（环境工程专业论文）室内甲醛的光催化治理及空气净化器的设计.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 纳米光催化空气净化技术是目前国内外研究的一个热点，它是以纳米t i 0 2 为催化 剂，在室温条件下可将空气中的有机污染物和部分无桃物予以光解消除。与传统的空气 净化技术相比，纳米光催化空气净化技术具有处理效率高、能耗低、操作简单、无二次 污染等优点，因而在空气净化领域表现出广阔的应用前景。 本论文以消除室内典型污染物甲醛为研究目标，研究内容包括催化剂的制备、光催 化剂的性能测试、光催化反应器的设计、委托加工制作及该光催化反应器降解甲醛效率 的性能测试，同时对影响光催化反应器效率的因素进行了考察分析。 采用溶胶凝胶法制备了三元复合催化剂c 0 2 + - s i 0 2 - t i 0 2 ，。考察了溶胶的p h 值、镀 膜层数、干燥方式、煅烧温度、c 0 2 + 的掺杂量等因素对c 0 2 + - s i 0 2 t i 0 2 光催化性能的影 响，并对催化剂的表面形貌和晶型进行了s e m 、x r d 分析。结果表明，以微波干燥的 c 0 2 + s i 0 2 - t i 0 2 催化剂颗粒比以烘箱干燥的c o ”s i 0 2 - t i 0 2 催化剂颗粒细小、均匀，且 前者对甲醛的光催化效果比后者好。在催化剂的制备过程中，以钛酸四丁酯：正硅酸已 酯：硝酸钻= 1 ：0 0 5 ：0 0 1 的摩尔比配备溶胶一凝胶，在玻璃纤维上镀膜4 5 层，用微 波干燥，然后在5 0 0 5 5 0 0 c 下煅烧1 h ，获得的锐钛矿c 0 2 + s i 0 2 t i 0 2 催化剂具有良好 的催化性能，对初始浓度为2 2 m g m 3 的甲醛的去除效率为8 8 ，比s i 0 2 - t i 0 2 的催化效 率提高了约l o 。 在上述研究基础上，对光催化反应器内部结构进行了优化设计，提出了一种催化剂 层为齿轮状的结构，并和内部结构为层片状和圆筒状的空气净化器进行了性能比较，结 果表明，当负载有c 0 2 + s i 0 2 - t i 0 2 的玻璃纤维呈齿轮状围绕在紫外灯的周围时，催化剂 c 0 2 + s i 0 2 t i 0 2 能很好地接受到紫外光的照射同时也能充分地和污染物质相接触，具有 较好的净化室内空气的效果。考察了湿度对净化效率的影响，同时也考察了净化器连续 运行的稳定性情况。此外，对净化器进行了经济性评价，自行研制生产的空气净化器其 成本比市场上同类产品售价便宜3 0 左右，具有较强的市场竞争力。 关键词：光催化；c 0 2 + - s i 0 2 - t i 0 2 ；甲醛；空气净化器 室内甲醛的光催化治理及空气净化器的设计 r e s e a r c ho nt h ep h o t o c a t a l y s i so ff o r m a l d e h y d ei ni n d o o ra i ra n d d e s i g n i n go fa i rp u r i f i e r a b s t r a c t 1 1 1 ep h o t o e a t a l y t i et e c h n o l o g yo fa i rp u r i f i c a t i o nu s i n gn a n o m e t e rt i 0 2a sp h o t o e a t a l y s t h a sb e e nat o p i co fm a j o ri nt h ew o r l d c o n t r a s ；tw i t ho t h e rc o n v e n t i o n a lt e c h n i q u e s ， n a n o m e t e rp h o t o e a t a l y t i ct e c h n o l o g yh a sm o r ea d v a n t a g e ss u c ha sh i g h e rt r e a t m e n te f f i c i e n c y , l o w e re n e r g yc o n s u m e d ，m o r ee a s i l yc o n t r o l l e d ，n os e c o n d a r yp o l l u t i o ne t e 耵1 ep u r p o s eo ft h i sd i s q u i s i t i o ni st or e m o v et h ef o r m a l d e h y d ei ni n d o o ra i rb y p h o t o e a t a l y t i eo x i d a t i o nt e c h n o l o g y ，n l ec o n t e n t so fm s e a r c hi n c l u d et h ep r e p a r a t i o no f n a n o m e t 豇 p h o t