沈慧紅，劉科麟，李 娜，劉沙琴，許皓帆

(杭州師范大學(xué) 錢江學(xué)院，浙江 杭州 310012)

便攜式室內(nèi)空氣凈化器的研制

沈慧紅，劉科麟，李 娜，劉沙琴，許皓帆

(杭州師范大學(xué) 錢江學(xué)院，浙江 杭州 310012)

采用活性炭、HEPA、光觸媒、UV-C等多種空氣凈化技術(shù)，研制了一種新型便攜式室內(nèi)空氣凈化器。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定：該凈化器可以凈化PM2.5、細(xì)菌及有害氣體，凈化效果明顯，效率較高，并且移動(dòng)方便。

便攜式；室內(nèi)；空氣凈化器

1 引言

近年來(lái)，我國(guó)空氣質(zhì)量不容樂(lè)觀，杭州也曾發(fā)生嚴(yán)重的連續(xù)霧霾天氣，即使緊閉門窗，也無(wú)法阻止PM2.5對(duì)室內(nèi)空氣的污染。與此同時(shí)，現(xiàn)代裝修所用的大量裝飾材料也會(huì)造成室內(nèi)空氣污染。室內(nèi)空氣污染的程度甚至可以達(dá)到室外空氣污染的100倍以上[1]，已經(jīng)嚴(yán)重地危害到人們的健康。隨著社會(huì)的發(fā)展和進(jìn)步，現(xiàn)代人需要長(zhǎng)時(shí)間地待在室內(nèi)進(jìn)行工作學(xué)習(xí)和開(kāi)展各項(xiàng)活動(dòng)，由此人們也越來(lái)越關(guān)注和重視室內(nèi)空氣的污染問(wèn)題，必須加強(qiáng)室內(nèi)空氣凈化技術(shù)的研究，努力改善室內(nèi)空氣質(zhì)量狀況。

2 空氣凈化器的設(shè)計(jì)思路

2.1 室內(nèi)污染物

室內(nèi)空氣污染物主要由4個(gè)部分組成：一是滲透到室內(nèi)的室外大氣污染，如霧霾、汽車尾氣和工業(yè)排放等；二是裝修裝飾過(guò)程中使用的涂料、油漆、粘合劑和人造復(fù)合板材等化學(xué)材料散發(fā)出的甲醛、甲苯和苯酚等污染物；三是因烹飪、吸煙和點(diǎn)蚊香等行為產(chǎn)生的各種燃燒產(chǎn)物；四是人體自身活動(dòng)，如呼吸、排汗、化妝、洗滌、養(yǎng)寵物和開(kāi)空調(diào)等，產(chǎn)生的分泌物、化學(xué)品、微生物和粉塵等污染物?？梢?jiàn)，凈化室內(nèi)空氣不但要吸附粉塵，還要分解有害物質(zhì)和殺菌消毒。

2.2 空氣凈化技術(shù)

空氣凈化技術(shù)主要分為需要鼓風(fēng)機(jī)動(dòng)力的主動(dòng)式空氣凈化技術(shù)和不需要鼓風(fēng)機(jī)動(dòng)力的被動(dòng)式空氣凈化技術(shù)，結(jié)合室內(nèi)空氣污染的實(shí)際情況，主要采用以下幾類主動(dòng)式空氣凈化技術(shù)。

2.2.1 活性炭

活性炭是一種多孔碳，根據(jù)吸附孔的大小可以分為吸附小分子的微孔(孔徑<2 nm)、吸附大分子的中孔(孔徑2～50 nm)和吸附細(xì)菌及其他微生物的大孔(孔徑>50 nm)[2]。活性炭物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)都很穩(wěn)定，因此作為吸附材料廣泛應(yīng)用在環(huán)保領(lǐng)域。

2.2.2 HEPA

HEPA(High Efficiency Particulate Air Filter)，即高效空氣微粒過(guò)濾器，是國(guó)際公認(rèn)最好的高效濾材。其材質(zhì)主要是各種高效濾紙和有機(jī)纖維，可以有效阻隔0.3 μm以上的微粒，阻隔率可達(dá)99.97%以上[3]，因此HEPA是粉塵、煙霧等空氣污染物最有效的過(guò)濾裝置。

2.2.3 光觸媒

凡是具有光催化功能的材料都可以稱之為光觸媒[4]，實(shí)際應(yīng)用中以納米TiO2為代表，TiO2在光的照射下，與空氣中的O2和H2O一起發(fā)生反應(yīng)，使得TiO2表面產(chǎn)生了強(qiáng)氧化性的超氧陰離子自由基和氫氧自由基，可把空氣中的各種有害物、異味、微生物等氧化分解成無(wú)污染的CO2和H2O，從而達(dá)到空氣凈化的效果。

