新型可循环处理的室内甲醛净化装置及效果研究

■赵丹丹，高 煜，蔡庄红，赵开楼，赵凯航，郭丰恺 Zhao Dandan & Gao Yu & Cai Zhuanghong & Zhao Kailou & Zhao Kaihang & Guo Fengkai

(1.河南应用技术职业学院，河南郑州 450042；2.河南工业大学，河南郑州 450001）

“十四五”明确指出：室内空气净化将进一步向专业化发展，我国政府把环境保护作为调结构惠民生的重要抓手，将加大力度推进经济发展的绿色转型[1-2]。由于现阶段的室内甲醛净化技术及装置的发展迅猛，吸引了国内外众多科研院所和各大企业在相关领域展开深入的研究，各种类型的室内甲醛净化装置层出不穷，成为化学工程学科发展的一个新突破点，而且随着环境问题的不断恶化，传统光触媒只有在紫外线环境下才能起到净化作用，又考虑到其他室内甲醛单一处理方法的局限性，存在处理量小，净化效率低等问题，人们对可循环处理的室内甲醛净化装置出现了爆发性的需求[3]。因此，开发一个能完全满足人们需要，高效净化甲醛，不存在二次污染，操作简单，易于维护，价格低，处理能力强，能耗低的可循环的室内甲醛净化装置势在必行[4-5]。

1 装置的结构设计及净化效果测试

1.1 装置的整体设计

■图1 可循环处理的室内甲醛净化装置的设计原理图

■图2 为此装置正和背面的零部件展示图

以微纤维与活性炭吸附技术、HEPA、光触媒技术、热质交换理论为基础，植入动态电气集尘技术，提高过滤材料容尘量，避免脱附，以延长过滤耗材的寿命，设计一种新型的室内甲醛可循环协同净化装置。该装置包括机体，机体顶端设置有封盖，机体左端开设有进风口，进风口左端安装有防尘网，右端安装有进风扇，机体内部从左往右依次设置有光触媒过滤机构、活性炭过滤网、微纤维过滤网和HEPA过滤网，HEPA过滤网右侧的机体底端开设有通孔，通孔顶端安装有引风扇，通孔底端连接有引风管，机体底端设置有水箱，引风管连接在水箱上，水箱内部填充有一定量的吸收液，水箱左端开设有出风口，出风口左端安装有排风扇。为了确保这个装置能够正常的运行以及对可行性的验证，我们先设计了本装置的设计原理图（图1）。

为了更清楚地表明设计思路或对产品进行预评估，理解物体的结构与造型,便于更准确地实现装置的设计，我们设计了可循环处理的室内甲醛净化装置的3D效果图（图2），比平面方式制作的效果图更真实、更合理、更准确。

在上述设计原理图和3D效果图基础上，制造了室内甲醛净化装置，其效果图如图3所示[6]。

1.2 甲醛净化效果测试

搭建甲醛光触媒净化实验平台，进行净化装置的甲醛净化效果测试，利用所设计的新型室内甲醛可循环协同净化装置，选取甲醛污染物初始浓度、N重滤网、最佳光触媒的负载厚度以及有无紫外光源多种因素进行影响因素正交实验，确定净化装置的最佳运行工况，在此工况下分析新型的室内甲醛可循环协同净化装置的最佳降解效果与关键技术[7]。

本实验测试平台（图3）主要有甲醛环境系统（图4中1、2所示）、甲醛净化系统（图4中3所示）、甲醛检测与环境检测系统（图4中6、7、8、9所示）、尾气处理系统（图4中4、5所示 ）四部分组成。

1.2.1 新型的室内甲醛可循环协同净化装置优化

优化净化装置气流组织形式，降低净化装置的阻力，实现净化装置的低阻、高效、长寿命设计，对新型的室内甲醛可循环协同净化装置设计原则进行研究，从装置的从属性、技术先进性、甲醛吸附性分析研究，得出适合于装置的使用方式和产品形态特征。

1.2.2 吸收剂的选择

目的：进一步提高吸收剂的除醛效率。

方法：改变吸收剂的种类并通过实验探究水、白吉安茶、甲醛清除剂等吸收剂对甲醛的吸收效果[8]。

方案：设置模拟封闭空间中甲醛初始含量为5mg/m3，采用研制的甲醛净化装置进行处理。每间隔10分钟抽取样品检测一次，通过连续测量封闭室内甲醛浓度的值，对比各吸收剂的甲醛净化效果，从而选出最佳的吸收剂[9]。

结果：实验结果如图5所示。水作为吸收剂时，净化效率逐步提升，在80分钟时趋于平缓达到了最大净化效率87%。安吉白茶净化效果整体较差，不如水作为吸收剂。甲醛清除剂的净化效率与水相似，但作用时间较长，综合考虑下用水做吸收剂，可以达到快捷清除甲醛的目的[10]。

1.2.3 光触媒激发光源的选择

目的: 提高光触媒对甲醛的降解效率。

方法: 分别用黑光灯、日光灯、紫光灯作为激发光源照射装置载体上的光触媒，测试激发光源种类对光触媒光催化性能的影响。

方案：以5mg/m3作为封闭室内甲醛初始浓度，在封闭室内对同样面积的光触媒过滤网采用三种不同光源作为激发光源，进行对照试验。除激发光源种类不一致，光照强度及其他因素均相同。开启光源开始计时，每隔1h检测一次室内甲醛浓度[11]。

