低臭氧型負(fù)離子霧霾空氣凈化器設(shè)計(jì)

曹輝，侯衛(wèi)萍*，姜峰，阮海宏

(東北林業(yè)大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，哈爾濱 150040)

摘要：降低負(fù)離子空氣凈化器的臭氧排放量，保護(hù)人們免受臭氧的傷害，可以在傳統(tǒng)凈化器的基礎(chǔ)上增加紫外線除臭氧和催化劑除臭氧。臭氧很不穩(wěn)定，吸收254 nm波長(zhǎng)的紫外線后，分解為氧氣。高效臭氧分解催化劑能在室溫下將臭氧分解為氧。普通負(fù)離子空氣凈化器會(huì)釋放超標(biāo)的臭氧，其濃度高達(dá)205 ppb，而加入除臭氧裝置的新型凈化器則釋放的臭氧很少，使其濃度控制在19 ppb之內(nèi)。低臭氧型負(fù)離子霧霾空氣凈化器能有效地清除自身產(chǎn)生的臭氧，性能更優(yōu)，適合在室內(nèi)使用。

關(guān)鍵詞：負(fù)離子；臭氧；霧霾；紫外線；催化劑

中圖分類號(hào)：S 776；TU 834

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-005X(2015)02-0119-03

Abstract：In order to reduce the concentrations of ozone from anion air purifier，and protect people from the harm of ozone，we can add another two powerful features on the basis of the traditional filter including the ultraviolet and efficient ozone decomposition catalyst to decompose ozone.Ozone is very unstable，which will be decomposed into oxygen when absorbing 254nm wavelength ultraviolet ray.Efficient ozone decomposition catalyst can decompose the ozone into oxygen at room temperature.An ordinary anion air purifier releases excessive amount of ozone with concentration as high as 205 PPB.However，the new type air purifier with ozone decomposition function can release very little ozone，and control it within 19 PPB.The low-ozone anion haze air purifier can effectively remove its own emissions of ozone，which has a better performance and is more suitable for indoor use.

Keywords：anion；ozone；haze；ultraviolet；catalyst

收稿日期：2014-10-01

基金項(xiàng)目：東北林業(yè)大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目(CX-2014-12)

作者簡(jiǎn)介：第一曹輝，本科生。研究方向：森林工程。

通訊作者：*侯衛(wèi)萍，博士，講師。研究方向：森林工程和3S技術(shù)。E-mail：7956909@qq.com

Design of Low Ozone Anion Haze Air Purifier

Cao Hui，Hou Weiping*，Jiang Feng，Ruan Haihong

(College of Engineering and Technology，Northeast Forest University，Harbin 150040)

引文格式：曹輝，侯衛(wèi)萍，姜峰，等.低臭氧型負(fù)離子霧霾空氣凈化器設(shè)計(jì)[J].森林工程，2015，31(2)：119-121.

隨著工業(yè)化的飛速發(fā)展，空氣倍受污染，加之北方冬季燒煤引起的霧霾天氣越來(lái)越嚴(yán)重，空氣凈化器因此頗受當(dāng)代人青睞。霧霾由空氣中的水汽、灰塵、硫酸、硝酸、有機(jī)碳?xì)浠衔锏攘Ｗ咏M成的。如果水平能見(jiàn)度小于10 000 m時(shí)，將這種非水成物組成的氣溶膠系統(tǒng)造成的視程障礙稱為霾(Haze)或灰霾(Dust-haze)，吸入人的呼吸道后會(huì)導(dǎo)致呼吸道感染，免疫力低下的人更容易發(fā)病[1]。空氣凈化器的使用在有效地緩解這一危害的同時(shí)，卻造成了另一種隱患，那就是它排放出過(guò)量有害的臭氧。低濃度的臭氧可消毒，但超標(biāo)的臭氧則會(huì)強(qiáng)烈刺激人的呼吸道，造成咽喉腫痛、胸悶咳嗽、引發(fā)支氣管炎和肺氣腫；臭氧會(huì)造成人的神經(jīng)中毒，頭暈頭痛、視力下降、記憶力衰退，臭氧還會(huì)對(duì)人體皮膚中的維生素E起到破壞作用，致使人的皮膚起皺、出現(xiàn)黑斑。臭氧的強(qiáng)氧化性對(duì)人體健康有危害作用，一般認(rèn)為臭氧吸入體內(nèi)后，能迅速轉(zhuǎn)化為活性很強(qiáng)的自由基-超氧基，主要使不飽和脂肪酸氧化，從而造成細(xì)胞損傷[2]。

