺上部；浓度达0 0 5 - - 0 0 6m g l 时，儿童发生气喘。甲醛对 视网膜有较强的损害，长期接触低剂量甲醛的人，可引起慢性呼吸道疾病、鼻咽癌。 甲醛已被世界卫生组织确定为可疑致癌物1 9 】。 室内的甲醛主要来源于室内装饰的胶合板、细木工板、中密度纤维板和刨花板等 人造板。研究表明，随着室内的湿度、温度和大气压力的变化，建材中甲醛的散发力 随之改变，也就是说，在高温、高湿、负压和高负载条件下，都会加剧甲醛的散发力 度【l 川。据测定，建材中的甲醛释放期可长达3 1 5 年，因此，降低室内空气的污染具 有非常重要的意义。 1 1 3 2 氡气 氡是一种无色无味的惰性气体，是天然石材放射性元素的产物。它对人体的辐射 伤害，占人体一生中所受到的全部辐射伤害的5 5 以上。建筑材料中的花岗岩、砖、 砂、水泥及石膏之类最容易释放出氡，特别是含有放射性元素的天然石，具有明显的 季节性变化。氡气对人体的潜在危害主要是导致肺癌，它是除吸烟以$ 1 - 弓1 起肺癌的第 二大杀手，世界卫生组织已把它列为使人致癌的1 9 种物质之一【1 。 氨是一种无色且具有强烈刺激性气味的气体，常被吸附在皮肤粘膜和眼结膜上， 从而产生刺激和炎症，对接触的组织表现出有腐蚀和刺激作用。轻度中毒者会出现眼 结膜、咽部充血、支气管周围炎症等；中度中毒会加剧上述症状；重症者可引起反射 性呼吸停止【1 2 1 。氨气的污染，主要来自于冬季施工的混凝土中所加的含氨添加剂，如 防冻剂、高碱混凝土膨胀剂、阻燃剂以及板材、家具、装饰材料中使用的添加剂等。 大量含氨类物质的外加剂，在混凝土和墙体中随着温度、湿度等环境因素的变化而还 原成氨气，从墙体中缓慢释放出来，所造成的氨气污染往往要持续三四年，甚至更长 的时间。板材、家具、装饰材料中的添加剂和增白剂也会释放出氨气【1 3 】。释放出来的 这些氨气，会使室内空气造成污染。 1 1 3 4 苯 苯有芳香味，无刺激性，不易被察觉。室内环境中的苯，主要为化工原料的杂质， 一般来自于油漆、稀释剂、溶剂型涂料、粘结剂等【1 4 】。苯已被世界卫生组织确定为强 烈的致癌物，危害很大，它能使人麻醉，对人的呼吸道具有强烈的刺激作用，其健康 北京化工大学硕士学位论文 效应表现在血液毒性、遗传毒性和致癌性等方面1 5 1 。苯若在人体内神经组织和骨髓中 蓄积，会破坏人体的造血功能，长时间接触苯，会对人体健康造成严重的后果。 1 1 3 5 总挥发性有机物( t v o c ) t v o c 是指沸点在5 0 - - 2 6 0 之间、室温下饱和蒸气压超过l m m h g 的易挥发性化 合物。按化学结构，可进一步分为烷类、芳烃类、烯烃类、卤代烃类、酯类、醛类、 酮类和其他化合物等8 类【l6 1 。其中，至少有十几种被列入美国国家环保局( e p a ) 及 我国国家环境保护总局确定的优先监测污染物目录。在非工业性室内环境中可以看到 5 0 - - , 1 3 0 种挥发性有机化合物，其中以芳香烃类化合物( 如苯，甲苯) 、脂肪烃类化合物 最为突出。 t v o c 对眼睛、呼吸道和皮肤具有强烈的刺激作用，出现头痛、咽痛及乏力。当 v o c 的含量超过3 5m g m 3 时，可能会使人昏迷、抽搐甚至死亡【l7 1 。因此控n v o c 污 染已成为改善人们生活质量的重要任务之一。v o c 主要来源于各种有机溶剂、建筑材 料、室内装修材料、地毯等：家具及办公用品、化妆品、清洁剂等也含有t v o c t l 8 j 。 1 1 4 改善室内空气品质( ia q ) 的措施 室内空气品质好坏直接影响到人们的生理健康、心理健康和舒适感。为了提高室 内空气质量，改善居住、办公条件，增进身心健康，必须对室内空气污染进行整治。 目前，主要的净化方法包括：植物法、通风法、化学药剂法和空气净化器净化方法。 1 1 4 1植物法 在室内种植花卉植物，有利于人体健康。一些植物花卉具有特殊功能，可以吸收 室内空气中的一些有害物质，因此可以用来净化室内空气，被喻为清除装修污染的“清 道夫”，起到“空气净化器”的作用。