o e a t a l y s t , d e s i g n i n ga n dm a n u f a e t u r e i n gt h ep h o t o e a t a l y t i el _ e a e t o r , a p p r a i s i n g t h ee f f i c i e n c yo f p h o t o c a t a l y t i er e a c t o ra n dt h ea n a l y s i so f t h ei n f l u e n c eo f d i f f e r e n tf a c t o r so n t h ee f f i c i e n c yo f p h o t o c a t a l y t i co x i d a t i o n t kn a n o m e t e rc o z + 一s i 0 2 - t i 0 2p h o t o c t a l y s tw a sp r e p a r e db ys o l - g e lm e t h o d p ho f t h e s e l - g e l ，c o a t i n gc y c l e ，d r y i n gm e t h o d ，c a l c i n i n gt e m p e r a t u r e ，c o d o p e dd o s a g eo fc d + w e r e s t u d i e di no r d e rt om a k et h ep h o t o e a t a l y s th a v et h eb e s tp h o t o e a t a l y s i s s c a n n i n ge l e c t r o n m i c r o s c o p e ( s e m ) a n dx - m yr e f l e c t i o nd i f f r a c t i o ns p e c t r aa r d ) h a db e e nu s e dt o i n v e s t i g a t et h es t r u c t u r a lp r o p e r t i e sa n ds u l f a s em o r p h o l o g yo ft h ec 矿+ 一s i 0 2 1 1 0 2 n 地 r e s u l t ss h o wt h a tp a r t i c l eo fc o z + _ s i 0 2 - t i 0 2w a s “c db ym i c r o w a v eo v e ni sm o r ef i n e ra n d u n i f o r m e rt h a nt h a td r i e db yo v e n n es o l - g e lw a sc o m p o s e do f b yt i ( 0 c 4 h 9 ) 4 ，8 i ( o c 2 h 5 ) 4 a n dc o ( n 0 3 ) zw h e nt h em o l a rr a t i ow a s1 ：o 0 5 ：0 0 1 c o a t i n gt h es o l g c lo ng l a s sf i b e rb y d i p p i n g - d r a w i n gw a y t h e nd r y i n gi tb ym i c r o w a v e o v e n , r e p e a t i n gt h o s ep r o c e s s4 5t i m e s b e f o r ec a l c i n i n gi ta t5 0 0 5 5 0 0 cf o rlh o u r , t h e nt h e1 c o 也5 s i 0 2 彤0 2w a so b t a i n e d w h i c hh a st h eh i g h e s tp h o t o c a t a l y t i ce f f i c i e n c yo f8 8 w h e nt h ei n i t i a lc o n c e n t r a t i o no f f o r m a l d e h y d ei s2 2 m g m j ，i t sp h o t o c a t a l y t i ca b i l i t yi sa b o u t1 0 h i g h e rt h a nt h a to f s i 0 2 一t i 0 2 a tt h eb a s i so fa b o v es t u d y ，t h ei n t e r i o rc o n s t r u c t i o no fp h o t o e a t a l r t i ca i rp u r i f i e rw a s o p t i m i z e dd e s i g n e d ，an e wc o n s t r u