2.2.4 UV-C

UV-C波段，波長(zhǎng)200～275 nm[5]，也叫短波滅菌紫外線。危害人體的細(xì)菌和病毒等單細(xì)胞微生物經(jīng)UV-C照射后，細(xì)胞阻止內(nèi)的DNA和RNA結(jié)構(gòu)直接被徹底破壞，使微生物體內(nèi)的蛋白質(zhì)徹底無(wú)法生成，使微生物立即死亡或喪失繁殖能力。針對(duì)室內(nèi)的實(shí)際污染情況，本文研制的空氣凈化器主要采用了以下幾類主動(dòng)式空氣凈化技術(shù)。

2.3 關(guān)鍵要素

設(shè)計(jì)和制作一臺(tái)合格的空氣凈化器，必須綜合考慮風(fēng)阻、風(fēng)機(jī)和風(fēng)道等重點(diǎn)要素，才能最大限度地發(fā)揮凈化器的功效。

2.3.1 風(fēng)阻

用于清除固體顆粒物的空氣過(guò)濾器，不同級(jí)別的產(chǎn)品，過(guò)濾能力不同。過(guò)濾能力越高的過(guò)濾器，由于孔徑的縮小或結(jié)構(gòu)緊密度的提升，對(duì)流動(dòng)的空氣所產(chǎn)生的阻力也越大。由此造成風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的風(fēng)無(wú)法有效通過(guò)。研究發(fā)現(xiàn)，過(guò)濾器并非級(jí)別越高越好，而是應(yīng)該選用與風(fēng)機(jī)能力匹配的產(chǎn)品，才能實(shí)現(xiàn)最佳的凈化效果。

2.3.2 風(fēng)機(jī)

不同的風(fēng)機(jī)可以提供不同的風(fēng)量與風(fēng)壓，風(fēng)機(jī)對(duì)于空氣凈化器的凈化效能至關(guān)重要。常見(jiàn)的風(fēng)機(jī)類型有兩種：軸流式風(fēng)機(jī)和離心式風(fēng)機(jī)。

軸流式風(fēng)機(jī)因氣流流動(dòng)的方向與風(fēng)機(jī)扇葉的軸相同而得名，多用于空氣流量要求較高而對(duì)風(fēng)壓要求較低的場(chǎng)合。由于其風(fēng)壓較小，所產(chǎn)生的氣流很難穿透過(guò)濾網(wǎng)，因此在空氣凈化器中使用較少。離心風(fēng)機(jī)的原理是利用高速旋轉(zhuǎn)的葉輪將氣體加速，使用一個(gè)渦旋管道，將氣流變向、減速、壓縮，從而產(chǎn)生了很高的風(fēng)壓與風(fēng)量，因此可在有限的空間內(nèi)，實(shí)現(xiàn)高風(fēng)壓與高風(fēng)量，非常適用于空氣凈化器。

2.3.3 風(fēng)道

通常空氣凈化器的風(fēng)道較短，這樣一方面可以避免污染物在風(fēng)道內(nèi)的沉積，另一方面較短的風(fēng)道相對(duì)容易密封，可以避免因密封效果不好導(dǎo)致泄漏，產(chǎn)生二次污染。

3 空氣凈化器設(shè)計(jì)與制備

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在風(fēng)向設(shè)計(jì)上，一般需凈化的空氣首先經(jīng)過(guò)過(guò)濾網(wǎng)，過(guò)濾為潔凈空氣，然后到達(dá)風(fēng)機(jī)，再經(jīng)過(guò)風(fēng)機(jī)風(fēng)道及后續(xù)凈化手段，吹入室內(nèi)。同時(shí)，為了將室內(nèi)立體空間循環(huán)凈化，一般考慮采用四周+底部進(jìn)風(fēng)，頂部吹風(fēng)的設(shè)計(jì)。因此本課題研制的空氣凈化器的風(fēng)道設(shè)計(jì)成四周進(jìn)風(fēng)、頂部吹風(fēng)的形式。

凈化空氣經(jīng)過(guò)活性炭網(wǎng)、HEPA和光觸媒網(wǎng)進(jìn)入離心風(fēng)機(jī)，在吹風(fēng)口安裝UV-C殺菌燈進(jìn)行殺菌處理，最終從空氣凈化器上方流出。在出風(fēng)口外設(shè)置擋風(fēng)板，以確保在空氣順暢流通的同時(shí)，避免雜物進(jìn)入。