居室的污染物质，可通过观赏植物叶片背面的 微孔道被吸入植物体内，而且花卉根部共生的微生物也能自动分解污染物，并被根部 吸收，有效地清除污染物。有人做过研究，只要1 0 m 2 的居室中有一种抗污染的植物， 空气净化程度就会大大提高l l 圳。 吊兰、黛粉叶、紫尾兰、芦荟、虎尾兰、一叶兰、龟背竹等，对装修后室内残存 的甲醛、氯、苯类化合物具有较强吸收能力；芦荟、菊花等可以减少居室内苯的污染； 雏菊、万年青等可以有效消除三氯乙烯的污染；蔷薇、常青藤、铁树、菊花、金橘、 石榴、半支莲、月季花、山茶、石榴、米兰、雏菊、腊梅、万寿菊等可吸收二氧化硫、 氯、苯酚、乙烯、乙醚、一氧化碳、过氧化氮等有害物质【2 。在室内养虎尾兰、龟背 4 第一章绪论 竹、一叶兰等叶片硕大的观叶花草植物，能吸收8 0 以上的多种有害气体。 1 1 4 2 通风法 保证室内良好的通风可以有效降低室内空气中的污染物浓度。通风法包括自然通 风和强制通风。 自然通风一般是在房间顶部或侧墙设置窗户，依靠热压或风压进行通风，并可通 过调节开窗的幅度来调节通风量。由于室外空气的污染物浓度远低于室内，因此通过 通风可以对室内的污染物进行稀释，以改善室内的空气质量。为提高室内空气品质， 勤开窗户，加大通风换气量，是行之有效的办法【2 1 1 。 强制通风是在房间一端设置侧窗，在另一端设置风机，利用风机由室内向室外排 风，使室内形成负压，强迫空气通过侧窗进入温室，穿越温室由风机排出室外。强制 通风的优点在于温室的通风换气量受外界气候影响很小，提高了通风换气次数。这种 方式是在某种特定情况下，对于改善室内空气品质的一种尝试【2 2 1 。 1 1 4 3 化学药剂法 目前，市场上出现多种净化空气的化学试剂和消毒药水。将药水涂抹于家具表面 或放置于居室内，原理为封闭污染源，在短时间内阻止污染物挥发；或迅速分解空气 中的甲醛、苯、氨及挥发性有机化合物( t v o c ) 等污染物，达到净化空气的效果【2 3 1 。 还有一些空气清新剂和芳香剂可以同时消除异味。 1 1 4 4 空气净化器法 空气净化器( 又称“空气清洁器”、空气清新机) ，是指能够滤除或杀灭空气污 染物、有效提高空气清洁度的产品，是空气净化技术发展的产物。目前以清除室内空 气污染的家用和商用空气净化器为主。常用的空气净化技术有：低温非对称等离子体 空气净化技术、吸附技术、负离子技术、分子络合技术、光触媒技术、t i 0 2 技术、h e p a 高效过滤技术、静电集尘技术、活性氧技术掣2 4 1 。 1 1 4 5 几种净化方法讨论 选择植物净化室内空气的前提是轻度污染，植物法对重度污染无明显效果。使用 通风法虽然可以稀释室内污染物，一旦不通风，浓度又继续回升，而且当前受各种因 素影响室外空气己不再清洁。自然通风换气次数很难保证，效率低，强制通风耗电量 大。采用化学药剂和空气清新剂虽然能暂时改善室内空气，但喷洒时剂量很难控制， 且此类产品中含有大量的挥发性有机化合物，特别是含有苯和苯的衍生物，故其残留 北京化工大学硕士学位论文 物对人体健康危害极大。利用空气净化器改善和提高室内空气品质是一个比较新的领 域，也是一个很有发展前途的领域。相比于其他3 种方法，空气净化器法效率高，针 对性强，效果明显，是目前最为普遍的净化方式。 1 2 空气净化器的发展历史及现状 1 2 1 空气净化器的发展历史 空气净化器源于消防用途。1 8 2 3 年，约翰和查尔斯迪恩发明了一种新型烟雾防护 装置，可使消防队员在灭火时避免烟雾侵袭。1 8 5 4 年，一个名叫约翰斯滕豪斯的人 在前辈发明的基础上取得新进展，通过向空气过滤器中加入木炭从空气中过滤出有害 和有毒气体。期间，美国政府开始进行放射性物质研究，急需研制出一种装置可以过 滤出所有有害颗粒，以保持空气清洁，使科学家可以自由呼吸，于是h e p a 过滤器应 运而生。