除臭氧新风净化器的设计与性能研究

王 凤 周 域 张腾飞1,△

(1．天津大学,天津;2.大连理工大学,大连)

0 引言

臭氧(O3)是大气环境中的主要污染物[1],近年来,夏季大气环境中的臭氧浓度逐年升高[2],建筑通风会将室外高浓度臭氧引入室内,对人员健康造成严重威胁[3]。人体对臭氧暴露非常敏感,50×10-9体积分数的臭氧就会刺激到人体的咽喉黏膜,70×10-9以上的臭氧会诱发哮喘、肺功能损伤、呼吸道不适、心率失调、血压升高等呼吸系统和心血管系统疾病[4]。Weschler提出,对室内送风进行过滤可以有效减少室内人员的臭氧暴露风险[5]。然而,一般的供暖、通风和空调系统过滤器即便在迎面风速低至0.81 cm/s的条件下,也只能够获得10%左右的臭氧净化效率[6],且净化效果主要源于过滤器表面聚集的微粒层和臭氧分子的氧化还原反应,这一过程产生的副产物可能会对室内环境造成更严重的危害[7]。另一种常见的应对臭氧污染的方法是在室内使用空气净化器[8],但这种净化方法具有滞后性,臭氧分子一旦进入室内,很容易氧化家具建材散发的苯、醛及不饱和烯烃,产生可吸入的亚μm颗粒[9]。还有许多研究尝试利用活性炭或碳纤维材料的吸附能力来净化臭氧[10],在实验室条件下取得了一定的效果。但水分或其他物质的存在会影响臭氧分子的吸附效率,且在电镜下可观察到活性炭材料被臭氧氧化后碎裂,形成的μm级别粉末会造成二次污染[11]。

一种新的思路是利用金属/金属氧化物作为催化剂直接催化分解臭氧[12],相比于热分解[13]、光催化分解[14]和还原性溶液吸收[10]等净化方法,催化分解无需考虑高温加热、特殊光源和废液处理等条件,更加清洁安全。这种方法在实验室条件下已较为成熟,诸多研究验证了贵金属或过渡金属及其氧化物的净化效果,且公认在复合催化剂中锰氧化物对臭氧分解的效果最好。Yu等人的研究已在实验室条件下证实了含锰氧化物催化剂的净化效果可以达到90%以上,而将活性二氧化锰催化剂负载在蜂窝载体材料上的方法也已经广泛应用在飞机的臭氧转换器上,在高温下取得了95%的分解效率[15]。但是目前仍缺乏一种适用于常温居室环境的新风净化器,旨在从送风源头阻止臭氧向室内扩散传播。

因此,本研究设计出一种能够去除臭氧的新风净化器,通过实验测试优选了过滤器的不同设计参数,获得了不同背景浓度下的净化效果。

1 实验装置及方法

1.1 实验装置介绍

本文设计的新风净化器(见图1a)的外部尺寸为0.350 m×0.320 m×0.814 m(长×宽×高),室内送风口和室外进风口的尺寸均为0.30 m×0.08 m,风道内部的尺寸为0.30 m×0.25 m×0.80 m,室内外两侧设有保温层。变频风机安装在风道中部,设有30、60、90、120、150 m3/h 5个挡位的可调风量,将室外空气引入室内。为实现对颗粒物的预过滤,保证臭氧转换器的净化效果,将中效过滤器安装在风道内靠近室外的进风口侧。臭氧转换器则安装在靠近室内送风口侧,用于净化臭氧。同时,在净化器的室内侧设有2个密封门,开启密封门后可更换臭氧转换器和中效过滤器。

