賴學(xué)江,姬飛翔，李　銳

( 廣東海洋大學(xué) 工程學(xué)院，湛江 524094 )

轎車廂內(nèi)空氣品質(zhì)改善的實驗研究

賴學(xué)江,姬飛翔，李銳

( 廣東海洋大學(xué) 工程學(xué)院，湛江 524094 )

[摘要]隨著科技的發(fā)展，人們意識到汽車內(nèi)部的空氣質(zhì)量對車內(nèi)乘坐人員非常重要。本文介紹了幾種空氣凈化的處理方法以及兩種汽車空氣過濾芯在汽車采用內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)下車廂內(nèi)的PM2.5的實驗研究，提出車內(nèi)空氣品質(zhì)提高的方法，為一個更加健康的車內(nèi)環(huán)境提出幾點建議。

[關(guān)鍵詞]空氣凈化；PM2.5實驗測試；建議

收稿日期：2015-9-3

基金項目：廣東海洋大學(xué)教研教改專項(XJDKC-2014-12)

作者簡介：賴學(xué)江(1962-)，女，教授，主要研究方向為建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程。Email：82289412@qq.com

文章編號：ISSN1005-9180(2015)04-023-06

中圖分類號：TU834.8

文獻標(biāo)識碼:A

doi:10.3696/J.ISSN.1005-9180.2015.04.005

Abstract：With the development of science and technology,people is aware of the car interior air quality is very important.Several processing methods for the air cleaning are described in this paper.The experimental study of PM2.5 is made by using two different car air filters while the car orient air is in the inner loop or in the outer loop.The methods of in-car air quality improve are proposed.For a healthier interior environment in the car,suggestions are provide.

The Air Quality Improvement Research in the Car Compartments

LAI Xuejiang,JI Feixiang,LI rui

( Engineering College,Guangdong Ocean University,Zhanjiang 524094,China )

Key words:Air Cleaning；PM2.5 Experiment Test；Suggestions

1引言

根據(jù)央視《每周質(zhì)量報告》曝光的六款豪車的甲醛嚴(yán)重超標(biāo)，部分車主出現(xiàn)身體不適的情況來看，汽車內(nèi)部存在多種有害氣體[1，2]。由相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，近90%的汽車都存在車內(nèi)空氣甲醛、TVOC超標(biāo)等問題，其中新車的車內(nèi)空氣質(zhì)量更差。汽車尾氣經(jīng)過光化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的固體超微顆粒(PM2.5)，能夠深入肺的下葉肺泡，進入血液和淋巴系統(tǒng)，帶來全身性的永久危害，是肺癌、心腦血管疾病的直接誘因，汽車內(nèi)由于空氣的不流通，PM2.5的含量更高。車內(nèi)有害氣體會引發(fā)駕駛員與乘客出現(xiàn)頭暈、惡心、疲倦、胸悶等嚴(yán)重不適，長期在此環(huán)境下駕駛會影響交通安全。但在市區(qū)道路轎車如果一直開新風(fēng)也會引進外面污濁的空氣，因此，研究汽車空氣過濾芯的過濾效果對車廂內(nèi)空氣PM2.5的影響是很有必要。

2空氣凈化減小PM2.5的方法

2.1納米材料光催化法[3，4]

納米材料主要成分是二氧化鈦,二氧化鈦本身近似天然物質(zhì)，其化學(xué)穩(wěn)定性非常高，對人體無毒無害，在吸收陽光中的紫外線后，其內(nèi)部電子被激發(fā)，形成活性氧類的超氧化物和羥基原子團，具有超強的氧化能力，可以凝固病毒的蛋白質(zhì)，抑制病毒的活性，破壞細(xì)菌的細(xì)胞膜，使細(xì)胞質(zhì)流失至死亡，可用于殺除空氣中的浮游細(xì)菌，殺菌能力達到99.997%。同時，二氧化鈦受光后生成的氫氧自由基能對有機物質(zhì)和有害氣體進行氧化還原反應(yīng)，將其轉(zhuǎn)化為無害的水、二氧化碳和鹽等[4]。二氧化鈦光催化法的優(yōu)點是其化學(xué)穩(wěn)定性非常高，對人體無毒無害，二氧化鈦作為催化劑本身并不直接參與氧化還原的反應(yīng)，而只是扮演發(fā)生反應(yīng)的所需要的媒介，本身的能力并不隨時間而消耗衰減，且即使在室內(nèi)熒光燈等微弱光源下也能發(fā)揮其功能，所以它在理論上具有永久性，可以隨時隨地處理和凈化各種有害氣體，使周圍空氣保持清新健康的狀態(tài)。二氧化鈦經(jīng)特殊處理后鍍到玻璃等表面可以形成一層薄膜，具有防霧功能,可以耐受400℃的高溫。和其它常規(guī)的空氣凈化方法(如物理吸附法、紫外線固定法及臭氧分解法等)相比較，它具有凈化能力強、適用范圍廣泛、效果持久穩(wěn)定、無二次公害等優(yōu)點。二氧化鈦光催化的缺點是TiO2有限的吸附能力使其在低濃度環(huán)境中不能有效地在其表面富集甲醛,制約了其光催化降解優(yōu)勢的發(fā)揮。單獨使用二氧化鈦的凈化設(shè)備，不能解決室內(nèi)空氣中的懸浮物及危害很大的細(xì)微顆粒物問題,同時催化劑微孔容易被灰塵和顆粒物等堵塞而致使催化劑失活。大多數(shù)凈化器都使用了過濾、外加電場、活性炭吸附等其中一種或幾種技術(shù)與TiO2光催化技術(shù)對空氣進行復(fù)合凈化,但真正起到除塵凈化作用的仍然是吸附、過濾等傳統(tǒng)技術(shù)。

