室內(nèi)甲醛實時監(jiān)測凈化系統(tǒng)

李凱華　于龍宇　李建寧

摘 要：室內(nèi)裝修的普及，使室內(nèi)甲醛污染日益嚴重。甲醛是基因毒性物質(zhì)，危害極大。本文設(shè)計了一套以單片機為智能控制模塊，以HCHO sensor甲醛傳感器為數(shù)據(jù)采集模塊，以高錳酸鉀改性的活性炭為凈化模塊的甲醛實時監(jiān)測凈化系統(tǒng)。系統(tǒng)功能：設(shè)標準值、顯示濃度、超標報警、超標凈化。實驗結(jié)果表明，甲醛凈化的最佳配比：高錳酸鉀濃度800mg/L，體積50ml，活性炭質(zhì)量200mg，99Hz超聲混合10min。經(jīng)驗證，活性炭對甲醛的吸附符合二級動力學(xué)方程。

關(guān)鍵詞：甲醛傳感器；單片機；高錳酸鉀；活性炭；動力學(xué)

中圖分類號：X502 文獻標識碼：A

1 引言

隨著生活水平的提高，人們對居室的要求越來越高，各種裝修、裝飾材料進入千家萬戶，室內(nèi)空氣污染加劇。甲醛作為重要的有機原料，廣泛存在于各種人造板材、皮革、家具、涂料等使用黏合劑的材料，存在于清潔劑、化妝品和各種裝飾用品，并緩慢釋放。

甲醛是原漿毒物，吸入高濃度甲醛時，會引起呼吸道嚴重刺激，支氣管哮喘，鼻咽喉癌變或猝死。若經(jīng)常吸入少量甲醛，會導(dǎo)致免疫功能、心肺功能異常，引發(fā)鼻咽喉癌，甚至死亡。甲醛在我國的有毒化學(xué)物品控制名單中高居第2位，被世界衛(wèi)生組織認定為致癌和致畸形物質(zhì)。

如今，室內(nèi)甲醛的監(jiān)測凈化引起了人們的廣泛關(guān)注。甲醛監(jiān)測方法有：傳感器法、氣相色譜法、酚試劑分光光度法等。除傳感器法外，都需人工現(xiàn)場取樣，過程復(fù)雜，周期長，無法實現(xiàn)實時監(jiān)測。本文采用的HCHO sensor甲醛傳感器不需人工取樣，響應(yīng)快、精度高、性能穩(wěn)定、線性度好、操作簡單。甲醛凈化方法：植物凈化、光催化凈化、臭氧凈化、活性炭吸附。這些方法各有優(yōu)劣，植物凈化有一定效果，但不確定因素較多；光催化凈化前景好，但凈化率低，有二次污染；臭氧凈化可將甲醛分解生成水和二氧化碳，但臭氧本身也是污染物；活性炭吸附法成本低廉、無毒副作用，但吸收效率低?；钚蕴拷?jīng)過氧化改性可使其孔隙結(jié)構(gòu)和表面官能團數(shù)量發(fā)生變化，增強其化學(xué)吸附性能。因此，本文采用了高錳酸鉀溶液對其進行改性。實驗證明，改性后的負載活性炭對甲醛吸附率大大提高。系統(tǒng)在實現(xiàn)實時監(jiān)測、凈化的同時，也遵循了性價比最優(yōu)原則，具有很高的實用價值。

2 智能控制部分

2.1 元件選擇

HCHO sensor甲醛傳感器、STC12C5A60S2單片機、液晶顯示器LCD1602、氣泵、TTL電平轉(zhuǎn)換芯片（5V轉(zhuǎn)3.3V）。

2.2 模塊組成

系統(tǒng)主要由主控核心CPU、數(shù)據(jù)采集模塊、鍵盤模塊、LCD顯示模塊、報警模塊、繼電器模塊組成。

2.3 模塊設(shè)計

2.3.1 數(shù)據(jù)采集模塊

室內(nèi)甲醛氣體經(jīng)擴散進入HCHO sensor傳感器，傳感器內(nèi)部的電解質(zhì)與甲醛氣體發(fā)生反應(yīng)后，能夠產(chǎn)生微弱的模擬電信號，該信號經(jīng)過傳感器內(nèi)部的放大電路得到與甲醛濃度成一定比例的模擬電信號，最后經(jīng)過內(nèi)部的模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路輸出數(shù)字信號。