图1 除臭氧新风净化器的构造示意图和臭氧催化滤料

臭氧转换器是净化器的核心部件,如图1b所示,其外部尺寸为0.300 m×0.250 m×0.046 m(长×宽×高)。臭氧转换器采用平板式结构,以便更好地利用过滤材料的厚度优势,营造更长的气体停留时间来保证较高效率和较低通流阻力。臭氧转换器内部填充共计40 mm厚度的滤料,包括负载了二氧化锰(MnO2)和氧化铜(CuO)颗粒的载物滤料和普通滤棉。载物滤料在分块区域内分层叠放,其制备方法如下:配置2 mol/L的硝酸铜溶液,与50%质量分数的硝酸锰溶液以锰铜摩尔比3∶1混合均匀备用;用1%的稀盐酸浸渍玻璃纤维棉30 min后,放入烘箱内100 ℃烘烤2 h;将烘干后的玻璃纤维棉浸入制备好的锰铜混合溶液中5 h,随后依次在70 ℃和200 ℃条件下烘烤和焙烧各2 h。制备完成的材料裁剪后装入转换器内,材料和框架的接合处采用密封胶密封。转换器的前后两面各安装1层防护网,边缘安装密封垫以防止漏风,框架侧面安装把手。

将上述通风净化器安装在大连理工大学某实验房南侧窗户下部,实验房整体尺寸为4.8 m×3.3 m×2.7 m(长×宽×高),除臭氧新风净化器的工作模式和测点分布示意见图2。室外空气从净化器下部的进风口引入,经过净化后从室内侧送风口进入室内。

注:P1～P3为测点。图2 除臭氧新风净化器的工作模式和测点分布示意

1.2 不同载物滤料用量对臭氧过滤净化性能的影响

本文设计的臭氧转换器内载物滤料按“5×4”分块分层叠放,每20块滤料组成的1个平层记为1层滤料叠放层,每层叠放层厚度约5 mm。滤料的叠放层数量会直接影响MnO2和CuO含量及反应位点数量,进而对净化效率产生影响。本文测试比较了分别使用1～5层滤料叠放层时的臭氧过滤效率和通流阻力,并分析了其质量因子。

一次通过净化效率是评价臭氧转换器性能的关键指标,见式(1)。

(1)

式中η为臭氧净化效率;Cout为净化后下游的臭氧体积分数,10-9;Cin为净化前室外侧的上游臭氧体积分数,10-9。

利用臭氧检测仪(设备型号:Model 106L)对净化器上下游的臭氧浓度进行监测,并通过数据采集设备记录数据。将室内测点(P1)布置在室内进风口内部,以避免室内环境中的醛类、不饱和烯烃及其他还原性物质被臭氧氧化。室外测点(P3)则布置在室外送风口内,避免测点距进风口过远受到室外臭氧浓度梯度影响。

不同过滤风速会影响气态臭氧在催化材料上的停留时间,对净化效率产生影响。实验前,先调节净化器内部的变频风机转速,分别得到0.11、0.22、0.33、0.44、0.56 m/s的稳定过滤风速。不同的臭氧背景浓度也影响臭氧净化效率,实验中需尽可能维持室外侧背景浓度的高位稳定。但是实际大气臭氧浓度波动较大,为解决此问题,实验中使用人造臭氧。将三通管段的一端连接实验室外的臭氧发生器,发生器产生的臭氧经过三通管分别送入实验区域和尾气处理区域。利用臭氧检测仪在测点P3处监测其浓度,多次反馈调节三通装置得到稳定背景浓度。

实验前,先将臭氧转换器安装在通风净化器内,调节电动机电压,控制净化器的过滤风速达到稳定,再打开臭氧发生器,调节三通装置,将P3测点的背景体积分数控制在75×10-9左右。在此条件下,对室内外测点的臭氧浓度依次监测,取多组稳定读数,代入计算得到净化效率,随后改变过滤风速,重新校正背景浓度,得到不同过滤风速下的实验结果。一组实验结束后,更换滤料层数量不同的臭氧转换器,重复上述步骤,依次得到1～5层滤料叠放层在不同过滤风速下的表现。

进行通流阻力测试时,从小到大缓慢增大过滤风速,利用帽式风量罩(设备型号:AccuBlance 8380)和热线风速仪(设备型号:VT110)核定过滤风速,并多次重复验证;再采用精密微压计(设备型号:DP-Calc 8715)测量阻力,2个测点分别布置在风道内的臭氧转换器上、下游位置(P2、P1),多次读数取平均值。

在测试完过滤净化效率和通流阻力以后,使用过滤器的质量因子Qf来评价其综合性能,见式(2)。

(2)