1結(jié)構(gòu)及工作原理

為簡(jiǎn)化空氣凈化器的結(jié)構(gòu)，所選用的部件的額定電壓皆為220V，減少故障率如圖1所示。過(guò)濾系統(tǒng)主要由過(guò)濾罩、活性炭過(guò)濾網(wǎng)等組成，其中過(guò)濾罩含有過(guò)濾棉對(duì)吸入的空氣進(jìn)行第一次過(guò)濾，將氣體中的纖維、大顆粒粉塵過(guò)濾?；钚蕴窟^(guò)濾網(wǎng)可高效吸附經(jīng)負(fù)離子降塵作用產(chǎn)生的粉塵顆粒，以及氣體中含有的異味[3]。

負(fù)離子發(fā)生系統(tǒng)主要由一個(gè)負(fù)離子發(fā)生器組成，其額定輸出電壓為2~3.5 KV，負(fù)離子濃度為2×106PCS/cm3。負(fù)離子發(fā)生器的碳刷頭為負(fù)離子釋放端，碳刷頭指向與進(jìn)氣風(fēng)扇風(fēng)向相反，凈化器工作時(shí)碳刷頭處會(huì)產(chǎn)生一定強(qiáng)度的離子風(fēng)，利用離子風(fēng)加速負(fù)離子與吸入空氣的混合，提高降塵效率[4]。

除臭氧系統(tǒng)主要由TUV紫外線燈管、專用鎮(zhèn)流器、紫外線燈管接頭及網(wǎng)狀臭氧催化劑組成。TUV紫外線燈產(chǎn)生波長(zhǎng)為254 nm的紫外線能將高濃度的臭氧分解，顯著將臭氧濃度降低。網(wǎng)狀臭氧催化劑組成為活性炭加載冷觸媒，網(wǎng)狀編織透氣性能好，具有耐酸，耐堿，耐高溫，耐低溫，防火，防水，防靜電等特點(diǎn)。能將氣體中含有的剩余臭氧進(jìn)一步催化分解，使排出氣體臭氧含量達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)以下[5]。

其它部分含有風(fēng)扇、下通風(fēng)道、連接風(fēng)道、上通風(fēng)道、過(guò)濾網(wǎng)蓋、殼體。風(fēng)扇吸入空氣，并由下通風(fēng)道、連接風(fēng)道、上通風(fēng)道控制氣體流動(dòng)方向，其中各通風(fēng)道皆為管狀風(fēng)道。

圖1　低臭氧型負(fù)離子霧霾空氣凈化器結(jié)構(gòu)圖 Fig.1 Structure diagram of low-ozone anion haze air purifier 1.過(guò)濾罩；2.風(fēng)扇；3.下通風(fēng)道；4.負(fù)離子發(fā)生器； 5.專用鎮(zhèn)流器；6.臭氧催化劑；7.紫外線燈管接頭； 8.過(guò)濾網(wǎng)蓋；9.紫外線燈管；10.活性炭過(guò)濾網(wǎng)； 11.殼體；12.上通風(fēng)道；13.連接風(fēng)道；14.碳刷頭

2凈化流程及控制電路

閉合電路后如圖2所示，電風(fēng)扇開(kāi)始工作，將室內(nèi)空氣鼓入凈化器，負(fù)離子激發(fā)器開(kāi)始釋放負(fù)離子和臭氧，對(duì)空氣中的懸浮顆粒物進(jìn)行清理并殺菌消毒。鎮(zhèn)流器控制紫外線燈管的電流，保證其正常工作。初步凈化的空氣通入紫外線燈管照射區(qū)，在此過(guò)程中，紫外線具有雙重功能，既殺滅細(xì)菌和微生物，又分解清除一部分臭氧。二次凈化的空氣再通過(guò)高效臭氧催化分解網(wǎng)[6]，對(duì)殘余的臭氧進(jìn)行更徹底地催化分解，使排放出凈化器的空氣含臭氧量在人體安全范圍之內(nèi)。

圖2　低臭氧型負(fù)離子霧霾空氣凈化器電路圖 Fig.2 Circuit diagram of low-ozone anion haze air purifier’s

3空氣凈化及除臭氧功能

負(fù)離子激發(fā)器是一種利用自身產(chǎn)生的負(fù)離子對(duì)空氣進(jìn)行凈化、除塵、除味和滅菌的環(huán)境優(yōu)化電器，其核心功能是生成負(fù)離子，利用負(fù)離子本身具有的除塵降塵、滅菌解毒的特性來(lái)對(duì)室內(nèi)空氣進(jìn)行優(yōu)化。用最新現(xiàn)代電子科技通過(guò)脈沖形成負(fù)離子。負(fù)離子能使空氣中微米級(jí)肉眼看不見(jiàn)的PM2.5等微塵，通過(guò)正負(fù)離子吸引、碰撞形成分子團(tuán)下沉落地。且負(fù)離子能使細(xì)菌蛋白質(zhì)兩級(jí)性顛倒，對(duì)空氣、物品表面的微生物、細(xì)菌、病毒均有滅活作用[7]。