c t i o no fg e a rs h a p eh a sb e e nb r o u g h tf o r w o r d c o m p a r e d w i t hc o n s t r u c t i o n so fc a s c a d ea n de y l i n d e r , t h en e wc o n s t r u c t i o nc 锄p r o v i d ea d e q u a t e l y c o n t a c t i n gb e t w e e np h o t o e a t a l y s ta n df o r m a l d e h y d ea n du l t r a v i o l e tr a d i a t i o n ，i ts h o w sg o o d e f f i c i e n c y t h ee f f e c to fh u m i d i t yo nt h er e m o v a le f f i e i e n c y ，a n dt h es t a b i l i t yo fa i rp u r i f i e r h a da l s ob e e ns t u d i e d a st h i sn e wp h o t o c a t a l y t i ea i rp u r i f i e rh a sg o o dp e r f o r m a n c ea n d3 0 c h e a p e rt h a nt h a ts o l do nt h em a r k e t ，i tw o u l dh a v ee n o r m o u sm a r k e ts p a c ei nt h ef u t u r e k e yw o r d s ：p h o t o c a t a l y s i s ；c 0 2 + _ s i 0 2 一t i 0 2 ；f o r m a l d e h y d e ；a i rp u r i f i e r 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名： 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：盘挂耋 导师签名：么纽支堑2导师签名：么名区盈兰2 山吐幸上月盟日 大连理工大学硕士学位论文 引言 继“煤烟型”、“光化学烟雾型”污染后，最近专家研究发现，现代人正进入以“室 内空气污染”为标志的第3 污染时期f n 。随着工业化进程的不断推进，高技术的办公设 备、化纤地毯、漂亮装饰壁纸的出现，引起了室内环境的巨大变化。室内建筑中所用的 装饰材料散发出的一些化学物质，使得室内聚积了大量污染物，造成了室内空气的污染。 人们长期生活在这种含有大量污染物的环境中，会引起头晕目眩，身体衰弱以及各种慢 性病的发生。 目前室内装修用的人造纤维板均含有甲醛胶合剂，胶合剂中的甲醛释放周期长达1 5 年，致使甲醛成为室内空气中的主要污染物。在我国有毒化学品优先控制名单上甲醛高 居第二位。甲醛已经被世界卫生组织确定为致癌和致畸形物质，是公认的变态反应源， 也是潜在的强致突变物之一。 室内污染治理的主要技术有物理吸附技术、化学中和技术、空气负离子技术、臭氧 氧化技术等，这些技术都存在着不同程度的缺点。如物理吸附对新装修几个月的室内有 机物的去除不明显，且会对环境产生二次污染，此外，吸附剂需要定期更换；化学中和 技术一般采用络合技术，破坏甲醛、苯等有害气体的分子结构，该技术最好结合装修工 程使用才能更好的发挥作用；臭氧氧化法由于臭氧本身也是一种空气污染物，国家有相 应的限量标准，如果发生量控制不好，会适得其反。 光催化技术作为一种新兴实用技术，可用于室内污染空气的治理。二氧化钛半导体 光催化剂在包括太阳光在内的各种途径的紫外光的照射下，对各种污染物进行降解氧 化，优点是催化效果好、能耗低、操作简单、无二次污染，该技术在环境污染治理中有 着广阔的应用前景，但目前尚处于试验研究阶段。 本文选取室内典型污染物甲醛作为目标物，用新型的三元复合纳米材料 c 0 2 + s i o z - t i 0 2 为催化剂，在催化剂的制备、改性、空气净化器的设计及成型、净化性 能等方面进行了探索，为光催化技术在环境保护中的应用进行了有益的研究。 室内甲醛的光催化治理及空气净化器的设计 1 绪论 1 1 课题背景 1 1 1 室内空气污染物及其危害 室内空气污染物主要包括悬浮固体颗粒物和气体污染物。而悬浮固体颗粒物包括灰 尘，植物花粉，微生物细胞( 病毒、霉菌、尘螨等) ，烟雾等：气体污染物包括无机气体 ( s 0 2 、n 0 x 、0 3 、n h 3 等) ，挥发性有机物o c s 、甲醛、苯系物等) ，氡气等【l 】。 室内主要空气污染物按其性质来分： ( 1 ) 挥发性有机化合物v o c s 室内环境中v o c s 主要是由建筑材料、油漆、含水涂料、粘合剂、清洁剂、化妆品 和洗涤剂等释放出来，吸烟和烹饪过程中也会产生。