新型可循環(huán)處理的室內(nèi)甲醛凈化裝置及效果研究

■趙丹丹，高 煜，蔡莊紅，趙開樓，趙凱航，郭豐愷 Zhao Dandan & Gao Yu & Cai Zhuanghong & Zhao Kailou & Zhao Kaihang & Guo Fengkai

(1.河南應(yīng)用技術(shù)職業(yè)學(xué)院，河南鄭州 450042；2.河南工業(yè)大學(xué)，河南鄭州 450001）

“十四五”明確指出：室內(nèi)空氣凈化將進(jìn)一步向?qū)I(yè)化發(fā)展，我國政府把環(huán)境保護(hù)作為調(diào)結(jié)構(gòu)惠民生的重要抓手，將加大力度推進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的綠色轉(zhuǎn)型[1-2]。由于現(xiàn)階段的室內(nèi)甲醛凈化技術(shù)及裝置的發(fā)展迅猛，吸引了國內(nèi)外眾多科研院所和各大企業(yè)在相關(guān)領(lǐng)域展開深入的研究，各種類型的室內(nèi)甲醛凈化裝置層出不窮，成為化學(xué)工程學(xué)科發(fā)展的一個(gè)新突破點(diǎn)，而且隨著環(huán)境問題的不斷惡化，傳統(tǒng)光觸媒只有在紫外線環(huán)境下才能起到凈化作用，又考慮到其他室內(nèi)甲醛單一處理方法的局限性，存在處理量小，凈化效率低等問題，人們對(duì)可循環(huán)處理的室內(nèi)甲醛凈化裝置出現(xiàn)了爆發(fā)性的需求[3]。因此，開發(fā)一個(gè)能完全滿足人們需要，高效凈化甲醛，不存在二次污染，操作簡單，易于維護(hù)，價(jià)格低，處理能力強(qiáng)，能耗低的可循環(huán)的室內(nèi)甲醛凈化裝置勢在必行[4-5]。

1 裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及凈化效果測試

1.1 裝置的整體設(shè)計(jì)

■圖1 可循環(huán)處理的室內(nèi)甲醛凈化裝置的設(shè)計(jì)原理圖

■圖2 為此裝置正和背面的零部件展示圖

以微纖維與活性炭吸附技術(shù)、HEPA、光觸媒技術(shù)、熱質(zhì)交換理論為基礎(chǔ)，植入動(dòng)態(tài)電氣集塵技術(shù)，提高過濾材料容塵量，避免脫附，以延長過濾耗材的壽命，設(shè)計(jì)一種新型的室內(nèi)甲醛可循環(huán)協(xié)同凈化裝置。該裝置包括機(jī)體，機(jī)體頂端設(shè)置有封蓋，機(jī)體左端開設(shè)有進(jìn)風(fēng)口，進(jìn)風(fēng)口左端安裝有防塵網(wǎng)，右端安裝有進(jìn)風(fēng)扇，機(jī)體內(nèi)部從左往右依次設(shè)置有光觸媒過濾機(jī)構(gòu)、活性炭過濾網(wǎng)、微纖維過濾網(wǎng)和HEPA過濾網(wǎng)，HEPA過濾網(wǎng)右側(cè)的機(jī)體底端開設(shè)有通孔，通孔頂端安裝有引風(fēng)扇，通孔底端連接有引風(fēng)管，機(jī)體底端設(shè)置有水箱，引風(fēng)管連接在水箱上，水箱內(nèi)部填充有一定量的吸收液，水箱左端開設(shè)有出風(fēng)口，出風(fēng)口左端安裝有排風(fēng)扇。為了確保這個(gè)裝置能夠正常的運(yùn)行以及對(duì)可行性的驗(yàn)證，我們先設(shè)計(jì)了本裝置的設(shè)計(jì)原理圖（圖1）。

為了更清楚地表明設(shè)計(jì)思路或?qū)Ξa(chǎn)品進(jìn)行預(yù)評(píng)估，理解物體的結(jié)構(gòu)與造型,便于更準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)裝置的設(shè)計(jì)，我們設(shè)計(jì)了可循環(huán)處理的室內(nèi)甲醛凈化裝置的3D效果圖（圖2），比平面方式制作的效果圖更真實(shí)、更合理、更準(zhǔn)確。

在上述設(shè)計(jì)原理圖和3D效果圖基礎(chǔ)上，制造了室內(nèi)甲醛凈化裝置，其效果圖如圖3所示[6]。

1.2 甲醛凈化效果測試

搭建甲醛光觸媒凈化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行凈化裝置的甲醛凈化效果測試，利用所設(shè)計(jì)的新型室內(nèi)甲醛可循環(huán)協(xié)同凈化裝置，選取甲醛污染物初始濃度、N重濾網(wǎng)、最佳光觸媒的負(fù)載厚度以及有無紫外光源多種因素進(jìn)行影響因素正交實(shí)驗(yàn)，確定凈化裝置的最佳運(yùn)行工況，在此工況下分析新型的室內(nèi)甲醛可循環(huán)協(xié)同凈化裝置的最佳降解效果與關(guān)鍵技術(shù)[7]。

