吸附协同紫外光降解餐饮油烟实验研究

朱礼想 杜景轩 王梓鑫 张静 沈欣军*

（1. 沈阳工业大学环境与化学工程学院，辽宁沈阳 110870；2. 中国兵器工业集团航空弹药研究院有限公司，黑龙江哈尔滨 150030）

1 引言

随着我国经济的发展，人民对于生活质量的追求也日益提高，这极大地促进了餐饮行业的发展，因此而带来的餐饮油烟污染问题也逐渐引起了人们的注意［1］。餐饮油烟大多以气体的形式排放，其主要成分为挥发性有机污染物（VOCs）和可吸入悬浮颗粒物（主要为PM2.5和PM10）等，具有难以集中收集处理、间歇性排放、分布范围广、容易被忽视等特点［2］。

我国的饮食结构主要以食用油烹饪食材制成的熟食为主，因此相对的油烟排放量也非常大。食用油和食材在加热过程中会产生大量的分解产物，而这些分解物大多具有很强的挥发性，非常容易对人体的呼吸系统产生危害，影响人体的健康［3］。

现阶段我国对于餐饮油烟污染治理方面的相关法律法规还有待完善，部分法规停留在一些原则性的规定上，在现实中执行较为困难，各部门相关规章表述笼统，制度体系存在矛盾，缺乏具体的执行标准，难以对餐饮店铺的油烟排放行为进行有效的违章认定［4］。而且对现阶段的各种油烟处理设备也没有清晰明确的标准判定，导致油烟净化设备良莠不齐。目前应用较为广泛的油烟净化技术主要是机械分离法、过滤吸附法、催化氧化法［5］、热氧化焚烧分解法、静电沉积法［6］、湿式法、紫外光解法、生物处理法、复合净化法等。

本实验采用复合净化法，即将过滤吸附法与紫外光解法结合，来考察不同滤料在不同风速下协同紫外光解法技术对各个相关因素的影响。

2 实验部分

2.1 材料与仪器

油烟监测器；压差测量仪；数显风速仪；液相色谱仪；超声清洗仪；变频离心风机；分析天平；集气泵；采样袋；DNP 采样管；紫外灯；烹饪设备；自制滤料承载网架；食用油；无纺布；玻璃纤维；夹碳布。

2.2 实验方法

实验流程如图1 所示，主要由烹饪区、检测装置、过滤及紫外光解装置构成。

图1 实验流程

滤料承载装置为自制，采用变频离心机可对管道内的风速进行调节，以达到获取不同风速的目的。用风压测量仪记录油烟经过滤料前后的压差，以达到收集滤料阻力的目的。用油烟检测器检测滤料协同紫外光解处理油烟前后的质量浓度变化，以达到计算过滤效率的目的。固定滤料架倾斜角为60°，开启紫外灯照射，模拟餐厅烹饪产生较为稳定的油烟量后，调整变频风机分别使管道内风速稳定在18，22，25，28 m/s 这4 个变量，滤料采用无纺布、夹碳布和玻璃纤维3 种。

2.3 分析方法

2.3.1 计重过滤效率计算

计重过滤效率（E）是衡量过滤材料过滤性能的一项重要指标。滤料的过滤效果主要是在扩散效应、惯性碰撞效应、拦截效应和重力沉降效应4 种效应机理综合作用下产生的。计重过滤效率可以通过下式进行计算：

式中，E 为计重过滤效率；c1为油烟通过滤料前的质量浓度的平均值，mg/m3；c2为油烟通过滤料及紫外光区后的质量浓度的平均值，mg/m3；

2.3.2 滤料的过滤阻力

滤料的过滤阻力也是衡量过滤材料过滤性能的一项重要指标，该项指标可以通过压差测量仪测得，待压差测量仪数值稳定后读取数据，即可记为该固定工况值下滤料的过滤阻力ΔP（Pa）。

2.3.3 容油量的计算

容油量可以依据《饮食业油烟净化设备技术要求及检测技术规范》［7］的相关内容来进行计算，用天平测量过滤架的初始质量，然后调整管道风速工况值至需要的实验条件下运行。当滤料阻力上升至初始阻力的2 倍时取下过滤架称重，计算处理前后的质量差。重复实验取平均值，然后代入下式：

式中，OHC 为容油量，g/m2；Δm 为过滤架处理油烟前后的质量差，g；s 为滤料的有效过滤面积，m2。

3 结果与讨论

3.1 对计重过滤效率的影响

使用油烟检测器分别检测经过滤料和紫外光解前后油烟的质量浓度变化，计算出不同风速对不同滤料的计重过滤效率的影响，结果如图2 所示。

图2 过滤效率与风速的关系

由图2 可知，当风速逐渐提升时，3 种滤料的计重过滤效率都出现了不同程度的下滑。同时从图2还能看出，在相同风速条件下，玻璃纤维的计重过滤效率相对较高，只有当风速达到28 m/s 时，夹碳布的计重过滤效率才略高于玻璃纤维。综上所述，当风速在18 m/s，玻璃纤维与紫外光解技术协同时对于餐饮油烟的污染物处理效果更佳，为97.32%。

3.2 对滤料阻力的影响

依据实验条件调整变频风机使管道内风速至稳定，使用压差测量仪分别记录测量仪上显示的稳定数据作为滤料阻力，对比滤料阻力数据的情况，如图3 所示。

图3 滤料的阻力与风速的关系

由图3 可知，当风速逐渐提升时，3 种滤料的阻力都呈现了上升的趋势，这是由于风速加大后管道内油烟流量加大，滤料吸附的油烟量在单位时间内也在提升，导致滤料阻力变大。因此在风速为18 m/s时的滤料阻力相对较小，玻璃纤维为0.075 0 kPa，夹碳布为0.069 8 kPa，无纺布为0.051 4 kPa。在相同工况值条件下无纺布的阻力最小。

3.3 对容油量的影响

依据实验条件分别对不同风速下滤料处理油烟前后的质量进行称重记录，并计算出处理前后的质量差，代入公式（2），得出结果如图4 所示。

图4 滤料容油量与风速的关系

由图4 可知，当风速逐渐提升时各个滤料的容油量都出现了下降，在风速为18 m/s 时的容油量最大，而且在风速从18 m/s 到25 m/s 这个过程中容油量下降明显，在风速25 m/s 到28 m/s 的过程中容油量下降趋缓，说明当风速上升后管道内气体流速加大，滤料的截留作用降低，有一定量的油烟通过了滤料而没有被拦截下来，而后期趋缓说明风速达到了滤料的可承载极限，导致容油量没有明显的变化。同时不同滤料的容油量也存在差别，玻璃纤维的容油量相较于其他滤料最佳，无纺布次之，夹碳布最差。因此在风速为18 m/s，滤料为玻璃纤维协同紫外光解技术时容油量最高，对于油烟的处理效果也最佳，为208.276 g/m2。

4 结论

当滤料倾斜角度为60°时，3 种滤料的计重过滤效率与容油量随风速上升而下降，阻力随风速上升而呈现上升趋势，综合对比可知，当风速为18 m/s，采用玻璃纤维为滤料时，协同紫外光降解餐饮油烟的效果最佳。