办公设备会产生臭氧、氮氧化物、 甲苯、二甲苯等挥发性有机物。室内装修导致的化学污染物主要有：甲醛、氨气、苯 系物等【1 1 。期接触低剂量甲醛可引发慢性呼吸道疾病，引起鼻咽癌、结肠癌、脑瘤、细 胞核的基因突变、d n a 单链内交连和d n a 与蛋白质交连及抑$ 0 d n a 损伤的修复、月经 紊乱、妊娠综合症、引起新生儿染色体异常、白血病，导致青少年记忆力和智力下降。 在所有接触者中，儿童和孕妇对甲醛尤为敏感，危害也就更大。浓度更高时可引起恶 心呕吐、咳嗽、胸闷、气喘、肺水肿，甚至会立即致人死亡【2 j 。 ( 2 ) 物理污染物 几乎所有室内空间都存在花粉、孢子、灰尘、人与动物的毛发、皮屑及细菌粒子等。 人们长期生活在这种含有大量污染物的空气中，会感到身体不适、耳鼻喉受到刺激、头 晕目眩，以致引发各种慢性病p j 。 ( 3 ) 微生物污染物 细菌、病毒、尘螨等来源于死或活的有机体。室内潮湿的地方容易滋生细菌、真 菌，散发出令人讨厌的臭气；细菌、真菌和霉菌会导致过敏、哮喘及传染病等症状j 。 ( 4 ) 放射性污染物 石材中的放射性主要来源于镭、钍等放射性元素在衰变中产生的放射性物质。当空 气中可衰变物质的含量过大，即放射性物质的“比活度”过高时，对人体是有害的。天 然石材的放射性危害主要来自两个方面，即体内辐射与体外辐射。体内辐射主要来自于 放射性辐射在空气中的衰变而形成的放射性物质氡及其子体。氡是自然界唯一的天然 放射性气体，氡在作用于人体的同时会很快衰变成人体能吸收的核素，进入呼吸系统造 成辐射损伤，诱发肺癌。体外辐射主要是指天然石材中的辐射体直接照射人体后产生一 大连理工大学硕士学位论文 种生物效果，会对人体内的造血器官、神经系统、生殖系统和消化系统造成损伤【们。 有关专家指出，从空气污染对影响人体健康的角度来看，室内空气污染比室外大气 污染造成的危害更严重。这主要是由于人们每天8 0 9 0 的时间是在室内度过，室内空 气的污染物浓度要高于室外2 5 倍。绝大多数污染物都是借助于空气传播，通过人的呼 吸和皮肤对人体造成危害。因此，室内空气质量毋庸置疑成了环境问题的研究重点。 1 1 2 室内空气污染状况及特点 通常所指空气污染主要是指室外空气受到的污染。我国的污染治理始于2 0 世纪7 0 年代，主要围绕工业污染源进行治理，随着国家对环保投入的加大，国民环保意识的提 高，人们对自身生活范围环境的重视达到前所未有的程度。实际上，室内污染往往比室 外污染的危害更大，室内环境受到室内、室外因素的共同影响。 我国2 0 世纪8 0 年代以前，室内污染物主要是燃煤所产生的二氧化碳、一氧化碳、 二氧化硫、氮氧化物等。9 0 年代初期，由于室内吸烟、燃煤、烹调以及人体呼出的二氧 化碳等1 4 9 种有害物质对室内造成污染，引发了室内空气换气机的销售热潮，但因室外 空气污染的日益严重，这种单纯依靠室内、外空气交换而实现室内空气质量改善的方法 己逐渐被淘汰。9 0 年代末期，随着国内住房改革和国民生活水平的提高，特别是建材业 的高速发展、装修热的兴起，由装饰材料所造成的污染成了室内污染的主要来源。尤其 是空调的普遍使用，要求建筑结构有良好的密闭性能，而现行设计的空调系统多数新风 量不足，空气的循环使用使室内空气质量更加恶化1 7 j 。 室内空气污染可以定义为：由于室内引入能释放有害物质的污染源或室内环境通风 不佳而导致室内空气中有害物质无论是从数量上还是种类上不断增加，并引起人的一系 列不适症状，称室内空气受到了污染嗍。 随着我国经济的发展和人民生活水平的提高，城镇居民家居装修热迅速兴起，使室 内污染呈现出日益严重和复杂化的特点。 ( 1 ) 室内污染物种类增加。除一般的c o 、c 0 2 、s 0 2 、n o x 和微生物外，很多装修 材料可向室内释放出多种挥发性污染物，如甲醛、苯、甲苯、二甲苯、醚类、酯类、酚、 石棉粉尘、放射性物质等1 9 1 ，从而污染室内空气。已有人从装修后的室内空气中检测出 5 0 0 多种化学物质，其中2 0 多种有致癌或致突变作用i l o 】。根据我国卫生、建设和环保 部门进行的一次室内装修材料抽查发现，能造成室内空气污染的材料占6 8 ，能散发出 3 0 0 多种挥发性的有机物，使长期生活或工作在这种环境中的人群出现头昏、失眠、皮 肤过敏等亚临床症状，严重时将导致各种疾病，包括呼吸道、消化道、神经、心血管疾 病等。 室内甲醛的光催化治理及空气净化器的设计 ( 2 ) 室内空气污染物浓度升高。据美国环保总署调查表明，室内空气污染程度是室 外的2 3 倍，有些情况下甚至可达1 0 0 倍【l ”。由于装修后居室气密性提高，通风少， 污染物排出率低，更有利于真菌、细菌和尘螨等各种微生物生长，此外，有害物质释放 时间延长，给人群健康带来更为不利的影响。 ( 3 ) 室内空气污染对人体影响更加复杂化。由于装修后室内污染物成分繁多，相互 作用及影响因素繁杂，因此对人体的毒性作用更趋复杂。虽然目前各国对室内主要污染 物浓度已进行限定，但实际情况是即使各污染物低于规定剂量，但它们混合后仍有可能 对人体产生不利甚至毒性作用，如不良建筑物综合症，各类神经衰弱症状，眼、鼻、呼 吸道1 1 2 】刺激症状等。