在2 0 世纪5 0 、6 0 年代，h e p a 过滤器一度非常流行，受到防空洞设计和建 设人员欢迎。但是，这些采用物理方法对室内环境污染进行净化治理的产品，在过滤 和吸附过程中慢慢的就会饱和失去效力，需要定期清洗过滤网，以免造成二次污染【2 5 】。 进入2 0 世纪8 0 年代，空气净化的重点开始转向净化方式，如家庭空气净化器。过去 的过滤器在去除空气中的恶臭、有毒化学品和有毒气体方面非常好，但不能去除霉菌 孢子、病毒或细菌，而新的家庭和写字间用空气净化器，在物理性能的基础上增加了 静电除尘、电子集尘、负离子发生器、臭氧发生器灭菌等功能。这种多功能净化器不 仅能清洁空气中的有毒气体，还能净化空气，去除空气中的细菌、病毒、灰尘、花粉、 霉菌孢子等。这类空气净化器仍然存在着不能有效分解有机污染物的弊病，而且像臭 氧发生器类产品不能人机同室，所以使用起来很不方便。近年来空气污染治理专家经 过多年科学研究，在原有空气净化器的基础上，采用了先进的纳米技术，成功的研制 出高效率催化技术。催化技术也被称为冷触媒技术。以多元多相催化为主，结合超微 过滤，从而保证在常温常压下使多种有味有害气体分解成无害无味物质，由单纯的物 理吸附转变为化学吸附一边吸附一边分解，提高了吸附污染物种类提高了吸附效率和 饱和容量。不产生二次污染，大大延长了吸附材料的使用寿命。催化材料的寿命是普 通材料的2 0 倍以上，可以对室内氨、硫化氢、醛类等进行催化分解【2 6 1 。不足之处是 当前很多产品的净化效果还不显著。 1 2 2 现有空气净化器的种类 新型空气过滤器产品名目繁多，现场调研发现目前已使用的产品大致可归为吸附 类空气净化器、化学溶剂净化器、低温催化净化器、臭氧净化器、光催化净化器以及 6 第一章绪论 负氧离子空气净化器等。以下是对这几种空气净化器净化方式的主要原理的叙述。 1 2 2 1 吸附类空气净化器 活性碳纤维是一种新型的高吸附性材料，它具有比表面积大，吸附速度快，易脱 附等优点，特别是在低浓度时仍比颗粒活性炭吸附效率高。它的微孔分布均匀，透气 性良好，可制成任意形状的制品，能脱色脱臭，适用于溶剂回收装置、空气净化器f 2 7 】。 活性碳纤维吸附空气中有害气体时，它的吸附机理相当复杂，既有物理吸附，又有化 学吸附，除了受到比表面积和浸渍化学处理的影响，还受到表面物理化学性能的影响， 如表面基团的含氧化合物的酸碱性、碳的结合态、p h 值、孔径分布、元素含量等因 素影响【2 8 1 。 1 2 2 2 1 化学溶剂空气净化器 化学溶剂空气净化器的工作原理，是根据现实所需按一定比例加入各种化学成分 形成有机混合物，作为吸附剂2 9 1 。当混合气体通入吸附剂时，主要的污染成分得以吸 收使浓度降低。气体吸收过程是一个化学吸收过程，在常温和加压下进行，借助气液 相之间的浓度梯度进行传质，可以从气体中脱除硫化物和二氧化碳等组分。 1 2 2 3 低温催化空气净化器 低温等离子方法主要用于汽车尾气的去除。空气经过低温等离子体发生器被电离 形成空气等离子体，空气等离子体中富含原子氧( o ) 和臭氧( 0 3 ) 及其它氧气的激 发态，因此燃烧的速率比送入普通的空气时燃烧速率更高。这些氧粒子参与反应的能 力比中性的氧气分子更强，可以使h c 、c o 得到充分氧化从而减少其生成量【3 0 】。此 外，等离子体方法用于强化催化剂的低温活性等。目前主要用于碳颗粒的捕集，也可 对尾气进行深度氧化后采用其它方法( 如力i ：i n h 3 h 2 0 ) 除去生成的n 0 2 、s 0 3 、c 0 2 等 氧化物。用等离子体方法对尾气中的有机物和n o 、c o 可进行深度氧化从而减少有毒 致癌物质的排放。 1 2 2 4 臭氧空气净化器 臭氧消毒原理是通过高频电晕放电产生大量的等离子体，此时高能电子与气体分 子碰撞发生一系列物化反应，并将气体激活产生多种活性自由基，多种活性自由基主 要由0 3 组成，0 3 作为强氧化剂在很低的浓度下就可瞬间完成氧化反应，因而对有毒 有害物质、细菌、病毒等产生催化、氧化和分解作用，直至杀灭【3 。