基于過飽和蒸汽變相凝結(jié)技術(shù)的除PM2.5裝置

曹恩豐

基于過飽和蒸汽變相凝結(jié)技術(shù)的除PM2.5裝置

曹恩豐

（武漢理工大學 信息工程學院，湖北 武漢 430070）

目前，PM2.5污染仍是生活中的一個大問題，目前中國去除PM2.5的技術(shù)還存在一些不足，低成本、高效率的除塵方式是去除PM2.5的發(fā)展趨勢。基于過飽和蒸汽變相凝結(jié)技術(shù)，設(shè)計了一款噴射裝置，搭載在無人機上，通過無人機的移動，實現(xiàn)了一定范圍內(nèi)去除PM2.5的效果。此方法效果好、成本低，且無二次污染，以期為中國更好地解決PM2.5污染這個問題提供一定的指導。

PM2.5；過飽和蒸汽變相凝結(jié)；除塵；無人機

1 PM2.5的危害

1.1 對環(huán)境的危害

PM2.5對光的散射效應(yīng)是能見度降低的最主要因素。能見度降低會導致航班延誤、交通事故增多、人們出行不便等。

1.2 對人體的危害

細顆粒物在人體中的沉積能夠引發(fā)多種疾病，如心血管疾病、急性呼吸系統(tǒng)疾病和慢性呼吸系統(tǒng)疾病。

2 中國中國目前除塵技術(shù)的現(xiàn)狀

2.1 電袋復合技術(shù)

這種技術(shù)的優(yōu)點是系統(tǒng)體積小、耗材少、除塵效率高（可達87%）；缺點是履袋的保護及需要頻繁清灰。

2.2 靜電除塵技術(shù)

該技術(shù)優(yōu)點是快捷方便，中國對靜電除塵的研究已經(jīng)成熟，缺點是對PM2.5去除效率低、能耗大，并且很可能因為二次細顆粒物的產(chǎn)生，導致二次污染。

3 過飽和蒸汽變相凝結(jié)技術(shù)

3.1 技術(shù)原理

處于過飽和狀態(tài)的蒸汽極不穩(wěn)定，一旦出現(xiàn)凝結(jié)核，部分蒸汽就會凝結(jié)成液體，其余蒸汽回到飽和蒸汽的狀態(tài)。由于蒸汽周圍充滿了塵埃和雜質(zhì)等小微粒，起著凝結(jié)核的作用，當這些微利表面凝上一層液體后，便形成半徑相當大的液滴，凝結(jié)就容易發(fā)生。

3.2 技術(shù)優(yōu)點

聚沉效果好，可使PM2.5與飽和蒸汽凝結(jié)，形成較大直徑的液滴，與液滴一同降落；成本低，只需簡單的加熱與相變冷卻裝置即可實現(xiàn)過飽和水汽環(huán)境的搭載；聚沉效率高，除塵效率經(jīng)研究表明能達到98%，除塵對環(huán)境無二次污染。

4 基于過飽和蒸汽變相凝結(jié)技術(shù)的裝置

4.1 多分散細小微粒在過飽和蒸汽環(huán)境中的凝結(jié)團聚效果

4.1.1 蒸汽飽和度對顆粒粒徑分布的影響

飽和度對顆粒粒徑分布的影響如圖1所示。

圖1 飽和度對顆粒粒徑分布的影響

由圖1可知，飽和度為1.05，1.10，1.15，1.20時，數(shù)密度峰值所對應(yīng)的峰值為1.88 μm、2.71 μm、3.35 μm、3.89 μm。由此可得在較高的飽和度之下，粒子相變后的顆粒粒度與質(zhì)量均增大，更易受慣性作用被捕集。

4.1.2 溫度對顆粒粒徑的影響

溫度對顆粒粒徑的影響如圖2所示。

圖2 溫度對顆粒粒徑的影響

氣相溫度越高，相變凝結(jié)增長后顆粒的粒徑越大，溫度越高，蒸汽分子的熱運動越劇烈，并且相同飽和度下，所能容納的蒸汽量也越多，將有更多的蒸汽分子在顆粒表面凝聚為液滴，促進顆粒更快速地增長。