而据最新研究，上述症状均对细胞组织造成分子水平损伤1 1 3 】。 1 1 3 室内空气污染的治理措施、现状及方法 ( 1 ) 使用绿色环保材料 使用绿色环保材料，控制主要污染源。控制污染源主要是在建筑选材和室内装修过 程中选择有害气体( 主要是r o t s ) 散发量小的绿色建材和涂料。 ( 2 ) 通风换气 常开窗或安装通风换气机，是最经济简单且有效的降低室内空气污染的方法。具体 来说，通风换气对新风既有量的要求，又有质的要求，使得这种方法主要用于污染程度 轻、并且户外空气质量较好的场合和合适的气候条件，因此对中度以上的室内污染则无 法起到净化作用。 ( 3 ) 栽种绿色植物 某些绿色植物对一些居室污染物有着良好的吸收净化功能，利用植物的这一特性， 在居室内摆放特定植物，既能美化环境，又可净化室内空气，是一种长期有效的途径。 近几年，北京中科中环环境应用技术研究中心对一些花草植物进行了大量的考察和研 究，表明确有部分植物置于室内能净化吸收室内污染物、降低室内污染物浓度【l ”。但 是有些植物不仅会与入争氧，还会散发出有毒气体，且其吸附性能缓慢，难以在短时间 较快地去除有害物质，并且在污染程度较高的室内，其存活也会受到威胁1 5 6 1 。 ( 4 ) 使用空气净化器 从治理的角度净化室内空气，通过使用室内空气净化器，可以在不影响室内温度和 不受室外空气影响的情况下进行有害气体的清除。国内外市场上出现的室内空气净化器 有机械式、物理吸附式、静电式、负离子式、化学吸附式、低温等离子式净化器或几晕申 方式的组合。 机械过滤式净化器 5 r 3 轻p - _ i 大学硕士学位论文 这种净化器属于小型空气过滤器，室内空气经过风机加压后通过纤维过滤材料，空 气中的颗粒污染物被捕集下来而达到净化空气的目的。显然，它只能有效地去除空气中 一定粒径范围内的颗粒污染物，对气态污染物却无法去除。因而，其性能不够完善，总 体净化效果不佳。 机械过滤+ 吸附( 吸收) 式净化器 由于颗粒污染物和气态污染物的性质完全不同，因而应分别采用不同的净化机理予 以去除。机械过滤+ 吸附( 吸收) 式净化器的净化原理符合这一原则，将普通空气过滤技术 与木炭、活性炭、h e p a ( h i g he f f i c i e n c yp a r t i c u l a t ea i r ) 吸附技术结合起来，利用木炭、 活性炭、h e p a 对气体具有较强吸附作用的特点，提高了对气态污染物的净化效果，在 总体上改善了净化性能，是目前市场上的主导产品。此外，将普通空气过滤技术与气体 吸收液结合起来，也是一种比较常见的净化技术。但不管是采用吸附还是吸收技术，都 会达到饱和，再生或更换麻烦，因而实际使用时不够方便，这也是限制其广泛应用的主 要原因，亟待解决。 静电式净化器 实际上是一种小型静电式空气过滤器，对粒径较大的颗粒污染物的净化效果较好， 但是无法净化气态污染物，同时，还会产生臭氧等二次污染物，属于逐步淘汰产品。 负离子净化器 负离子俗称“空气中的维生素”，对人体健康十分有益【埘。通过强电场产生负离子， 与空气中的颗粒污染物结合形成“重离子”而沉降或吸附在物体表面，同时，通过负离 子还能杀灭某些细菌，因此，这种净化器有一定的杀菌和净化颗粒污染物的作用，但同 样无法净化气态污染物。 低温等离子式净化器 低温等离子体技术是近2 0 年发展起来的环保技术，被认为是治理气体污染和水污 染的关键技术【嘲。低温等离子体不同于一般的中性气体，它的基本特点是系统主要由 高能电子支配，其净化机理主要有两种：一是在高能电子的作用下，将气相污染物分 子直接离解；二是气相污染物分子与放电产生的大量自由基( 氧自由基、氢氧自由基 等) 发生氧化反应【1 9 - 2 0 i 。但低温等离子体技术受污染物的种类及浓度、反应器的类型 与结构、反应温度、气体流速及停留时间、电源、电流频率等诸多因素影响，存在着 产率不高、效果不稳定等问题。目前，低温等离子体空气净化器还处于实验室阶段。 光催化空气净化器 纳米材料光催化技术是新发展起来的污染治理技术。采用纳米级二氧化钛进行光 催化，直接利用包括太阳光在内的各种途径的紫外光，在常温下对各种有机和无机污 室内甲醛的光催化治理及空气净化器的设计 染物进行分解或氧化，优点是能耗低、操作简单、无二次污染，但还存在利用太阳光 的比例低、反应速率慢等问题。该项技术在污染治理中具有广阔的应用前景，但目前 还处于试验室小型反应系统向工业发展的阶段，要投入实际应用还需进一步的研究。 1 1 4 国内外光催化空气净化技术研究动态 ( 1 ) 国外光催化环境治理技术的研究动态 在众多的光催化剂中，t i 0 2 以其化学稳定性好、无毒、价廉、易得等特点，被誉为 理想的环境治理光催化剂【2 l 】。近年来，国际上对光催化法治理环境给予了充分重视，并 于1 9 9 2 年1 1 月在加拿大召开了第一届“水和空气的t i 0 2 光催化净化处理的国际会议”。 与此同时，各发达国家纷纷提出了发展纳米的科技战略，其中包括美国于2 0 0 0 年提出 的著名的国家纳米发展计划。