臭氧也可将有机 物分解为二氧化碳和水。因此可以用于有机污染物的净化和消毒。 北京化工大学硕士学位论文 1 2 2 5 光催化空气净化器 光催化净化技术是近几年来发展较快的一项技术，主要是利用光催化剂吸收外界 辐射的光能，使其直接转变为化学能。二氧化钛( t i 0 2 ) 在近紫外线区吸光系数大、催 化活性高、氧化能力强、光催化作用持久、化学性质稳定、耐磨、硬度高、造价低， 而且对人体和环境不会造成任何伤害，是应用最广泛的光催化剂。当能量大于t i 0 2 禁 带宽度的光照射半导体时，光激发电子跃迁到导带，形成导带电子( e - ) ，同时在价带 留下空穴阶( h + ) 【3 2 】。由于半导体能带的不连续性，电子和空穴的寿命较长，它们能够 在电场作用下或通过扩散的方式运动，与吸附在半导体催化剂粒子表面上的物质发生 氧化还原反应，或者被表面晶格缺陷俘获。空穴和电子在催化剂粒子内部或表面也能 直接复合。空穴能够同吸附在催化剂粒子表面的o h 或h 2 0 发生作用生成羟基自由 基h o ，ho 是一种活性很高的粒子，能够无选择的氧化多种有机物并使之矿化， 通常认为是光催化反应体系中主要的氧化剂【3 3 1 。 1 2 2 6 负氧离子空气净化器 负氧离子空气净化器由直流高压静电产生负离子，由负电产生臭氧，电晕极属直 流电源的负极，集尘极属直流电源的正极，两级之间形成高压电场。电极间的空气离 子在电场的作用下，向电极移动，形成电流，大量的电子从电晕线不断逸出，称为电 晕放电【3 4 】。电子撞击电极间的气体分子，使之产生电离，生成大量的自由电子和负离 子。负离子极易与空气中微小污染颗粒相吸附，成为带电的大粒子，沉降到地面，从 而使空气得到净化。根据 0 3 一o + 0 2 ( 1 - 1 ) 0 3 + o 一2 0 2 ( 1 - 2 ) 0 3 + e 一- 0 2 ( 1 3 ) 公式的反应可把多余的臭氧变成对人体有益的负氧离子，从而解决缺氧的现象，去除 灰尘、细菌及异味 3 5 1 。此外，还可以把有害物质吸附到负离子的除尘板上，通过臭氧， 把病毒、细菌杀死。 1 3环境试验舱 环境试验舱为与空气检测领域有关的试验研究提供了试验环境。试验人员可进行 与试验物质非接触舱外操作实验，可进行化学、生物因子在空气中的挥发特性研究； 可进行净化产品、消毒产品的性能检测；也可为材料产品的污染性能检测提供实验环 境。主要应用于医学、材料学、生命科学、动物生理学、环境科学等领域。具有试验 过程的可视性、环境参数的可控性、暴露物质的多样性、实验数据的精确性等特点。 第一章绪论 1 3 1 环境试验舱的分类 空气检测类试验对于试验环境的温湿度、形式、换气率、气压、光照、气密性等 环境因要求因不同的试验而有所不同。总结起来温度范围一般为1 8 4 0 ，相对湿 度范围为3 0 8 5 ，主要区别在于温湿度精度以及舱流形式的要求上【3 6 】。例如，对 于空气净化器检测来要求温度为2 1 士2 5 c ，相对湿度4 0 0 硅5 ，空气交换率0 次l l ， 舱的密闭性要求空气泄漏o 0 5m 3 h 。对于家具板材甲醛检测来说，温度为2 3 士o 5 c ， 相对湿度4 5 0 硅3 ，空气交换率1 士0 0 5 次l l 。现依据试验室功能及试验度将测试舱按 试验要求气流形式进行如下分判3 7 】： ( 1 ) 密闭型：空气消毒剂消毒器消毒测试舱、媒介生物试验舱。 ( 2 ) 高度密闭型：空气净化器试验舱 ( 3 ) 动态换气型：环境试验舱( 家具材、地毯等材料环保性能检测) 。 ( 4 ) 开放型：各类人工气候箱、高低温交验箱、车内挥发性有机物试验舱等。 1 3 2 空气净化器试验舱 空气净化器检测用环境试验舱可以模拟受到污染的室内环境，对空气净化设备进 行测试，是一种检测和研究空气净化产品性能的重要工具。对于二次污染物的形成研 究，如臭氧和二次气溶胶的形成，环境舱法也可用于建立模型3 8 】。