按照串口通信協(xié)議，單片機需要定時發(fā)送查詢監(jiān)測數(shù)據(jù)指令給傳感器，傳感器返回數(shù)據(jù)包給單片機，單片機系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行處理得到甲醛濃度。

HCHO sensor傳感器優(yōu)勢：由英國dart傳感器公司生產(chǎn)，采用了獨特的電解質(zhì)封裝技術(shù)，內(nèi)置高性能的模擬電路和數(shù)據(jù)處理單元，并集成了大量的經(jīng)驗算法，可以直接輸出甲醛的數(shù)字濃度信息，而且出廠時已進行零點標定和標準氣濃度標定。HCHO sensor響應(yīng)快、性能穩(wěn)定、精準度高、性價比高。

2.3.2 鍵盤模塊

鍵盤模塊通主要過單片機和兩個按鍵來實現(xiàn)人機交互。通過鍵盤模塊向單片機發(fā)送動作指令，控制系統(tǒng)運行，然后在液晶屏1602上顯示報警臨界值。

當沒有按鍵按下時，初始報警濃度為0.08mg/m3。當1號按鍵按下時，不改變報警濃度，檢測到1號按鍵彈起時，報警濃度下調(diào)0.01mg/m3；當2號按鍵按下時，不改變報警濃度，檢測到2號按鍵彈起時，報警濃度上調(diào)0.01mg/m3。除1號和2號按鍵外，其他按鍵全部設(shè)為無效。這樣設(shè)計鍵盤模塊，有利于排除干擾和實現(xiàn)消抖，準確設(shè)置報警臨界濃度，維護系統(tǒng)安全。

2.3.3 LCD顯示模塊

LCD顯示模塊通過單片機的I/O口實現(xiàn)對1602液晶屏的控制。1602液晶屏可以顯示2行，每行顯示16個字符。顯示模式設(shè)置為：寫指令0×38，16×2顯示，5×7點陣和8位數(shù)據(jù)接口。令第一行顯示甲醛濃度，第二行顯示報警臨界濃度。

2.3.4 報警模塊

報警模塊主要由單片機和蜂鳴器組成，當室內(nèi)甲醛濃度高于報警臨界濃度時，啟動蜂鳴器，否則，蜂鳴器處于關(guān)閉狀態(tài)。

2.3.5 繼電器模塊

繼電器模塊主要由繼電器、氣泵和甲醛處理裝置組成，判斷蜂鳴器是否處于開啟狀態(tài)，若蜂鳴器開啟，則啟動繼電器，氣泵開始工作，甲醛凈化系統(tǒng)開始對甲醛進行凈化，否則，繼電器保持關(guān)閉。

氣泵的作用：控制氣體流速，從而控制室內(nèi)換氣速率。

氣泵的選擇：如果功率過小，則室內(nèi)換氣速率慢，因為甲醛持續(xù)揮發(fā)，達不到很好的凈化效果；如果功率過大，活性炭吸收的甲醛發(fā)生脫附，造成能量的浪費。

輸入電壓：220V

使用功率：200W

2.4 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖（圖1）

2.5 系統(tǒng)硬件實物圖（圖2）

2.6 系統(tǒng)主程序流程設(shè)計（圖3）

3 化學(xué)實驗部分

3.1 實驗原理

活性炭有高度發(fā)達的孔隙結(jié)構(gòu)和龐大的表面積，這種高度發(fā)達的孔隙結(jié)構(gòu)——毛細管構(gòu)成了一個強大的吸附力場會立即將有毒氣體吸入孔內(nèi)達到凈化空氣的作用。活性炭的結(jié)構(gòu)特性和化學(xué)性質(zhì)決定了其吸附性能，利用化學(xué)法對活性炭進行改性，可改變其吸附性能。