结果：结果如图6所示。紫外灯对甲醛的降解效果好于黑光灯及日光灯，净化效率最高可到达88%，黑光灯的净化效率最高可达81%，日光灯的净化效率偏低为67%。故选用紫外灯作为照射光源[12]。

1.2.4 激发光源光照强度的选取

目的：通过采用不同的光照强度提高光触媒的净化效率。

方法：分别用30 W×2和60 W×2的紫光灯作为激发光源，排除一切其他外界干扰，以观察光照强度对甲醛净化效率的影响。

■图3 为此装置实物展示图

■图4 室内甲醛净化实验测试平台原理图

方案：以模拟封闭空间中甲醛初始含量为5 mg/m3进行实验,分别以30 W×2 和60 W×2 两组进行实验,每小时检测一次甲醛浓度。

结果：实验结果如图7所示。30w和60w两组甲醛的降解率分别为60%和 78%，光照9h后，两者的净化率非常接近。因此可以得出通过提高光照强度和延长光照时间,来提高对甲醛的净化效果。

1.2.5 装置的综合性能测试

在密闭的室内进行甲醛净化装置实物模型的净化效果测试，设置室内的甲醛初始浓度为5mg/m3，每隔10分钟检测一次室内甲醛浓度，整理数据得出装置的净化效果图，所得结果如图8所示。数据显示，前30分钟时，随着装置运行时间的增长，室内的中的甲醛含量急剧降低。30分钟时甲醛含量已经低于0.1mg/m3，达到国家室内甲醛容许排放标准（中华人民共和国国家标准规定，居住环境内的甲醛浓度最高不许超过0.1mg/m3），此时的甲醛净化效率接近86%[13]。30分钟之后，净化效果曲线逐渐平缓，在60分钟时甲醛含量低于0.06 mg/m3，甲醛净化效率最高为99.4%。

2 创新点

本研究开发出可循环处理的室内甲醛净化装置，经实验与应用，得出如下结论：

（1）室温持续高效的甲醛净化，无二次污染

采用冷冻干燥技术，将粉末状的光催化材料制备成海绵状材料，不仅有利于粉末状光催化材料的回收，还能提高光催化材料的利用率。同时采用自制新型铂钛型整体式催化剂，无需紫外线光照，即可在室温持续高效降解甲醛，无二次污染。

（2）协同净化甲醛，可循环治理

植入动态电气集尘技术，采用了光触媒技术和其他过滤技术（活性炭、微纤维和HEPA）等N层过滤结构联合处理技术相结合，具有很强的活性，不仅除甲醛，还能过滤多种有害物质（粉尘、毛发、二手烟、流感病毒），并具备了清新空气的附加功能，适于改善居室内部空气的长期使用。

（3）整体结构简单，易于实现，拆卸方便，维护难度低

封盖与机体为可拆卸连接，当需要对过滤网进行更换时，通过把手提起封盖，带动过滤网从机体中滑出，更换完成之后，将滑条与滑槽对准，再将封盖与机体合起即可；防尘网采用磁吸的方式固定在机体上，拆卸方便，便于维护清洗。该装置工艺流程短、整体结构简单、投入成本较少，采用了光触媒技术和其他过滤技术相结合，净化效率高，不产生二次污染。

3 装置应用情况

甲醛净化装置的优势，研制一种新型的室内甲醛可循环协同净化装置并制作出样机，提升高职院校技能操作与相关理论相结合，让学生充分积极地参与到本项目中，在拓展教学空间的同时，更加拓宽学生的实践领域，避免了毕业生实际掌握的知识技能与企业需求存在�脱节现象，有利于学生就业后更好地适应现代车间岗位的实际工作需求。基于甲醛处理装置的设计研究，本团队申报了关于处理甲醛的发明专利2项和实用新型专利1项。曾获得“挑战杯”河南省大学生创业计划竞赛活动特等奖1项，河南省“互联网+”大学生创新创业大赛一等奖1项、二等奖1项和全国职业院校高分子材料“互联网＋”创新创业大赛二等奖1项。

4 结语

该装置将光触媒与其它过滤技术相结合，进一步提高空气净化器的净化效率，处理过程环境友好且能耗低、处理过程可控、处置过程安全、处理成本低廉，符合国家产业政策。此装置不仅适用于刚对房子进行过装修的人群，而且可应用在办公场所、商场、餐厅、酒店、学校、医院等流动人员集中地场所。因此，新型的室内甲醛可循环协同净化装置不仅保障室内空气质量，缓解了环保的压力，并且提高了人们居家的舒适度，对预防、控制甲醛造成的人体健康危害具有重要的理论价值和社会意义。

■图5 不同吸收剂的甲醛吸收效果

■图6 不同光源对光触媒净化甲醛的效果

■图7 不同光照强度对光触媒净化甲醛的效果

■图8 甲醛净化装置的净化效果