目前，在光催化技术的理论研究方面，日本、美国、德国 均投入巨资开展研究与开发工作，并大力推动其产业化。其中纳米光催化涂料己经用于 医院、隧道、隔音墙和住宅等领域，其它应用光催化技术的产品还有数十种【捌。 目前在这一领域的研究热点有： 催化剂的二次加工和固定化技术 接触角及超亲水性研究 日本藤岛教授等在研究中发现，当t i 0 2 受紫外线照射时，其表面的亲水性变得极 强，水的接触角可下降到0 度。这种亲水性状态在停止光照后仍能保持1 0 小时至1 周， 然后缓慢恢复光照前的疏水性状态。进一步研究发现，即使完全没有氧化分解活性的 t i 0 2 也能够受光激发变成亲水性。因此可以推断，这种现象是由于纳米t i 0 2 表面自身 的光诱发反应。利用这种现象可研制长期保持亲水性表面的产品，如不需清洗的透光隔 音壁、路旁的标志牌、外部装修使用的瓷砖等。 第二代t i 0 2 光催化剂 现有t i 0 2 光催化剂只能利用波长 5 1 t m 的颗粒的过滤效率在9 9 9 以上，初效过滤器呈圆筒形结 构，气体环形进风，有效增加了过滤面积，提高了过滤效率。被净化后的气体在最后流 出净化器之前，被h e p a 再次过滤，可有效地捕集粒径 0 3 1 t i n 的可吸入颗粒物、烟雾、 灰尘、细菌等，过滤效率在9 9 以上。 4 ，1 2 光催化反应腔结构设计 将紫外杀菌灯管置于圆筒形滤筒的轴心位置，在滤筒和灯之间设一铝质圆筒( 称为 导流筒) ，目的是使经滤筒过滤后的空气汇集到灯的底部，同时也是催化剂层的底部， 人连理丁大学硕士学位论文 镀有c 0 2 + 一s i 0 2 t i 0 2 复合光催化剂的玻璃纤维催化剂层以紫外灯为轴心呈齿轮褶皱状环 绕在紫外灯的周围，透过催化剂层的紫外光射到铝质圆筒上，又被反射回到催化剂表面， 即铝质导流筒同时也可以起到反光的作用，这种设计充分的利用了光能，提高催化效率， 同对也节约了能源。经过光催化区净化的气流经h e p a 过滤后最后流出空气净化器。 影响反应器效率的主要因素如前面实验中所述，主要包括反应器内部的光照条件、 c 0 2 + 一s i 0 2 t i 0 2 复合体光催化剂层的结构、污染气流的速度等都将对净化效率产生影响。 本研究所设计的光催化净化器内部光源与催化剂层结构示意图如下图4 4 所示。 图4 4 空气净化器的内部结构 f i g 4 , 4i n t e x l m ls t r u c t u r eo f a i rp u r i f i e r 4 2 空气净化器的工作历程 ( 1 ) 空气在轴流风机的驱动下，透过滤筒，粒径较大的可吸入颗粒物、烟雾、灰尘 等被初效过滤器过滤去除； ( 2 ) 经初效过滤器过滤的出口空气再进入光催化反应腔( 具有高效净化功能的光催 化区) ，受到2 5 4 n m 的紫外杀菌灯的直接照射，室内气体中的有害污染物在光催化氧化 分解的同时，各种异味被玻璃纤维层吸附掉，并经过紫外光的消毒杀菌； ( 3 ) 经过光催化净化后的气体被轴流风机送出催化腔； ( 4 ) 气流经过h e p a 吸附过滤后流出空气净化器，完成净化过程。 室内甲醛的光催化治理及空气净化器的设计 1 滤筒，2 铝质导流筒，3 一紫外杀菌灯管，4 一催化剂层，5 轴流风机，6 - h e p a 图4 5 空气净化器工作示意图 f i g 4 5 t h eo p e r t a t i n gs k e t c hm a po f a i r p u r i f i e r 4 3 空气净化器的性能评价 4 3 1 评价方法 ( 1 ) 洁净空气量( c a d r ) 目前，对空气净化器净化效率较为客观的评价是洁净空气量法，洁净空气量是参照 美国标准提出的，它是一项涉及到空气净化器产品使用特征、并能够反映出其净化能力 的性能指标，不仅适用于评价空气净化器去除悬浮颗粒物的能力，也适用于评价去除其 他空气污染物的能力。空气净化器可去除的每一种空气污染物都有个相应的洁净空气 量数值，洁净空气量【7 n ( c a d r ) 的计算式为： c a d r = v ( k r k 。) ( 4 1 ) 式中：c a d r 为洁净空气量( m 3 w a n ) ；v ：测试箱容积( i n 3 ) ；k ：总衰减常数，( m i n l ) ； k b ：自然衰减常数( m i n 。) 。 ，f 劲相关系数的计算 相关系数7 6 1 表示自变量与因变量之间的离散程度，说明线性回归的相关关系的显著 程度，按下式计算： 匹t 只) 2 r 2 = 型一 ( 4 2 ) ( x , b c e y f ) 大连理。r 人学硕十学位论文 其中：匹) 2 = f 。l n c t ，一亡( 一) ( 只) 2 ( 4 3 ) i = li = l，土l忙l # = f ? 一去( f ，) 2 ( 4 4 ) j 。li 。l f 2 l ) ，；= l n q 一亡( l n c t ，) 2 ( 4 5 ) j - lt = 1，；i 式中：r 2 ：相关系数的平方；t j i 时间，。