基于过饱和蒸汽变相凝结技术的除PM2.5装置

曹恩丰

基于过饱和蒸汽变相凝结技术的除PM2.5装置

曹恩丰

（武汉理工大学 信息工程学院，湖北 武汉 430070）

目前，PM2.5污染仍是生活中的一个大问题，目前中国去除PM2.5的技术还存在一些不足，低成本、高效率的除尘方式是去除PM2.5的发展趋势。基于过饱和蒸汽变相凝结技术，设计了一款喷射装置，搭载在无人机上，通过无人机的移动，实现了一定范围内去除PM2.5的效果。此方法效果好、成本低，且无二次污染，以期为中国更好地解决PM2.5污染这个问题提供一定的指导。

PM2.5；过饱和蒸汽变相凝结；除尘；无人机

1 PM2.5的危害

1.1 对环境的危害

PM2.5对光的散射效应是能见度降低的最主要因素。能见度降低会导致航班延误、交通事故增多、人们出行不便等。

1.2 对人体的危害

细颗粒物在人体中的沉积能够引发多种疾病，如心血管疾病、急性呼吸系统疾病和慢性呼吸系统疾病。

2 中国中国目前除尘技术的现状

2.1 电袋复合技术

这种技术的优点是系统体积小、耗材少、除尘效率高（可达87%）；缺点是履袋的保护及需要频繁清灰。

2.2 静电除尘技术

该技术优点是快捷方便，中国对静电除尘的研究已经成熟，缺点是对PM2.5去除效率低、能耗大，并且很可能因为二次细颗粒物的产生，导致二次污染。

3 过饱和蒸汽变相凝结技术

3.1 技术原理

处于过饱和状态的蒸汽极不稳定，一旦出现凝结核，部分蒸汽就会凝结成液体，其余蒸汽回到饱和蒸汽的状态。由于蒸汽周围充满了尘埃和杂质等小微粒，起着凝结核的作用，当这些微利表面凝上一层液体后，便形成半径相当大的液滴，凝结就容易发生。

3.2 技术优点

聚沉效果好，可使PM2.5与饱和蒸汽凝结，形成较大直径的液滴，与液滴一同降落；成本低，只需简单的加热与相变冷却装置即可实现过饱和水汽环境的搭载；聚沉效率高，除尘效率经研究表明能达到98%，除尘对环境无二次污染。

4 基于过饱和蒸汽变相凝结技术的装置

4.1 多分散细小微粒在过饱和蒸汽环境中的凝结团聚效果

4.1.1 蒸汽饱和度对颗粒粒径分布的影响

饱和度对颗粒粒径分布的影响如图1所示。

图1 饱和度对颗粒粒径分布的影响

由图1可知，饱和度为1.05，1.10，1.15，1.20时，数密度峰值所对应的峰值为1.88 μm、2.71 μm、3.35 μm、3.89 μm。由此可得在较高的饱和度之下，粒子相变后的颗粒粒度与质量均增大，更易受惯性作用被捕集。

4.1.2 温度对颗粒粒径的影响

温度对颗粒粒径的影响如图2所示。

图2 温度对颗粒粒径的影响

气相温度越高，相变凝结增长后颗粒的粒径越大，温度越高，蒸汽分子的热运动越剧烈，并且相同饱和度下，所能容纳的蒸汽量也越多，将有更多的蒸汽分子在颗粒表面凝聚为液滴，促进颗粒更快速地增长。

4.2 电子系统组成

无人机的电子系统主要有STM32F103（MCU）、MPU6050（6轴传感器）、NRF24L01（2.4G遥控系统）。

4.3 无人机控制

四旋翼无人机机体呈“+”状，并且轴对称，由四个小旋翼组成，每个小旋翼由单独的电机带动，四个电机编号分别为1，2，3，4。四旋翼无人机运动状态控制如表1所示。

表1 四旋翼无人机运动状态控制

状态旋翼1旋翼2旋翼3旋翼4 竖直（上）增加增加增加增加 竖直（下）降低降低降低降低 滚转保持增加保持降低 俯仰降低增加降低增加

无人机下方携带过饱和蒸汽喷发装置，在指定区域按照从内到外、呈圆心状的轨迹飞行，保证PM2.5的聚沉能够均匀、无漏洞式除尘。

4.4 过饱和蒸汽形成与喷发

4.4.1 连接步骤及装置布置

喷发装置如图3所示。

1—壳体；2—雾化腔体；3—饱和溶液箱；4—小型水泵；5—喷雾头；6—单向阀；7—PCB控制板；8—筒状加热装置；9—喷气嘴；10—电源线；11—微型风扇；71—控制板开关；

壳体1内部设有雾化腔体2，雾化腔体2上部开口处套有筒状加热装置8，筒状加热装置8上端连有喷气嘴9，喷气嘴9在壳体1处设有出雾口101。雾化腔体2底部连接有饱和溶液箱3，饱和溶液箱3右侧设有水泵4。水泵4通过水管与所述饱和溶液箱3右上部连通。喷雾头5一端插入所述雾化腔体2内部，喷雾头5一端插入在包和荣箱的3的左上部，喷雾头5下方设有单向阀6，壳体1右侧底部设有电源线10。PCB控制板7与所述电源线10，筒状加热装置8电连接。微型风扇11在雾化腔体2底部，PCB控制板7与微型风扇11电连接。

4.4.2 环境构建及装置喷发

当饱和雾气温度达到50 ℃，湿度达到90%时，饱和度为1.5，在可行条件下可以最大程度地吸附PM2.5。利用PCB板将加热筒中的温度调至50 ℃。用水泵抽取饱和溶液箱中的溶液至加热筒中，处于加热状态。开启风扇，通过喷雾嘴将饱和蒸汽喷出。细小尘埃在过饱和蒸汽中迅速与周围大量尘埃聚集在一起，变成粒径较大的液滴降落。

4.5 安全设计

无人机采用红外线识别模块，用以检测周围的障碍物与人，防止高温蒸汽喷到人体身上，威胁人身安全。热管周围采用耐高温材料聚四氟乙烯（PTFE）保护，它具有耐高温和绝缘的特性，可以防止由于加热装置温度过高或漏电对人造成伤害。

5 结束语

本研究针对现有的除PM2.5技术的一些不足，研制了一种基于过饱和蒸汽变相凝结技术的去除PM2.5装置，它的聚沉效果好、聚沉效率高、成本低，除尘对环境无二次污染，适合区域性地使用，因为无人机飞行距离和装置耗能的问题，并不适合大范围使用，但对于更好地去除PM2.5提供了一个重要参考。

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［4］杨则允，李猛，张全.四旋翼无人机控制系统设计与实现［J］.科技创新与应用，2018（34）：105-109.

X513

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.13.045

2095－6835（2019）13－0107－02

〔编辑：张思楠〕