本實(shí)驗(yàn)測試平臺(tái)（圖3）主要有甲醛環(huán)境系統(tǒng)（圖4中1、2所示）、甲醛凈化系統(tǒng)（圖4中3所示）、甲醛檢測與環(huán)境檢測系統(tǒng)（圖4中6、7、8、9所示）、尾氣處理系統(tǒng)（圖4中4、5所示 ）四部分組成。

1.2.1 新型的室內(nèi)甲醛可循環(huán)協(xié)同凈化裝置優(yōu)化

優(yōu)化凈化裝置氣流組織形式，降低凈化裝置的阻力，實(shí)現(xiàn)凈化裝置的低阻、高效、長壽命設(shè)計(jì)，對(duì)新型的室內(nèi)甲醛可循環(huán)協(xié)同凈化裝置設(shè)計(jì)原則進(jìn)行研究，從裝置的從屬性、技術(shù)先進(jìn)性、甲醛吸附性分析研究，得出適合于裝置的使用方式和產(chǎn)品形態(tài)特征。

1.2.2 吸收劑的選擇

目的：進(jìn)一步提高吸收劑的除醛效率。

方法：改變吸收劑的種類并通過實(shí)驗(yàn)探究水、白吉安茶、甲醛清除劑等吸收劑對(duì)甲醛的吸收效果[8]。

方案：設(shè)置模擬封閉空間中甲醛初始含量為5mg/m3，采用研制的甲醛凈化裝置進(jìn)行處理。每間隔10分鐘抽取樣品檢測一次，通過連續(xù)測量封閉室內(nèi)甲醛濃度的值，對(duì)比各吸收劑的甲醛凈化效果，從而選出最佳的吸收劑[9]。

結(jié)果：實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。水作為吸收劑時(shí)，凈化效率逐步提升，在80分鐘時(shí)趨于平緩達(dá)到了最大凈化效率87%。安吉白茶凈化效果整體較差，不如水作為吸收劑。甲醛清除劑的凈化效率與水相似，但作用時(shí)間較長，綜合考慮下用水做吸收劑，可以達(dá)到快捷清除甲醛的目的[10]。

1.2.3 光觸媒激發(fā)光源的選擇

目的: 提高光觸媒對(duì)甲醛的降解效率。

方法: 分別用黑光燈、日光燈、紫光燈作為激發(fā)光源照射裝置載體上的光觸媒，測試激發(fā)光源種類對(duì)光觸媒光催化性能的影響。

方案：以5mg/m3作為封閉室內(nèi)甲醛初始濃度，在封閉室內(nèi)對(duì)同樣面積的光觸媒過濾網(wǎng)采用三種不同光源作為激發(fā)光源，進(jìn)行對(duì)照試驗(yàn)。除激發(fā)光源種類不一致，光照強(qiáng)度及其他因素均相同。開啟光源開始計(jì)時(shí)，每隔1h檢測一次室內(nèi)甲醛濃度[11]。

結(jié)果：結(jié)果如圖6所示。紫外燈對(duì)甲醛的降解效果好于黑光燈及日光燈，凈化效率最高可到達(dá)88%，黑光燈的凈化效率最高可達(dá)81%，日光燈的凈化效率偏低為67%。故選用紫外燈作為照射光源[12]。

1.2.4 激發(fā)光源光照強(qiáng)度的選取

目的：通過采用不同的光照強(qiáng)度提高光觸媒的凈化效率。

方法：分別用30 W×2和60 W×2的紫光燈作為激發(fā)光源，排除一切其他外界干擾，以觀察光照強(qiáng)度對(duì)甲醛凈化效率的影響。

■圖3 為此裝置實(shí)物展示圖

■圖4 室內(nèi)甲醛凈化實(shí)驗(yàn)測試平臺(tái)原理圖

方案：以模擬封閉空間中甲醛初始含量為5 mg/m3進(jìn)行實(shí)驗(yàn),分別以30 W×2 和60 W×2 兩組進(jìn)行實(shí)驗(yàn),每小時(shí)檢測一次甲醛濃度。

結(jié)果：實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。30w和60w兩組甲醛的降解率分別為60%和 78%，光照9h后，兩者的凈化率非常接近。因此可以得出通過提高光照強(qiáng)度和延長光照時(shí)間,來提高對(duì)甲醛的凈化效果。

1.2.5 裝置的綜合性能測試

在密閉的室內(nèi)進(jìn)行甲醛凈化裝置實(shí)物模型的凈化效果測試，設(shè)置室內(nèi)的甲醛初始濃度為5mg/m3，每隔10分鐘檢測一次室內(nèi)甲醛濃度，整理數(shù)據(jù)得出裝置的凈化效果圖，所得結(jié)果如圖8所示。數(shù)據(jù)顯示，前30分鐘時(shí)，隨著裝置運(yùn)行時(shí)間的增長，室內(nèi)的中的甲醛含量急劇降低。30分鐘時(shí)甲醛含量已經(jīng)低于0.1mg/m3，達(dá)到國家室內(nèi)甲醛容許排放標(biāo)準(zhǔn)（中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，居住環(huán)境內(nèi)的甲醛濃度最高不許超過0.1mg/m3），此時(shí)的甲醛凈化效率接近86%[13]。30分鐘之后，凈化效果曲線逐漸平緩，在60分鐘時(shí)甲醛含量低于0.06 mg/m3，甲醛凈化效率最高為99.4%。