m i n ：i n c ：浓度对数；n ：数据对的数目。 ( 3 ) 有效净化率的计算 y = c a d r q ( 4 6 ) 式中【7 5 】：c a d r ：洁净空气量( m ) ；q ：空气净化器的额定风量( m t 。 4 3 2 评价装置及试验步骤 ( 1 ) 评价装置及条件 密闭测试舱体积为l m 3 ，舱内装有循环风扇，测试舱内温度保持在( 2 1 2 。5 ) o c ，相 对湿度( 5 0 5 ) 。甲醛气体由鼓泡法发生。 嚣! 1 1 0 密闭试验箱2 净化器3 进风口流路4 一出风口流路 5 采样口6 循环风扇7 气体发生器8 截止阀 图4 6 净化器评价装置线路图 f i 4 6t h ed i a m a mo f t h et e s tc h e s t ( 2 ) 实验步骤 。 自然衰减：将待检验的空气净化器置于测试舱的中问，把空气净化器调节到试 验的工作状态，检验正常，密闭测试舱，然后关闭设在实验室外面的净化器开关；由测 试舱的进气口通入一定量的甲醛气体，开启循环风扇，搅拌1 分钟后，关闭循环风扇， 墨堕! 璧堕些些堕垄垄窒皇堡些矍塑丝生 稍后1 分钟，由大气采样器在测试舱的出气口收集气体污染物数据，每5 分钟采样一次， 连续采样5 0 分钟【7 6 - 7 8 。 总衰减：重复上述试验步骤。开启被监测的空气净化器，用大气采样器采样，每 5 分钟采样一次，连续采样5 0 分钟。 ( 3 ) 分析方法 甲醛检测：g b t1 3 1 9 7 1 9 9 1 甲醛的测定采用乙酰丙酮分光光度法【7 9 】。 4 3 3 试验结果 ( 1 ) 样机的监测数据 将催化剂结构设计成齿轮状的空气净化器样机置于l m 3 的测试舱中，监测其对甲醛 的处理能力。对样机进行l 组自然衰减试验和4 组总衰减试验，试验数据如下表所示( 浓 度单位m g m 3 ) 。 表4 1 齿轮状空气净化器对甲醛的实验结果 t a b 1t h er e s u l to f d e g r a d a t i o no f f o r m a l d e h y d eo f t h es t r u c t u r eo f g e a r 51 6 5 12 8 0 1 3 7 32 6 21 2 9 82 5 61 3 9 0 2 6 31 3 5 02 6 0 1 0 1 6 4 82 8 01 l 。2 62 4 2 1 0 6 72 3 71 1 4 32 4 41 1 o l2 4 0 1 5 1 6 4 52 8 08 9 4 2 1 98 5 52 1 59 112 2 1 8 6 22 1 5 2 01 6 4 22 8 0 6 9 51 9 46 5 51 8 87 0 8 1 9 66 6 11 8 7 2 51 6 3 92 8 0 5 3 31 6 75 1 2 1 6 35 3 51 6 74 9 3 1 6 0 3 01 6 3 5 2 7 94 1 81 4 3 3 8 91 3 64 1 41 4 23 5 6 1 2 7 3 51 6 3 22 7 93 0 2 1 1 12 7 31 0 02 9 81 0 9 2 4 00 8 7 4 01 6 3 0 2 7 92 1 30 7 61 。8 4 0 6 1 1 9 5 0 6 71 4 9o 4 0 4 51 6 2 8 2 7 91 7 60 5 61 1 0 0 ，0 11 0 6o 0 6o 7 7m 2 6 5 01 6 2 62 7 91 3 4 o 2 9o 4 8- 0 7 30 5 5- o 6 0 o 3 8- 0 9 7 ( 2 ) 不同内部结构对光催化效果的影响 为了试验光催化剂层结构对空气净化器净化效果的影响，本论文同时也制造了催化 剂结构成圆筒装和层片状的空气净化器( 如下图所示) ，并在相同的实验条件下比较了这 三种不同催化剂结构的空气净化器的对甲醛的光催化效果，试验结果如表4 2 、4 3 所示。 大连理工大学硕士学位论文 图4 7 对照组空气净化器内部结构示意图 f 喀4 7 t h ei n t e r n a ls t r u c t u r eo f l l l ec o m p a r e da i rp u i f i e r 表4 2 层片状空气净化器对甲醛的实验结果 t a b 4 2t h er e s u l to f d e g r a d a t i o no f f o r m a l d e h y d eo f t h es t r u c t u r eo f s t r a t u m 4 5 室内甲醛的光催化治理及空气净化器的设计 将对3 台不同内部结构的空气净化器样机的监测数据按照公式( 4 1 ) - ( 4 6 ) 进行处 理，其中测试舱体积l m 3 、净化器风机额定风量9 0 m 3 h ，可以得到： 表4 4 不同内部结构的空气净化器的净化效果比较 t a b 4 4 c o m p a r et h ep u r i f i c a t o r ya b i l i t yo f t h et h r e em o d e l s ( 平均值)( 平均值)( 平均值) 从上表可以看出负载有催化剂的玻璃纤维呈齿轮状时对甲醛的净化效果要明显优 于呈层片和圆筒状，造成这种区别的原因是由光催化空气净化器的工作原理决定的。