室内甲醛实时监测净化系统

李凯华　于龙宇　李建宁

摘 要：室内装修的普及，使室内甲醛污染日益严重。甲醛是基因毒性物质，危害极大。本文设计了一套以单片机为智能控制模块，以HCHO sensor甲醛传感器为数据采集模块，以高锰酸钾改性的活性炭为净化模块的甲醛实时监测净化系统。系统功能：设标准值、显示浓度、超标报警、超标净化。实验结果表明，甲醛净化的最佳配比：高锰酸钾浓度800mg/L，体积50ml，活性炭质量200mg，99Hz超声混合10min。经验证，活性炭对甲醛的吸附符合二级动力学方程。

关键词：甲醛传感器；单片机；高锰酸钾；活性炭；动力学

中图分类号：X502 文献标识码：A

1 引言

随着生活水平的提高，人们对居室的要求越来越高，各种装修、装饰材料进入千家万户，室内空气污染加剧。甲醛作为重要的有机原料，广泛存在于各种人造板材、皮革、家具、涂料等使用黏合剂的材料，存在于清洁剂、化妆品和各种装饰用品，并缓慢释放。

甲醛是原浆毒物，吸入高浓度甲醛时，会引起呼吸道严重刺激，支气管哮喘，鼻咽喉癌变或猝死。若经常吸入少量甲醛，会导致免疫功能、心肺功能异常，引发鼻咽喉癌，甚至死亡。甲醛在我国的有毒化学物品控制名单中高居第2位，被世界卫生组织认定为致癌和致畸形物质。

如今，室内甲醛的监测净化引起了人们的广泛关注。甲醛监测方法有：传感器法、气相色谱法、酚试剂分光光度法等。除传感器法外，都需人工现场取样，过程复杂，周期长，无法实现实时监测。本文采用的HCHO sensor甲醛传感器不需人工取样，响应快、精度高、性能稳定、线性度好、操作简单。甲醛净化方法：植物净化、光催化净化、臭氧净化、活性炭吸附。这些方法各有优劣，植物净化有一定效果，但不确定因素较多；光催化净化前景好，但净化率低，有二次污染；臭氧净化可将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、无毒副作用，但吸收效率低。活性炭经过氧化改性可使其孔隙结构和表面官能团数量发生变化，增强其化学吸附性能。因此，本文采用了高锰酸钾溶液对其进行改性。实验证明，改性后的负载活性炭对甲醛吸附率大大提高。系统在实现实时监测、净化的同时，也遵循了性价比最优原则，具有很高的实用价值。

2 智能控制部分

2.1 元件选择

HCHO sensor甲醛传感器、STC12C5A60S2单片机、液晶显示器LCD1602、气泵、TTL电平转换芯片（5V转3.3V）。

2.2 模块组成

系统主要由主控核心CPU、数据采集模块、键盘模块、LCD显示模块、报警模块、继电器模块组成。

2.3 模块设计

2.3.1 数据采集模块

室内甲醛气体经扩散进入HCHO sensor传感器，传感器内部的电解质与甲醛气体发生反应后，能够产生微弱的模拟电信号，该信号经过传感器内部的放大电路得到与甲醛浓度成一定比例的模拟电信号，最后经过内部的模/数转换电路输出数字信号。

按照串口通信协议，单片机需要定时发送查询监测数据指令给传感器，传感器返回数据包给单片机，单片机系统对数据进行处理得到甲醛浓度。

HCHO sensor传感器优势：由英国dart传感器公司生产，采用了独特的电解质封装技术，内置高性能的模拟电路和数据处理单元，并集成了大量的经验算法，可以直接输出甲醛的数字浓度信息，而且出厂时已进行零点标定和标准气浓度标定。HCHO sensor響应快、性能稳定、精准度高、性价比高。

2.3.2 键盘模块

键盘模块通主要过单片机和两个按键来实现人机交互。通过键盘模块向单片机发送动作指令，控制系统运行，然后在液晶屏1602上显示报警临界值。

当没有按键按下时，初始报警浓度为0.08mg/m3。当1号按键按下时，不改变报警浓度，检测到1号按键弹起时，报警浓度下调0.01mg/m3；当2号按键按下时，不改变报警浓度，检测到2号按键弹起时，报警浓度上调0.01mg/m3。除1号和2号按键外，其他按键全部设为无效。这样设计键盘模块，有利于排除干扰和实现消抖，准确设置报警临界浓度，维护系统安全。