式中 Δp为臭氧过滤器压降,Pa。

质量因子越大,表示过滤器能够在更低的阻力下提供更大的净化效率,即表示过滤器的综合性能越好。

1.3 大气臭氧浓度和滤料使用时长对净化效率的影响

鉴于大气臭氧浓度对过滤净化效率影响较大,本研究控制背景臭氧浓度时,将室外测点的体积分数依次控制在25×10-9、47×10-9、56×10-9和75×10-9左右,从低到高,从安全浓度到超标浓度,对应4种常见的环境臭氧体积分数;控制过滤风速变量时,将臭氧转换器的迎面风速依次控制在0.11、0.22、0.33、0.44、0.56 m/s,从实验房最小新风量对应过滤风速依次增加。测试时,将(25～75)×10-9的不同背景体积分数条件与0.11～0.56 m/s的不同过滤风速条件两两正交,测试不同工况下的净化效率。

Yang等人使用10 h的过滤结果作为滤层的长期效率,但随着滤料使用时长增加,负载的金属氧化物会出现脱落和失活现象,进而影响臭氧净化效率[16-17]。实验中,将过滤风速保持在0.44 m/s,持续使用臭氧转换器,并测试其长期使用效率。根据夏季臭氧逐时分布特点和GB/T 18801—2015《空气净化器》,在1 d时间内,将12 h的背景体积分数维持在75×10-9;另外12 h则不开启臭氧发生器,臭氧的平均背景体积分数不超过50×10-9。每隔一段时间测量一次在不同过滤风速下的效率,以此评定滤料的使用时长对净化效率的影响。

2 实验结果

2.1 不同滤料用量对过滤净化性能的影响

实验结果表明,叠放不同滤料层数量的臭氧转换器均具备臭氧净化能力。图3显示了叠放4层滤料的臭氧转换器在0.11 m/s过滤风速条件下的室内外臭氧浓度,在投入使用1周后,臭氧转换器能够将平均体积分数75×10-9以上的臭氧净化至20×10-9左右。

图3 叠放4层滤料的臭氧转换器在0.11 m/s过滤风速下的室内外臭氧体积分数测试值

图4显示了叠放不同滤料层数量的臭氧转换器在投入使用1周前后的净化效率。由图4a可知,对于同一臭氧转换器而言,过滤风速从0.11 m/s增至0.56 m/s时,由于气体驻留时间缩短,净化效率也随之下降,其中,叠放1层滤料的降幅比例最大,达到67.4%;叠放5层滤料的自身降幅比例最小,为21.4%。对于同一过滤风速而言,滤料层数从1层增至5层带来更多数量的锰铜氧化物和反应位点,净化效率也随之呈现非线性增加,其中,4层和5层之间的效率差距不明显,最大差距小于4%。图4b显示了投入使用1周后的净化效率,滤料层数为1～3 层时,臭氧转换器的效率下降更加明显;1层的效率最大降低了13.1%,3层的降幅达到15.7%。滤料层数量增加至4层后,1周的最大效率降幅仅为5.1%,各过滤风速下的效率依旧维持稳定,可以看出,使用时长所带来的效率损耗在增加了滤料层数量后变得逐渐不明显。

图4 叠放不同滤料层数量的臭氧转换器的净化效率

图5显示了叠放不同滤料层数量的臭氧转换器的通流阻力。可以看出,臭氧转换器的阻力随着过滤风速增大而非均匀增加,低风速下阻力曲线相对平缓,高风速下的阻力增长更快,4层和5层滤料层近50%的阻力均是在过滤风速超过0.44 m/s后增加的。同时,随着滤料层数量的增加,臭氧转换器的阻力也非均匀增加,5层滤料层的阻力出现明显跃升。导致上述现象的原因,可能是在制备滤料的过程中,层数越多,相互之间越容易产生压缩和纤维粘连,从而使得原材料逐渐失去了疏松低阻的状态。