3.2 實驗方案

（1）利用不同濃度的高錳酸鉀溶液對活性炭進行浸泡處理，通過比較相同時間內(nèi)甲醛吸附率的差異，找出高錳酸鉀與活性炭的最佳配比。

（2）利用最佳配比下的活性炭對不同濃度的HCHO氣體進行吸附，在低成本的前提下驗證該配比，并檢驗是否符合動力學(xué)。

3.3 實驗藥品及儀器

活性炭，高錳酸鉀溶液，硫酸，玻璃缸（帶玻璃蓋），氣泵，風扇，圓底燒（帶膠塞），甲醛溶液，玻璃管，橡膠管，大燒杯，甲醛傳感器，漏斗，鐵架臺（帶鐵圈），濾紙，電爐，分析天平，玻璃棒，量筒，單片機傳感器，真空抽濾泵，烘箱，超聲波震蕩器

3.4 實驗步驟

3.4.1 最佳配比的探索

（1）擬定一系列配比：固定活性炭的質(zhì)量為200mg，高錳酸鉀的體積為50mL，改變高錳酸鉀的濃度為200mg/L，400mg/L，600mg/L，800mg/L，1000mg/L。

（2）配比探索實驗過程

（a）活性炭的處理

用分析天平稱取5份200mg/份的活性炭，然后分別取200mg/L，400mg/L，600mg/L，800mg/L，1000mg/L，高錳酸鉀溶液各50mL分別加入5個相同的燒杯中，并分別加入10mL硫酸酸化，混合均勻后放入超聲波震蕩器中在99Hz頻率下超聲混合10分鐘，抽濾并將所得固體烘干。

（b）甲醛氣體的制取

將甲醛傳感器和單片機組成的甲醛檢測系統(tǒng)放入27cm×15cm×40cm的玻璃缸中，蓋上玻璃蓋，用量筒量取30mL甲醛溶液于圓底燒瓶中，在其膠塞中引入橡膠管，將橡膠管迅速從玻璃蓋最外側(cè)的小孔通入玻璃缸中。將圓底燒瓶放入盛有自來水的大燒杯中，將大燒杯放到電爐上，開啟電爐，待玻璃缸內(nèi)1602液晶屏顯示甲醛氣體濃度為1.000mg/m3左右時，取出橡膠管，將玻璃蓋蓋好，將玻璃缸內(nèi)氣體充分混合，待傳感器示數(shù)穩(wěn)定。

（c）甲醛氣體的吸附

對浸泡完畢的改性活性炭進行抽濾，濾去浸泡液，干燥處理。將200mg處理好的改性活性炭放入玻璃缸中，蓋好玻璃蓋，每隔5分鐘記錄傳1602液晶屏數(shù)據(jù)，記錄時間為1小時，計算吸附率，得出最佳配比。

3.4.2 最佳配比的驗證過程

保持高錳酸鉀濃度不變，為1過程實驗得出的最佳高錳酸鉀濃度，更換0.6mg/m3，0.9mg/m3，1.2mg/m3，1.5mg/m3，1.8mg/m3的甲醛濃度來驗證該最佳濃度的吸附效果。

3.5 結(jié)論與分析

3.5.1 結(jié)論

通過對第一步實驗探索方面實驗數(shù)據(jù)的分析及吸附率的計算，最終確定在溫度為20℃，濕度為23%，99Hz超聲混合10min的條件下，最佳配比為：高錳酸鉀的濃度為800mg/L，體積50mL，活性炭的質(zhì)量為200m。通過最佳配比驗證過程的數(shù)據(jù)分析，此濃度下的高錳酸鉀改性活性炭對甲醛氣體的吸附能力具有較好的吸附能力。

3.5.2 化學(xué)動力學(xué)的實驗方法分析

（a）吸附劑用量對吸附性能的影響

（b）高錳酸鉀的濃度對吸附性能的影響

與密閉容器中充入1.15mg.m-3的甲醛氣體四份，按下列標準200mg.L-1、400mg.L-1、600mg.L-1、800mg.L-1、1000mg.L-1的高錳酸鉀50mL，處理200mg活性炭。將處理過的活性炭至于密閉容器中吸附甲醛，按設(shè)定時間取樣。甲醛的去除率和平衡吸附量的測定方法同上。