空气净化器试验舱 按体积不同有大小之分。小型环境试验舱通常是指其体积在几升至几立方米之间的环 境舱。而体积大于1 0 立方米的环境舱通常被认为是大型环境试验舱，而所谓的微型 舱，常以毫升计。一般来说，微型舱的空气流速和气体交换是不能自由调节的。 大型舱与小型舱对比，其优缺点如表1 1 所剥3 9 1 。 表1 - 1 大型舱和小型舱的优缺点 t a b l e1 - 1t h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so f l a r g ec h 锄b e r sa n ds m a l lc h a m b e r s 1 4国内外研究进展 9 北京化工大学硕士学位论文 目前国际间采用的空气净化器测试方法有美国家用电器制造商协会的 a h a m a c 一1 2 0 0 0 标准，日本工业标准j i s c 9 6 1 5 。其中，j i s c 9 6 1 5 涉及对颗粒物和有 害气体的净化效率测试；a h a m a c 1 2 0 0 0 为测量空气净化器滤网及送回风设计所 造成的整体净化效率，并以c a d r ( c l e a na i rd e l i v e r yr a t e ) 量化表示，比较不同空气净 化器间c a d r 差异即可知其性能的优劣，目前是欧美厂商广泛采用的空气净化器性能 测试方法。 我国于2 0 0 2 年颁布g b t1 8 8 0 1 2 0 0 2 空气净化器标准，并于2 0 0 8 年予以修 订，修订版为g b t1 8 8 0 1 - 2 0 0 8 空气净化器，其内容基本上参照美国 a h a m a c 1 2 0 0 0 标准中的各项指标。但与美国标准不同的是对净化器的噪音、去除 气体污染物、耐久性及风量的测试皆进行了详细说明。 1 4 1 美国a h a m c - 卜2 0 0 0 标准【船】 a h a m a c 1 2 0 0 0 为美国家电制造协会所制定的空气净化器测试标准，主要目的 是测量空气净化器滤网及送回风设计所造成的整体净化效率，并以c a d r ( c l e a na i r d e l i v e r yr a t e ) 来量化表示，藉此比较不同空气净化器间c a d r 差异并据以评定性能的 优劣。该标准目前是欧美厂商广泛采用的空气净化器性能测试方法，但并未涉及净化 器产品的噪音、脱臭、耐久性及风量等测试方法，而这些性能指标对于评价净化器性 能的优劣是非常重要的。 该标准的测试环境为一个3 2 r e x 3 6 6 m 2 4 4 m 的小室，配有空调净化系统，并有 加减湿装置以保证室内温、湿度的恒定，空气是经过h e p a ( 高效过滤器) 过滤的。 a h a m a c 2 0 0 0 n 试标准规定，净化器测试过程中环境的温湿度须控制在2 1 士2 5 、 4 0 士5 ，净化器的供应电源为2 2 0 士lv 、5 0 士1 h z 。测试主要对象为粉尘、香烟粒子、 花粉。 1 4 2 日本( j 1 09 6 1 5 ) 工业标准 日本工业标准j i c9 6 1 5 规定了多种空气净化器性能参数的测试方法。另外，标准 还对净化器产品的风量、粉尘捕集率、粉尘保持容量、气体去除率、气体去除容量等 各项参数的限值做了规定。该标准可以比较全面地评价空气净化器的性能，具有较好 的可比性，但专业化项目多，综合性不够强，一般用户很难理解各项性能参数的意义。 该标准未对测试环境进行具体规定。 1 4 3 国内空气净化器标型4 2 】 l o 第一章绪论 由于g b t1 8 8 0 1 2 0 0 2 中规定的测试时间为2 0 m i n ，主要适用于空气净化器对衰 减系数较大的颗粒物净化效率的检测，而不适用于衰减系数较小的化学污染物，所以 急需制定新的适合空气净化器行业发展的国家标准。为此全国家用电器标准化技术委 员会( s a c t c4 6 ) 对原标准g b t1 8