中學(xué)有機(jī)化學(xué)和電路控制知識在智能植物液除臭機(jī)中的應(yīng)用

俞家琛

研究目的

利用傳感器技術(shù)設(shè)計(jì)一種智能的植物液除臭裝置，該裝置在所處環(huán)境異味濃度達(dá)到一定量時能自動開機(jī)，當(dāng)異味濃度低于一定值時能自動關(guān)機(jī)。該裝置能適時控制植物液的霧化，使植物液中的有效分子（含有生物活性或化學(xué)活性的雙鍵、羰基等活性基團(tuán)）能迅速和異味分子發(fā)生反應(yīng)，改變其結(jié)構(gòu)，形成無味無害的氣體。

研究思路

從薄荷等多種植物中通過水蒸氣蒸餾法提取植物油，針對廁所主要異味氨氣和硫化氫，將不同植物油按一定的比例配置成專用的植物液。根據(jù)廁所異味濃度，采取超聲波霧化（或霧化噴頭）和洗滌過濾結(jié)合實(shí)現(xiàn)植物液的充分霧化，液滴的半徑<0.04mm，霧化后的植物液滴的比表面積比傳統(tǒng)裝置形成的除臭劑液滴的比表面積大60倍左右，在同樣除臭效果的條件下，除臭劑消耗量是現(xiàn)有裝置的1/60。除臭機(jī)通過空氣傳感器和控制電路實(shí)現(xiàn)除臭操作的自動運(yùn)行。

研究過程

現(xiàn)場測試

2015年暑假，我們對杭州市濱江區(qū)周邊的部分景區(qū)、車站、高速公路服務(wù)區(qū)、影院、會議中心的32個公共廁所的異味濃度進(jìn)行了檢測（圖1）。用氨敏傳感器測得的氨氣濃度在0.15?0.78mg/m3之間。通風(fēng)、保潔好的廁所，氨氣濃度在0.30mg/m3以下，而無窗、保潔差的廁所異味濃度在0.60mg/m3以上。

植物液的提取及配比

植物液包括下述重量份的組分，配方如下：薄荷油10份、樟油7份、月桂油7份、檸檬油6份、橙油5份、松樹油3份、雪松油3份、迷迭香油3份、留蘭香油2份、桉樹油2份。此配方屬于多醛技術(shù)，混合2種以上醛類物質(zhì)能長期顯著地消抵難聞的異味。冷浸法提取單一植物20g，用600mL石油醚室溫浸泡3次，每次用200mL溶劑，浸泡時間為3h/次，合并提取液，將濾液在旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀上蒸去石油醚，用無水硫酸鈉脫水，濾紙過濾，配比后獲得植物液，見圖2。

除臭機(jī)制作

除臭機(jī)由洗滌過濾和超聲波霧化2個功能單元組成。除臭機(jī)左側(cè)是洗滌過濾單元，設(shè)有風(fēng)機(jī)，殼體背面設(shè)有若干通孔，殼體內(nèi)裝有填料，填料上分散有植物液。填料部分下方的殼體內(nèi)自下而上設(shè)有格柵、儲液槽和多孔環(huán)氧板，儲液槽中儲存稀釋后的植物液，植物液本身具備一定的揮發(fā)性，風(fēng)機(jī)啟動后空氣從洗滌單元的外殼的后、左、下3面的進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入，加速了植物液的揮發(fā)?？諝膺M(jìn)入后和填料上的及揮發(fā)的植物液產(chǎn)生反應(yīng)。除臭機(jī)的右上方是超聲波霧化單元，當(dāng)洗滌過濾單元工作一段時間后臭氣濃度還未低于設(shè)定值時，此單元自動開機(jī)，能增大植物液霧化的比表面積。除臭機(jī)噪聲不大于36db，兼具加濕和香薰功能。右下方是控制郃分?？刂齐娐罚ㄒ妶D3）設(shè)有總開關(guān)、洗滌開關(guān)、霧化開關(guān)、自動開關(guān)、指示燈、濃度傳感器等，均與設(shè)置在殼體內(nèi)的控制器相連。

除臭實(shí)驗(yàn)