（c）吸附動力學(xué)實驗

動力學(xué)實驗是取不同初始濃度的甲醛氣體，加入200mg處理的活性炭，置于密閉容器中，按設(shè)定時間取樣。甲醛的去除率和平衡吸附量的測定方法同上。

3.5.3 結(jié)果分析

（a）吸附劑用量對吸附性能的影響

活性炭對甲醛的去除率隨活性炭的增加而增大，當活性炭的數(shù)量達到200mg時，去除率基本達到飽和，其原因是當空氣中的甲醛濃度一定時，吸附劑用量越大，吸附劑上可提供吸附的活性位點結(jié)合而被吸附，從而活性炭對空氣中的去除率越大；此后再增加吸附劑用量，甲醛去除率變化不大，可能是由于吸附劑的重疊或聚合，導(dǎo)致吸附能利用的表面積和有效的吸附活性位點相應(yīng)減少。

（b）高錳酸鉀的濃度對吸附性能的影響

隨著高錳酸鉀濃度的增加，去除率增大，其原因可能是高錳酸鉀具有一定的氧化性，活性炭表面的活性位點與高錳酸鉀結(jié)合越多，去除率越好。當高錳酸鉀的濃度達到800mg.L-1時，去除率趨于平穩(wěn)，可能是活性炭與高錳酸鉀的結(jié)合位點達到飽和，導(dǎo)致去除率不再增加。

（c）活性炭對甲醛的吸附動力學(xué)

為了對活性炭對甲醛的吸附動力學(xué)行為進行更深入的探討，本研究采用了擬二級速率方程和粒子內(nèi)部擴散模型對其吸附數(shù)據(jù)進行分析擬合。

擬二級速率方程

式中qt為不同吸附時間活性炭對甲醛的吸附量（mg·g-1）；k3為粒子內(nèi)部擴散速率常數(shù)（mg·g-1·min-1/2）；t是吸附時間（min），c是截距（mg·g-1）。

3.6.3 對驗證過程的實驗數(shù)據(jù)進行二級動力學(xué)模型的擬定，結(jié)果見表1。

甲醛吸附中性紅溶液的擬二級動力學(xué)方程的相關(guān)系數(shù)R2分別是0.9504、0.8862、0.9955、0.4568、0.9925，表明活性炭對甲醛的吸附符合二級動力學(xué)方程。本實驗用粒子內(nèi)部擴散模型對實驗數(shù)據(jù)進行模擬分析，以qt對t1/2作圖，如果擬合直線通過原點，說明粒子內(nèi)部擴散是主要的速率控制步驟。由數(shù)據(jù)可知，本實驗的粒子內(nèi)部擴散模型的相關(guān)系數(shù)R2較小，并且擬合的直線并未通過原點，說明粒子內(nèi)部擴散并不是該吸附過程中的速率控制步驟。

結(jié)語

（1）適當條件下，用高錳酸鉀改性活性炭可以在很大程度上提高活性炭對甲醛的吸附能力，該方法成本低、效果明顯、實用價值高，應(yīng)用前景廣闊。

（2）本文設(shè)計的室內(nèi)甲醛實時監(jiān)測凈化系統(tǒng)具有靈敏度高、性能穩(wěn)定、低功耗、壽命長、凈化效果好、成本低、擴展性好的優(yōu)點，操作簡單，實用性強。

（3）本文主要側(cè)重改性活性炭對較高濃度甲醛吸附率的研究，受到裝置氣密性、儀器精密度的影響較小，如果要研究較低甲醛濃度吸附，則需要對實驗方案進行大量改進，如反應(yīng)裝置如何制備低濃度甲醛，如何更精密的檢測濃度、如何加強試驗裝置的氣密性等。

（4）不同活性炭對甲醛的吸附能力不同，本實驗只研究了一種活性炭，今后可以選擇不同活性炭種類探究是否可以降低成本，提高凈化效率。

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