图5 叠放不同滤料层数量的臭氧转换器的通流阻力

图6显示了叠放不同滤料层数量的臭氧转换器的质量因子。整体上看,随着过滤风速的增加,阻力增大和效率下降共同导致臭氧转换器质量因子的下降。在相同背景浓度的10个实验组中,随着滤料层数量的增加,质量因子大体上呈现先增大后减小的趋势,其中4层滤料层的质量因子具有明显优势,其最大值可以达到0.074 Pa-1,使用1周后的数值仍保持在0.067 Pa-1。只有在0.11 m/s的过滤风速下,1层滤料层的初始阻力具有明显优势;但使用1周后,其自身净化效率的大幅下降导致质量因子不再具备优势,如图6b所示。综上,4层滤料层的质量因子在不同过滤风速的实验组中,都比其他层数高25%～185%。因此,4层滤料叠放可视为臭氧转换器的最佳设计状态。

图6 叠放不同滤料层数量的臭氧转换器的质量因子

2.2 大气臭氧浓度和滤料使用时长对净化效率的影响

图7显示了叠放4层滤料时不同背景臭氧浓度和过滤风速下的臭氧净化效率。由图7可以看出,背景臭氧浓度越高、过滤风速越大,臭氧的净化效率越低。在25×10-9背景体积分数下,过滤风速从0.11 m/s增至0.56 m/s,对应净化效率从81.0%降至67.6%,且效率随过滤风速的变化趋势较为均匀。在背景体积分数较大的实验组内(56×10-9、75×10-9),较小的过滤风速对净化效率影响较弱,较大过滤风速对净化效率的影响则表现得更为明显,过滤风速从0.44 m/s增至0.56 m/s,56×10-9体积分数组的净化效率就从71.0%降至60.3%,75×10-9体积分数组的净化效率则是从69.1%降至56.9%,二者降幅均超过本组总降幅的67%。在(25～75)×10-9的不同背景体积分数内,净化效率最大值均超过75%。

图7 不同背景体积分数和过滤风速下的臭氧净化效率

图8显示了在风速0.56 m/s下,室内外臭氧浓度随滤料使用时长的变化。当室外臭氧体积分数在75×10-9左右时,臭氧转换器在前6周的净化效率较高,能够将下游臭氧体积分数控制在40×10-9以内;到第8周时净化效率出现明显下降,但仍能保证室内臭氧体积分数低于55×10-9;此后效率继续下降,至第12周时,室内外浓度非常接近,再往后净化效果趋于消失。

图8 滤料长期使用时的臭氧净化效果

图9显示了不同滤料使用时长下臭氧的净化效率,前6周内较小过滤风速下的净化效率下降较快。在使用6周后,不同过滤风速下的净化效率均能维持在50%。6周以后出现明显的整体效率下滑,8周时效率下降至30%～35%,此后效率逐渐下降,12周时效率低至约5%,此后逐渐不具备净化能力。

图9 长期使用后的臭氧净化效率

3 讨论

由于本实验只有1台臭氧检测仪,无法同时测量室内外侧的臭氧浓度。两侧的臭氧浓度采取多次轮流测量的方法,每次取稳定读数来计算最终的净化效率。测得的净化效率是一段时间内的平均效率,并不反映瞬时值。为了得到稳定的效率,每组数据的总测试时长为几个小时。

中效过滤器的滤芯是玻璃纤维,其对臭氧的净化效果微乎其微,能参与氧化反应的金属框架实际暴露面积也很小,从未安装臭氧转换器时的实测净化效果来看(见图10),臭氧在10 h内的净化效率仅0.6%,可见对臭氧的净化是靠臭氧转换器来实现的。

图10 未安装臭氧转换器时通风净化器对室内臭氧体积分数的影响

4 结论

本研究设计了一种可净化室内臭氧的新风净化器,内置的核心部件为臭氧转换器。通过实验测试评估了臭氧转换器的性能,并对转换器在不同过滤风速、背景浓度、使用时长下的净化效果进行分析比较,得到如下结论:

1) 在所测试的工况中,臭氧转换器内滤料叠放4层时,质量因子所表征的综合性能最优,当室外浓度超标时,最大质量因子可达到0.074 Pa-1,最大净化效率超过75%。

2) 臭氧转换器的净化效率与背景浓度和过滤风速均呈负相关。背景浓度达标时,过滤风速对效率的影响较为均匀;背景浓度超标时,高过滤风速造成的过滤效率下降更为明显。

3) 滤料长期使用会降低臭氧的净化效率,背景体积分数为75×10-9时,前6周可以保证50%的净化效率,6周后效率下降,12周后丧失净化能力。