除臭機(jī)采用了氨敏傳感器，當(dāng)氨氣濃度達(dá)到一定量時能自動開機(jī)，當(dāng)氨氣濃度低于一定值時能自動關(guān)機(jī)。當(dāng)填料阻力加大時，風(fēng)機(jī)風(fēng)量減少，能通過清洗指示燈提醒人們清洗填料，有效延長裝置的使用壽命；而且除臭劑中的有效分子（雙鍵、羰基等活性基團(tuán)）有生物活性或化學(xué)活性，能迅速和異味分子發(fā)生反應(yīng)，改變其結(jié)構(gòu)，形成無味無害的氣體，不僅除臭效果好，而且安全綠色無害。本除臭機(jī)工作過程如下。

氨敏傳感器檢測到氨氣濃度達(dá)到一定量時（濃度超過0.2mg/m3），自動開機(jī)；

臭氣經(jīng)風(fēng)機(jī)引入殼體內(nèi)，在均勻分散有植物液的填料部分實(shí)現(xiàn)洗滌過濾除臭；

除臭后的氣體經(jīng)通孔循環(huán)使用；

一定時間內(nèi)臭氣濃度仍保持一定量時（濃度超過0.4mg/m3），同時啟動超聲波霧化裝置使植物液霧化；令氨敏傳感器檢測到臭氣濃度低于一定值時（濃度低于0.4mg/m3），超聲波霧化裝置自動關(guān)機(jī)；

濃度檢測器檢測到臭氣濃度低于一定值時（濃度低干0.2mg/m3），洗滌過濾風(fēng)機(jī)自動關(guān)機(jī)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

0.2m3小型密封測試艙測試結(jié)果

我們在800mmx500mmx500mm的測試艙內(nèi)滴入1滴稀釋后的氨水，開啟測試艙內(nèi)的軸流風(fēng)機(jī)，5分鐘后通過專用氨敏檢測儀測得氨氣濃度是12.37mg/m3，連接霧化設(shè)備后，每1分鐘向測試艙后噴10秒稀釋10倍的植物液，半個小時后，也就是噴30次以后，測試艙內(nèi)氨氣濃度從初始的12.37mg/m3下降到1.53mg/m3，實(shí)測效果非常好。

現(xiàn)場嗅閾值模擬實(shí)測

在0.2m3的小型密封測試艙有3個手動閥門，用于連接實(shí)測氨氣濃度的檢測儀和調(diào)節(jié)氣壓，我們準(zhǔn)備了1個圖4所示的異味收集罩，在測試艙內(nèi)添加適量氨氣，超過氨氣嗅閾值0.2mg/m3至0.25mg/m3。異味收集罩一端和測試艙閥門連接，另一端罩體部分是有機(jī)硅材料，可以直接吸在除臭機(jī)空氣進(jìn)口面的小孔上，異味收集罩兩側(cè)有塞栓結(jié)構(gòu)。我們先打開空氣閥門，再打開連接收集罩的閥門，這樣測試艙內(nèi)氣壓和大氣壓一致，因?yàn)槌魴C(jī)風(fēng)機(jī)向外吸氣，除臭機(jī)內(nèi)形成負(fù)壓，測試艙內(nèi)異味被吸

到除臭機(jī)內(nèi)，通過聚氨酯內(nèi)多孔結(jié)構(gòu)，植物液和異味發(fā)生反應(yīng)，能降低異味的濃度。通過實(shí)地嗅覺感知法，感知收集罩塞栓結(jié)構(gòu)處氨氣的濃度及處理后除臭機(jī)出風(fēng)口濃度的變化，可知除臭機(jī)的消除異味的效果。通過多人實(shí)測，以嗅閾值為基準(zhǔn)，參與測試者都覺得效果不錯。

該項(xiàng)目獲得第31屆全國青少年科技創(chuàng)新大賽創(chuàng)新成果競賽項(xiàng)目中學(xué)組環(huán)境科學(xué)與工程一等獎。

專家評語

該項(xiàng)目創(chuàng)新性強(qiáng)，利用霧化和超聲技術(shù)成功研制除臭劑以及測試裝置。理論依據(jù)扎實(shí)，研發(fā)工作量大，裝置實(shí)用性強(qiáng)，體現(xiàn)出較全面的科技能力和創(chuàng)新水平。建議在后續(xù)工作中考慮如下問題：①深入分析植物液的成分和機(jī)理，尤其是除臭過程中植物液的作用過程。②加強(qiáng)控制系統(tǒng)研發(fā)，如測試儀的標(biāo)定及自控原理。③考慮系統(tǒng)對于用戶的使用便利性及與使用環(huán)境的結(jié)合。endprint