同時(shí)，為確?？諝鈨艋鞅銛y特性，在空氣凈化器底部安裝萬(wàn)向輪，在頂部安裝拉手，從而確保移動(dòng)性。在小型空氣凈化器的設(shè)計(jì)制作過(guò)程中采用蓄電池供電的方式，將蓄電池集成到空氣凈化器內(nèi)部，以提高便攜性。

3.2 元件選型

根據(jù)GB/T 13554-2008《高效空氣過(guò)濾器》，針對(duì)50 m2的使用面積，初步選定過(guò)濾器和配套風(fēng)機(jī)型號(hào)，并據(jù)此選擇UV-C殺菌燈型號(hào)，以及設(shè)計(jì)空氣凈化器支架和外殼。

本課題中，過(guò)濾器選用包含活性炭網(wǎng)、HEPA和光觸媒網(wǎng)的飛利浦AC4144過(guò)濾網(wǎng)套裝；UV-C殺菌燈選用上海四通公司生產(chǎn)的15W的UV-C殺菌燈；風(fēng)機(jī)分別選用可以提供較高風(fēng)壓和高風(fēng)量的通用離心式風(fēng)機(jī)(功率180 W、額定電壓為220 V)，以及具有較好便攜性的小型軸流式風(fēng)機(jī)(功率3 W、額定電壓12 V)，以進(jìn)行對(duì)照實(shí)驗(yàn)。

4 性能測(cè)試

空氣凈化器樣機(jī)裝配完成后，在實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有條件下，開(kāi)啟空氣凈化器一段時(shí)間后，WinLand-TC308型TVOC+PM2.5空氣質(zhì)量檢測(cè)儀進(jìn)行空氣凈化程度測(cè)試。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，采用離心式風(fēng)機(jī)的空氣凈化器在30 m2的實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行1 h、2 h、4 h后，TVOC(評(píng)價(jià)有機(jī)氣態(tài)物質(zhì))從33分別降低到15、12.7和9，PM2.5從19.2分別降低到13.4、9.4和5.6。

采用軸流式風(fēng)機(jī)的空氣凈化器在30 m2的實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行1 h、2 h、4 h后，TVOC從分別33降低到30、25、23，PM2.5從19.2分別降低到17.2、14.7和10.8。

可見(jiàn)，開(kāi)發(fā)的兩款空氣凈化器均起到了凈化空氣的效果，其中風(fēng)機(jī)選擇對(duì)凈化效果有比較明顯的影響。采用180 W離心式風(fēng)機(jī)制備的空氣凈化器對(duì)PM2.5的去除效率可達(dá)到27%以上，對(duì)有毒有害氣體的分解吸收可達(dá)到29%以上，有效提高了室內(nèi)空氣質(zhì)量。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)室內(nèi)空氣污染的問(wèn)題，采用活性炭吸附、HEPA過(guò)濾、光觸媒分解和紫外線殺菌技術(shù)，研制了一種便攜式空氣凈化器，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析，該凈化器可以達(dá)到很好的凈化室內(nèi)空氣的目的。

[1]龔 圣,黃肖容,隋賢棟.室內(nèi)空氣凈化技術(shù)[J].環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備,2004,5(4):55～57.

[2]榮海琴,鄭經(jīng)堂,王茂章.室內(nèi)空氣中揮發(fā)性有機(jī)化合物及多孔炭材料在其脫除中的應(yīng)用[J].環(huán)境科學(xué)進(jìn)展,1999,7(6):104～109.

[3]徐海云,楊慶平.室內(nèi)空氣凈化技術(shù)[J].艦船防化,2008(1):12～19.

[4]黃繩紀(jì),陳城基.光觸媒在空氣凈化中的應(yīng)用[J].廣州化工,2004,32(3):17～19.

[5]王元元,張立志.室內(nèi)空氣凈化技術(shù)的研究與進(jìn)展[J].暖通空調(diào),2006,36(12):24～27.

Development of Portable Indoor Air Purifier

Shen Huihong, Liu Kelin, Li Na, Liu Shaqin, Xu Haofan

(HangzhouNormalUniversityQianjiangCollege,Hangzhou310012,China)

Through the adoption of several air purification technologies, including activated carbon, HEPA, photocatalyst and UV-C, the article develops a new type of portable indoor air purifier. Through experiment, this purifier can purify PM2.5, bacteria and harmful gas. It has the advantages of obvious effect,higher efficiency and easy mobility.

portable; indoor; air purifier

2015-10-21

沈慧紅(1996—)，女，浙江杭州人，杭州師范大學(xué)錢江學(xué)院學(xué)生。

R121.1

A

1674-9944(2015)12-0271-02