2.3.3 LCD显示模块

LCD显示模块通过单片机的I/O口实现对1602液晶屏的控制。1602液晶屏可以显示2行，每行显示16个字符。显示模式设置为：写指令0×38，16×2显示，5×7点阵和8位数据接口。令第一行显示甲醛浓度，第二行显示报警临界浓度。

2.3.4 报警模块

报警模块主要由单片机和蜂鸣器组成，当室内甲醛浓度高于报警临界浓度时，启动蜂鸣器，否则，蜂鸣器处于关闭状态。

2.3.5 继电器模块

继电器模块主要由继电器、气泵和甲醛处理装置组成，判断蜂鸣器是否处于开启状态，若蜂鸣器开启，则启动继电器，气泵开始工作，甲醛净化系统开始对甲醛进行净化，否则，继电器保持关闭。

气泵的作用：控制气体流速，从而控制室内换气速率。

气泵的选择：如果功率过小，则室内换气速率慢，因为甲醛持续挥发，达不到很好的净化效果；如果功率过大，活性炭吸收的甲醛发生脱附，造成能量的浪费。

输入电压：220V

使用功率：200W

2.4 系统硬件结构框图（图1）

2.5 系统硬件实物图（图2）

2.6 系统主程序流程设计（图3）

3 化学实验部分

3.1 实验原理

活性炭有高度发达的孔隙结构和庞大的表面积，这种高度发达的孔隙结构——毛细管构成了一个强大的吸附力场会立即将有毒气体吸入孔内达到净化空气的作用。活性炭的结构特性和化学性质决定了其吸附性能，利用化学法对活性炭进行改性，可改变其吸附性能。

3.2 实验方案

（1）利用不同浓度的高锰酸钾溶液对活性炭进行浸泡处理，通过比较相同时间内甲醛吸附率的差异，找出高锰酸钾与活性炭的最佳配比。

（2）利用最佳配比下的活性炭对不同浓度的HCHO气体进行吸附，在低成本的前提下验证该配比，并检验是否符合动力学。

3.3 实验药品及仪器

活性炭，高锰酸钾溶液，硫酸，玻璃缸（带玻璃盖），气泵，风扇，圆底烧（带胶塞），甲醛溶液，玻璃管，橡胶管，大烧杯，甲醛传感器，漏斗，铁架台（带铁圈），滤纸，电炉，分析天平，玻璃棒，量筒，单片机传感器，真空抽滤泵，烘箱，超声波震荡器

3.4 实验步骤

3.4.1 最佳配比的探索

（1）拟定一系列配比：固定活性炭的质量为200mg，高锰酸钾的体积为50mL，改变高锰酸钾的浓度为200mg/L，400mg/L，600mg/L，800mg/L，1000mg/L。

（2）配比探索实验过程

（a）活性炭的处理

用分析天平称取5份200mg/份的活性炭，然后分别取200mg/L，400mg/L，600mg/L，800mg/L，1000mg/L，高锰酸钾溶液各50mL分别加入5个相同的烧杯中，并分别加入10mL硫酸酸化，混合均匀后放入超声波震荡器中在99Hz频率下超声混合10分钟，抽滤并将所得固体烘干。

（b）甲醛气体的制取

将甲醛传感器和单片机组成的甲醛检测系统放入27cm×15cm×40cm的玻璃缸中，盖上玻璃盖，用量筒量取30mL甲醛溶液于圆底烧瓶中，在其胶塞中引入橡胶管，将橡胶管迅速从玻璃盖最外侧的小孔通入玻璃缸中。将圆底烧瓶放入盛有自来水的大烧杯中，将大烧杯放到电炉上，开启电炉，待玻璃缸内1602液晶屏显示甲醛气体浓度为1.000mg/m3左右时，取出橡胶管，将玻璃盖盖好，将玻璃缸内气体充分混合，待传感器示数稳定。

（c）甲醛气体的吸附

对浸泡完毕的改性活性炭进行抽滤，滤去浸泡液，干燥处理。将200mg处理好的改性活性炭放入玻璃缸中，盖好玻璃盖，每隔5分钟记录传1602液晶屏数据，记录时间为1小时，计算吸附率，得出最佳配比。

3.4.2 最佳配比的验证过程

保持高锰酸钾浓度不变，为1过程实验得出的最佳高锰酸钾浓度，更换0.6mg/m3，0.9mg/m3，1.2mg/m3，1.5mg/m3，1.8mg/m3的甲醛浓度来验证该最佳浓度的吸附效果。