2 創(chuàng)新點(diǎn)

本研究開發(fā)出可循環(huán)處理的室內(nèi)甲醛凈化裝置，經(jīng)實(shí)驗(yàn)與應(yīng)用，得出如下結(jié)論：

（1）室溫持續(xù)高效的甲醛凈化，無二次污染

采用冷凍干燥技術(shù)，將粉末狀的光催化材料制備成海綿狀材料，不僅有利于粉末狀光催化材料的回收，還能提高光催化材料的利用率。同時(shí)采用自制新型鉑鈦型整體式催化劑，無需紫外線光照，即可在室溫持續(xù)高效降解甲醛，無二次污染。

（2）協(xié)同凈化甲醛，可循環(huán)治理

植入動(dòng)態(tài)電氣集塵技術(shù)，采用了光觸媒技術(shù)和其他過濾技術(shù)（活性炭、微纖維和HEPA）等N層過濾結(jié)構(gòu)聯(lián)合處理技術(shù)相結(jié)合，具有很強(qiáng)的活性，不僅除甲醛，還能過濾多種有害物質(zhì)（粉塵、毛發(fā)、二手煙、流感病毒），并具備了清新空氣的附加功能，適于改善居室內(nèi)部空氣的長期使用。

（3）整體結(jié)構(gòu)簡單，易于實(shí)現(xiàn)，拆卸方便，維護(hù)難度低

封蓋與機(jī)體為可拆卸連接，當(dāng)需要對(duì)過濾網(wǎng)進(jìn)行更換時(shí)，通過把手提起封蓋，帶動(dòng)過濾網(wǎng)從機(jī)體中滑出，更換完成之后，將滑條與滑槽對(duì)準(zhǔn)，再將封蓋與機(jī)體合起即可；防塵網(wǎng)采用磁吸的方式固定在機(jī)體上，拆卸方便，便于維護(hù)清洗。該裝置工藝流程短、整體結(jié)構(gòu)簡單、投入成本較少，采用了光觸媒技術(shù)和其他過濾技術(shù)相結(jié)合，凈化效率高，不產(chǎn)生二次污染。

3 裝置應(yīng)用情況

甲醛凈化裝置的優(yōu)勢，研制一種新型的室內(nèi)甲醛可循環(huán)協(xié)同凈化裝置并制作出樣機(jī)，提升高職院校技能操作與相關(guān)理論相結(jié)合，讓學(xué)生充分積極地參與到本項(xiàng)目中，在拓展教學(xué)空間的同時(shí)，更加拓寬學(xué)生的實(shí)踐領(lǐng)域，避免了畢業(yè)生實(shí)際掌握的知識(shí)技能與企業(yè)需求存在?脫節(jié)現(xiàn)象，有利于學(xué)生就業(yè)后更好地適應(yīng)現(xiàn)代車間崗位的實(shí)際工作需求?；诩兹┨幚硌b置的設(shè)計(jì)研究，本團(tuán)隊(duì)申報(bào)了關(guān)于處理甲醛的發(fā)明專利2項(xiàng)和實(shí)用新型專利1項(xiàng)。曾獲得“挑戰(zhàn)杯”河南省大學(xué)生創(chuàng)業(yè)計(jì)劃競賽活動(dòng)特等獎(jiǎng)1項(xiàng)，河南省“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽一等獎(jiǎng)1項(xiàng)、二等獎(jiǎng)1項(xiàng)和全國職業(yè)院校高分子材料“互聯(lián)網(wǎng)＋”創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽二等獎(jiǎng)1項(xiàng)。

4 結(jié)語

該裝置將光觸媒與其它過濾技術(shù)相結(jié)合，進(jìn)一步提高空氣凈化器的凈化效率，處理過程環(huán)境友好且能耗低、處理過程可控、處置過程安全、處理成本低廉，符合國家產(chǎn)業(yè)政策。此裝置不僅適用于剛對(duì)房子進(jìn)行過裝修的人群，而且可應(yīng)用在辦公場所、商場、餐廳、酒店、學(xué)校、醫(yī)院等流動(dòng)人員集中地場所。因此，新型的室內(nèi)甲醛可循環(huán)協(xié)同凈化裝置不僅保障室內(nèi)空氣質(zhì)量，緩解了環(huán)保的壓力，并且提高了人們居家的舒適度，對(duì)預(yù)防、控制甲醛造成的人體健康危害具有重要的理論價(jià)值和社會(huì)意義。

■圖5 不同吸收劑的甲醛吸收效果

■圖6 不同光源對(duì)光觸媒凈化甲醛的效果

■圖7 不同光照強(qiáng)度對(duì)光觸媒凈化甲醛的效果

■圖8 甲醛凈化裝置的凈化效果