4.2 電子系統(tǒng)組成

無人機的電子系統(tǒng)主要有STM32F103（MCU）、MPU6050（6軸傳感器）、NRF24L01（2.4G遙控系統(tǒng)）。

4.3 無人機控制

四旋翼無人機機體呈“+”狀，并且軸對稱，由四個小旋翼組成，每個小旋翼由單獨的電機帶動，四個電機編號分別為1，2，3，4。四旋翼無人機運動狀態(tài)控制如表1所示。

表1 四旋翼無人機運動狀態(tài)控制

狀態(tài)旋翼1旋翼2旋翼3旋翼4 豎直（上）增加增加增加增加 豎直（下）降低降低降低降低 滾轉(zhuǎn)保持增加保持降低 俯仰降低增加降低增加

無人機下方攜帶過飽和蒸汽噴發(fā)裝置，在指定區(qū)域按照從內(nèi)到外、呈圓心狀的軌跡飛行，保證PM2.5的聚沉能夠均勻、無漏洞式除塵。

4.4 過飽和蒸汽形成與噴發(fā)

4.4.1 連接步驟及裝置布置

噴發(fā)裝置如圖3所示。

1—殼體；2—霧化腔體；3—飽和溶液箱；4—小型水泵；5—噴霧頭；6—單向閥；7—PCB控制板；8—筒狀加熱裝置；9—噴氣嘴；10—電源線；11—微型風扇；71—控制板開關(guān)；

殼體1內(nèi)部設(shè)有霧化腔體2，霧化腔體2上部開口處套有筒狀加熱裝置8，筒狀加熱裝置8上端連有噴氣嘴9，噴氣嘴9在殼體1處設(shè)有出霧口101。霧化腔體2底部連接有飽和溶液箱3，飽和溶液箱3右側(cè)設(shè)有水泵4。水泵4通過水管與所述飽和溶液箱3右上部連通。噴霧頭5一端插入所述霧化腔體2內(nèi)部，噴霧頭5一端插入在包和榮箱的3的左上部，噴霧頭5下方設(shè)有單向閥6，殼體1右側(cè)底部設(shè)有電源線10。PCB控制板7與所述電源線10，筒狀加熱裝置8電連接。微型風扇11在霧化腔體2底部，PCB控制板7與微型風扇11電連接。

4.4.2 環(huán)境構(gòu)建及裝置噴發(fā)

當飽和霧氣溫度達到50 ℃，濕度達到90%時，飽和度為1.5，在可行條件下可以最大程度地吸附PM2.5。利用PCB板將加熱筒中的溫度調(diào)至50 ℃。用水泵抽取飽和溶液箱中的溶液至加熱筒中，處于加熱狀態(tài)。開啟風扇，通過噴霧嘴將飽和蒸汽噴出。細小塵埃在過飽和蒸汽中迅速與周圍大量塵埃聚集在一起，變成粒徑較大的液滴降落。

4.5 安全設(shè)計

無人機采用紅外線識別模塊，用以檢測周圍的障礙物與人，防止高溫蒸汽噴到人體身上，威脅人身安全。熱管周圍采用耐高溫材料聚四氟乙烯（PTFE）保護，它具有耐高溫和絕緣的特性，可以防止由于加熱裝置溫度過高或漏電對人造成傷害。

5 結(jié)束語

本研究針對現(xiàn)有的除PM2.5技術(shù)的一些不足，研制了一種基于過飽和蒸汽變相凝結(jié)技術(shù)的去除PM2.5裝置，它的聚沉效果好、聚沉效率高、成本低，除塵對環(huán)境無二次污染，適合區(qū)域性地使用，因為無人機飛行距離和裝置耗能的問題，并不適合大范圍使用，但對于更好地去除PM2.5提供了一個重要參考。

［1］楊新興，馮麗華，尉鵬.大氣顆粒物PM2.5及其危害［J］.前沿科學，2012（6）：22-31.

［2］凡鳳仙，張明俊.蒸汽相變凝結(jié)對PM2.5粒徑分布的影響［J］.煤炭學報，2013（4）：694-699.

［3］凡鳳仙，楊林軍，袁竹林.蒸汽在細微顆粒表面異質(zhì)核化研究進展［J］.化工進展，2009（9）：1496-1500.

［4］楊則允，李猛，張全.四旋翼無人機控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)［J］.科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2018（34）：105-109.

X513

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.13.045

2095－6835（2019）13－0107－02

〔編輯：張思楠〕