3.5 结论与分析

3.5.1 结论

通过对第一步实验探索方面实验数据的分析及吸附率的计算，最终确定在温度为20℃，湿度为23%，99Hz超声混合10min的条件下，最佳配比为：高锰酸钾的浓度为800mg/L，体积50mL，活性炭的质量为200m。通过最佳配比验证过程的数据分析，此浓度下的高锰酸钾改性活性炭对甲醛气体的吸附能力具有较好的吸附能力。

3.5.2 化学动力学的实验方法分析

（a）吸附剂用量对吸附性能的影响

（b）高锰酸钾的浓度对吸附性能的影响

与密闭容器中充入1.15mg.m-3的甲醛气体四份，按下列标准200mg.L-1、400mg.L-1、600mg.L-1、800mg.L-1、1000mg.L-1的高锰酸钾50mL，处理200mg活性炭。将处理过的活性炭至于密闭容器中吸附甲醛，按设定时间取样。甲醛的去除率和平衡吸附量的测定方法同上。

（c）吸附动力学实验

动力学实验是取不同初始浓度的甲醛气体，加入200mg处理的活性炭，置于密闭容器中，按设定时间取样。甲醛的去除率和平衡吸附量的测定方法同上。

3.5.3 结果分析

（a）吸附剂用量对吸附性能的影响

活性炭对甲醛的去除率随活性炭的增加而增大，当活性炭的数量达到200mg时，去除率基本达到饱和，其原因是当空气中的甲醛浓度一定时，吸附剂用量越大，吸附剂上可提供吸附的活性位点结合而被吸附，从而活性炭对空气中的去除率越大；此后再增加吸附剂用量，甲醛去除率变化不大，可能是由于吸附剂的重叠或聚合，导致吸附能利用的表面积和有效的吸附活性位点相应减少。

（b）高锰酸钾的浓度对吸附性能的影響

随着高锰酸钾浓度的增加，去除率增大，其原因可能是高锰酸钾具有一定的氧化性，活性炭表面的活性位点与高锰酸钾结合越多，去除率越好。当高锰酸钾的浓度达到800mg.L-1时，去除率趋于平稳，可能是活性炭与高锰酸钾的结合位点达到饱和，导致去除率不再增加。

（c）活性炭对甲醛的吸附动力学

为了对活性炭对甲醛的吸附动力学行为进行更深入的探讨，本研究采用了拟二级速率方程和粒子内部扩散模型对其吸附数据进行分析拟合。

拟二级速率方程

式中qt为不同吸附时间活性炭对甲醛的吸附量（mg·g-1）；k3为粒子内部扩散速率常数（mg·g-1·min-1/2）；t是吸附时间（min），c是截距（mg·g-1）。

3.6.3 对验证过程的实验数据进行二级动力学模型的拟定，结果见表1。

甲醛吸附中性红溶液的拟二级动力学方程的相关系数R2分别是0.9504、0.8862、0.9955、0.4568、0.9925，表明活性炭对甲醛的吸附符合二级动力学方程。本实验用粒子内部扩散模型对实验数据进行模拟分析，以qt对t1/2作图，如果拟合直线通过原点，说明粒子内部扩散是主要的速率控制步骤。由数据可知，本实验的粒子内部扩散模型的相关系数R2较小，并且拟合的直线并未通过原点，说明粒子内部扩散并不是该吸附过程中的速率控制步骤。

结语

（1）适当条件下，用高锰酸钾改性活性炭可以在很大程度上提高活性炭对甲醛的吸附能力，该方法成本低、效果明显、实用价值高，应用前景广阔。

（2）本文设计的室内甲醛实时监测净化系统具有灵敏度高、性能稳定、低功耗、寿命长、净化效果好、成本低、扩展性好的优点，操作简单，实用性强。

（3）本文主要侧重改性活性炭对较高浓度甲醛吸附率的研究，受到装置气密性、仪器精密度的影响较小，如果要研究较低甲醛浓度吸附，则需要对实验方案进行大量改进，如反应装置如何制备低浓度甲醛，如何更精密的检测浓度、如何加强试验装置的气密性等。

（4）不同活性炭对甲醛的吸附能力不同，本实验只研究了一种活性炭，今后可以选择不同活性炭种类探究是否可以降低成本，提高净化效率。

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