臭氧濃度是決定臭氧消毒效果的重要因素，而與接觸時(shí)間關(guān)系不大。隨著溫度的增加，臭氧的殺菌作用增強(qiáng)，但在實(shí)際使用中，因溫度的升高反而會(huì)影響消毒效果。臭氧氣體易爆，有特臭，對(duì)人體有毒，空氣中含0.02～0.04 ppm可嗅知，大氣中最高允許濃度0.2 mg/m3(約0.1 ppm)臭氧完成殺菌消毒功能后，進(jìn)入紫外線燈通道。臭氧很不穩(wěn)定，臭氧吸收254 nm波長(zhǎng)的紫外線后，就分解為氧氣。未被臭氧殺滅的微生物在紫外光的照射下發(fā)生光化反應(yīng)，破壞微生物的核酸使其失去活性[8]。

中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一八研究所研究出了高效臭氧催化分解催化劑，它能在室溫下將臭氧分解為氧，可廣泛應(yīng)用于家用電器、復(fù)印機(jī)、精細(xì)化學(xué)品的合成及自來(lái)水、廢水的處理中。采用蜂窩結(jié)構(gòu)大大降低了氣流阻力，提高催化劑的強(qiáng)度，提高抗水、抗塵能力。這項(xiàng)裝置能在常溫下使臭氧分解率達(dá)到95%以上[9]。

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

低臭氧型負(fù)離子霧霾空氣凈化器的凈化檢測(cè)主要有：負(fù)離子濃度檢測(cè)、臭氧濃度檢測(cè)及PM2.5的檢測(cè)。

實(shí)驗(yàn)室溫度控制在20～22℃之間，并保持濕度≤60%，故測(cè)試過(guò)程中不考慮溫度和濕度的影響。采用PM2.5檢測(cè)儀對(duì)實(shí)驗(yàn)室空氣中PM2.5的濃度進(jìn)行初次測(cè)定[10]。

采用負(fù)離子濃度測(cè)試儀對(duì)負(fù)離子濃度進(jìn)行測(cè)定。操作方法：將儀器放在靠近凈化器的釋放氣體的一端，測(cè)量負(fù)離子濃度2次，取平均值。若平均值與測(cè)定值差大于2%，則再測(cè)3次，取5次的平均值[11]。

采用化學(xué)發(fā)光法對(duì)凈化器的臭氧釋放濃度進(jìn)行測(cè)定，操作方法同上[12]。

分別在兩個(gè)密閉的實(shí)驗(yàn)區(qū)間對(duì)普通負(fù)離子空氣凈化器和低臭氧型負(fù)離子霧霾空氣凈化器做實(shí)驗(yàn)。先測(cè)定初始值，然后開(kāi)啟凈化器，分別測(cè)定1、2、3、4、5、6h后的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1和表2。

表1　普通負(fù)離子空氣凈化器的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) Tab.1 Experimental data of ordinary anion haze air purifier

表2　低臭氧型負(fù)離子霧霾空氣凈化器的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) Tab.2 Experimental data of low ozone anion haze air purifier

5結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)凈化器的結(jié)構(gòu)及電器參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化改裝，引入了波長(zhǎng)為254 nm的紫外線燈和催化劑除臭氧的裝置來(lái)清除掉凈化器自身產(chǎn)生的臭氧，降低了普通負(fù)離子空氣凈化器的臭氧排放量。在保證負(fù)離子濃度基本一致的情況下，使用普通空氣凈化器的臭氧濃度為205 ppb，而使用低臭氧型負(fù)離子霧霾空氣凈化器的臭氧濃度僅為18 ppb，彌補(bǔ)了普通負(fù)離子凈化器的不足。由于臭氧也有凈化功能，所以排除臭氧后，其凈化能力有微小幅度的降低。如PM2.5的濃度在普通空氣凈化器的作用下降低到27 μg/m3，而在低臭氧型負(fù)離子霧霾空氣凈化器的作用下最終檢測(cè)為32 μg/m3。綜合考慮，低臭氧型負(fù)離子霧霾空氣凈化器能在很大程度上消除臭氧，并且基本不影響最終的凈化能力。因此，非常適合于對(duì)臭氧敏感和對(duì)空氣質(zhì)量要求較高的人群居家使用。

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[責(zé)任編輯：董希斌]