PM2.5凈化裝置設(shè)計(jì)探索

鄭珍珠 周賽華 洪坤東 謝永杭

（廣州大學(xué)，廣東 廣州 510006）

當(dāng)下，大氣污染日益嚴(yán)重，大半個(gè)中國(guó)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(tǒng)被吸入后沉積到肺泡，造成肺部及全身性炎癥，心血管系統(tǒng)損傷。研究表明，PM2.5日平均濃度每增加10ug/m3，呼吸系統(tǒng)疾病的死亡風(fēng)險(xiǎn)就增加0.97%，心血管疾病的死亡風(fēng)險(xiǎn)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(huì)對(duì)發(fā)育期的兒童肺功能有明顯影響。流行病學(xué)資料顯示，生活在污染嚴(yán)重城市的人患肺癌的風(fēng)險(xiǎn)比生活在清潔城市的人高10%—15%。

目前常見的PM2.5凈化技術(shù)有HEPA、活性炭吸附、等離子/負(fù)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(shù)。其過濾介質(zhì)由細(xì)微玻璃纖維制成，厚度和質(zhì)地與吸墨紙非常相似。HEPA高效過濾器一向被認(rèn)為對(duì)所有0.3微米和更大的顆粒最低去除率高達(dá)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(guān)系密切的氣態(tài)污染物?；钚蕴课?、光催化（光觸媒）凈化技術(shù)雖然對(duì)氣態(tài)污染物有較好的凈化效果，但對(duì)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(shù)，其凈化原理簡(jiǎn)單，對(duì)固體顆粒和氣態(tài)污染物都有較好的凈化效果，由此技術(shù)制造出來的PM2.5凈化裝置售價(jià)低，維護(hù)簡(jiǎn)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(yīng)能有效降低空氣中的PM2.5的濃度。但目前關(guān)于水洗凈化PM2.5原理的研究少之又少，所以對(duì)水洗凈化PM2.5的詳細(xì)研究相當(dāng)有必要。

國(guó)家環(huán)保部根據(jù)我國(guó)情況于2012年發(fā)布的《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》GB 3095—2012， 規(guī)定環(huán)境空氣中的PM2.5控制濃度一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為日平均濃度35μg/m3，與世界衛(wèi)生組織推薦準(zhǔn)則值空氣中的PM2.5日平均濃度25μg/m3的標(biāo)準(zhǔn)相近，可以做為室內(nèi)和車內(nèi)環(huán)境中的PM2.5的測(cè)試評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

1 凈化裝置設(shè)計(jì)

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(dāng)目數(shù)的紗網(wǎng)上，在紗網(wǎng)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(wǎng)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(shí)會(huì)形成大量細(xì)小水顆粒懸浮在紗網(wǎng)上方，空氣經(jīng)過此含有大量細(xì)小懸浮水顆粒層時(shí)，空氣中的污染物會(huì)因攔截作用、擴(kuò)散作用、重力和慣性的作用溶于水顆粒中，最終水顆粒會(huì)在重力的作用下落入紗網(wǎng)下方的水槽中。此種凈化方式相對(duì)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(jìn)一步提高此裝置的凈化效率。

1.2 凈化裝置構(gòu)造（見圖1）

1.3 裝置凈化過程

水循環(huán)：水泵將底部?jī)?chǔ)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(xì)小水顆粒，并在五層紗網(wǎng)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(wǎng)上，隨紗網(wǎng)上洗過空氣的水一起流入儲(chǔ)水池。

空氣循環(huán)：右側(cè)風(fēng)機(jī)將外界空氣吸入，空氣運(yùn)動(dòng)路徑如上圖箭頭所示?？諝饨?jīng)紗網(wǎng)水膜水洗凈化后再被紗網(wǎng)上方的霧化層凈化，最后經(jīng)裝置左側(cè)開口的擋水板離開。

2 凈化實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)概述

依據(jù)廣州市環(huán)境檢測(cè)中心2012年監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)：廣州市區(qū)PM 2.5日平均濃度0.073mg/m3，國(guó)家環(huán)保部根據(jù)我國(guó)情況于2012年發(fā)布的《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》GB 3095—2012， 規(guī)定環(huán)境空氣中的PM2.5控制濃度一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為日平均濃度 35μg/m3。

選取廣州大學(xué)工程實(shí)驗(yàn)北樓的605a實(shí)驗(yàn)室作為實(shí)驗(yàn)房間，房間尺寸6m×7.6m×4.5m。

2.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試儀器

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

AWA6218B型噪聲統(tǒng)計(jì)分析儀：精度等級(jí)：2級(jí)；測(cè)量范圍：35-130dB

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

2.3 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)設(shè)置了三種工況，分別是工況1空氣經(jīng)過水膜的速度為1.50m/s，工況2空氣經(jīng)過水膜速度為1.43m/s，工況3空氣經(jīng)過水墨速度為1.30m/s。實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)，每隔5min記錄一次裝置進(jìn)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（見圖2～8）

2.5 數(shù)據(jù)處理及分析

η=[（C1-C2）/C1]×100%

C1 為室內(nèi)最初PM2.5濃度，C2房間經(jīng)凈化后的PM2.5濃度

工況1：室內(nèi)初始PM2.5濃度C1=0.107mg/m3，經(jīng)過120分鐘的凈化后室內(nèi)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(nèi)初始PM2.5濃度C1=0.101mg/m3，經(jīng)過120分鐘的凈化后室內(nèi)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(nèi)初始PM2.5濃度C1=0.105mg/m3，經(jīng)過120分鐘的凈化后室內(nèi)PM2.5濃度C2=0.057mg/m3

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

3 結(jié)論

3.1 由自然沉降實(shí)驗(yàn)可知，當(dāng)把室內(nèi)空氣PM2.5的濃度升高到120ug/m3，不使用凈化裝置，經(jīng)過1h的自然沉降，室內(nèi)空氣PM2.5的濃度會(huì)維持在105ug/m3。由此也可推出，不同工況的實(shí)驗(yàn)中室內(nèi)空氣PM2.5濃度降到105ug/m3以下，是因?yàn)閮艋b置的凈化作用。

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

由此可得出結(jié)論：水膜水洗凈化和霧化水凈化PM2.5是一種簡(jiǎn)單有效的凈化PM2.5的新技術(shù)，采用此項(xiàng)技術(shù)的PM2.5凈化裝置能夠?qū)⑹覂?nèi)空氣凈化到國(guó)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(shí)驗(yàn)中改變的是風(fēng)機(jī)的風(fēng)量，即改變被凈化空氣通過水膜的速度。工況1，風(fēng)速V=1.50m/s，效率η=69%；工況2，風(fēng)速1.43 m/s，效率η=54%；工況3，風(fēng)速V=1.30m/s，效率η=46%。由此可以推測(cè)，水膜水洗凈化的效率與空氣經(jīng)過水膜的速度有關(guān)，而且在一定范圍內(nèi)凈化效率隨風(fēng)速的增加而增加。

[1]徐玉黨.室內(nèi)污染控制與潔凈技術(shù)[D].重慶：重慶大學(xué)出版社，2008.

[2]西安工程大學(xué).流體動(dòng)力式噴水室凈化PM2.5的研究[J].全國(guó)暖通空調(diào)制冷2008年學(xué)術(shù)年會(huì)資料集，2008.

[3]國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢疫總局.GB/T18883-2002 室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[S].環(huán)境工作通訊，2003（03）：26-33.

[4]國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢疫總局.GB 3095—2012環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[S]，2012.