光 催化空气净化器利用二氧化钛( t i t a n i u md i o x i d e ，t i 0 2 ) 电子结构所具有的特点，被紫外 光照射后可产生游离电子及空穴，发生具有极强氧化性的活性氧，因而具有很强的光氧 化还原功能，催化分解病菌和污染物。只有当催化剂被紫外光激发并且和污染物充分接 触，才能起到净化效果。齿轮状中的催化剂以齿轮状环绕在紫外灯的周围，在有限的辐 大连理工大学硕士学位论文 射场空间内催化剂层呈齿轮褶皱形式增大了光催化面积，充分地利用了光能。待净化气 流从催化剂表面流过，污染物和催化剂充分接触，实现净化。当催化剂以层片状设置时， 气流垂直穿过催化剂层，气流穿过催化剂层时阻力大，会影响单位时间的过风量，即减 少单位时间到达催化剂表面的污染物的量，且和紫外灯垂直方向的光能没有利用起来。 当催化剂以紫外灯为轴心呈圆筒状围绕在紫外灯的周围时，处于内层的催化剂虽然能充 分受到紫外光的激发，但光催化面积较小，而处于外层的催化剂接收到的光能很少，所 以样机圆筒状不能很好的发挥光催化降解污染物的作用，其净化能力相当低。故催化剂 结构设计成齿轮状是合理的。 ( 3 ) 空气净化器对连续低浓度甲醛气体的处理效果 实验方案设计( 条件) ：往l m 3 的密闭的测试舱中以1 l r a i n ( 醛稀释液) 的流量持续 通入甲醛气体( 浓度约为1 0 m g m 3 ) 3 h ，进行配气。在这3 h 内每2 0 m i n 以0 5 l r a i n 的流 量取样一次，采样时间1 0 m i n ，分别检测不放入空气净化器( 测空白) 、放入空气净化器 但不开紫外灯( 测自然衰减) 、以及开紫外灯的空气净化器( 测总衰减) 时舱内甲醛浓度变 化。 、 实验结果如下表4 5 及图4 8 所示。 表4 5 净化器对连续的低浓度的气体的处理效果 t a b 4 5d e g r a d a t i o no f l o wc o n c e n t r a t i o nc o n t i n u o u sf o r m a l d e h y d eg a s 、过问( m 蛐 项目 02 04 06 08 01 0 01 2 01 4 01 6 01 8 0 空白( m g m 3 ) 00 2 20 4 00 5 90 7 90 9 81 1 81 3 61 5 21 6 1 自然衰减( m g m 3 ) 00 1 30 2 6 0 4 1 0 6 1 0 8 10 9 41 1 81 3 61 4 4 总衰减( m g m 3 ) 00 0 90 0 80 0 90 0 80 110 0 80 1 30 1 20 1 4 将上表中数据作图，如下。从图中我们可以看出，当测试舱不放入空气净化器，随 着甲醛气体的通入，舱内甲醛浓度呈直线上升；放入不开紫外灯的空气净化器后，与不 放空气净化器相比，舱内甲醛浓度开始下降的幅度比较明显，后来就渐趋缓慢，这是因 为，开始时甲醛浓度下降是由空气净化器的吸附造成的，这种吸附既包括过滤器的吸附， 也包括光催化室内附载有催化剂的玻璃纤维的吸附。 室内甲醛的光催化治理及空气净化器的设计 时阃( m i n ) 图4 8 净化器对连续的低浓度的气体的处理效果 f i g 4 8 d e g r a d a t i o no f t o wc o n c e n t r a t i o nc o n t i n u o u sf o r m a l d e h y d eg a s 在o 6 0 m i n 这个时间段内，浓度变化幅度较大，是因为这时的吸附还没有达到饱 和，待甲醛在净化器内的吸附达到饱和后，舱内甲醛浓度变化趋势就和没有放入净化器 时一样了。当放入空气净化器并开紫外灯时，舱内甲醛浓度一直维持在o 1 m g m 3 左右。 ( 4 ) 空气净化器对甲醛气体的处理效果 试验条件：l m 3 测试舱内温度保持在( 2 14 - 2 5 ) o c ，相对湿度( 5 0 5 ) 。将空气净化 器密封在测试舱中，往测试舱中以5 l r a i n ( 醛稀释液) 的流量通入甲醛气体( 浓度约为 2 0 m g ，l n 3 ) 1 0 n l i l l 。分别测3 h 内由于自然衰减和总衰减所引起的测试舱内甲醛浓度变化。 采样口流量o 5 l m i n ，采样时间2 0 m i n 。实验结果如图4 9 所示。 时同m i n ) 图4 9 净化器对甲醛气体的处理效果 f i g 4 9d e g r a d a t i o no f l o wc o n c e n t r a t i o nf o r m a l d e h y d eg a s 一4 8 大连理工大学硕士学位论文 从上图可以看出，空气净化器的净化效果明显。对于初始浓度为1 2 m g m 3 的甲醛 气体，空气净化器运行3 h 后对甲醛的去除率达8