2.2吸附法[5]

吸附法是利用活性炭、分子篩、硅膠、活性氧化鋁等具有吸附能力的物質(zhì),吸附污染物來達到凈化室內(nèi)空氣的目的。吸附法幾乎適用于所有惡臭有害氣體,且脫除效率高,是脫除有害氣體常用的一種方法。吸附法的優(yōu)點是用作吸附材料的物質(zhì)主要為活性炭,它具有表面積大、吸脫速度快、吸附容量大等特點。

其缺點是活性炭纖維的應(yīng)用仍處于探索階段,性價比較低,影響了其應(yīng)用范圍。對于吸附方法而言,也存在著吸附飽和的問題,當(dāng)吸附材料達到飽和狀態(tài)時需注意及時對其進行更換。普通活性炭對室內(nèi)氣體的吸附多屬于物理吸附,雖能夠吸附幾乎所有的氣體,但是物理吸附的吸附能力極其微小,且活性炭是疏水性物質(zhì),缺乏對親水性物質(zhì)的吸附能力。另外,物理吸附穩(wěn)定性很差,在溫度壓力等條件變化時容易脫附而造成二次污染。

2.3吸附技術(shù)結(jié)合光催化技術(shù)處理有害氣體[3]

活性炭纖維(ACF)和TiO2作為吸附劑和光催化劑,將常溫吸附和光催化降解兩種作用相結(jié)合。將ACF和TiO2相結(jié)合治理甲醛污染,優(yōu)勢更為明顯,當(dāng)ACF與TiO2的質(zhì)量比為1.0∶0.5時,凈化速率最快。因為一方面借助ACF的強吸附作用,低濃度的甲醛在混合材料表面快速富集,加快TiO2對甲醛的光催化降解速率；另一方面TiO2的光催化降解作用又促使ACF上所吸附的甲醛向TiO2表面遷移,使ACF的吸附能力得以恢復(fù),實現(xiàn)了ACF的再生?？梢?ACF與TiO2的混合體系可以凈化甲醛等室內(nèi)有害氣體[3]。其優(yōu)點是使有害氣體吸附凈化不僅是簡單的物理吸附過程,而且吸附在吸附劑上的污染物能及時遷移到催化劑上通過光催化作用分解,提高了凈化效率。其缺點是對氣態(tài)污染物的作用效果并不理想，這類設(shè)備主要的去污對象是總揮發(fā)性有機化合物(TVOC),而對甲醛的降解能力較低。

2.4過濾凈化法[6]

過濾凈化法主要用來分離空氣中的懸浮顆粒,對于細(xì)菌、有毒有害氣體等污染物則顯得束手無策,而且過濾凈化器通常因為濾料容易飽和而失效，目前汽車普通過濾器就是采用這種方法。目前許多汽車空調(diào)過濾器把纖維過濾與吸附過濾結(jié)合來提高車廂內(nèi)空氣的凈化效果。

2.5低溫等離子凈化法[8]

低溫等離子發(fā)生器，產(chǎn)生等離子體，對風(fēng)機吸入氣態(tài)污染物進行低溫等離子體進化處理，過濾層對經(jīng)過等離子體凈化處理的氣體進行凈化過濾，過濾有害氣體；負(fù)離子發(fā)生器，對過濾后的氣體進行負(fù)離子處理，提高空氣質(zhì)量。低溫等離子凈化法的優(yōu)點是對有害氣體的去除效果十分理想，尤其是對甲醛、H2S凈化率達到100%，低溫等離子體的殺菌作用非常顯著。

3不同過濾材料及不同車內(nèi)工作狀態(tài)下過濾效果的對比

3.1實驗方法

由于汽車另外安裝使用空氣凈化器可能會增加汽車的耗電及增加車主費用，現(xiàn)采用在空調(diào)過濾器上做些改進，看看空氣過濾的效果。實驗方案是在車內(nèi)點燃熏香，然后一段時間后熄滅熏香，采用諾方微的PM2.5檢測儀測試車內(nèi)的PM2.5數(shù)值上的變化和空氣凈化所需的時間的長短，來研究普通過濾芯和加了椰殼碳的過濾芯的過濾效果,椰殼炭也是活性的一種,有高效空氣凈化功能，具有極強的吸附能力。

3.2實驗1車內(nèi)狀態(tài)為內(nèi)循環(huán)風(fēng)，普通過濾器處理空氣PM2.5的研究

普通空氣過濾器濾芯用一般的毛紡材料做成的過濾芯。表3-1為舊的普通過濾器處理車廂內(nèi)的空氣PM2.5的實驗數(shù)據(jù)，由儀器軟件得到車內(nèi)PM2.5的變化圖，如圖3-1(a)；表3-2為新普通過濾器處理空氣PM2.5的實驗數(shù)據(jù)，由儀器軟件得到車內(nèi)PM2.5的變化圖，如圖3-1(b)。

圖3-1　普通過濾器測試實驗圖

表3-1舊普通過濾器的實驗數(shù)據(jù)

(實驗時間:2015.05.21上午)

表3-2新普通過濾器的實驗數(shù)據(jù)

(實驗時間:2015.05.24下午)

根據(jù)表3-1和圖3-1(a)中所示的實驗數(shù)據(jù)可得：在使用舊的普通過濾器的情況下，未點燃香之前，車內(nèi)空氣的PM2.5和PM10的值分別是5.7 ug/m3和10.3 ug/m3，當(dāng)點燃香之后，車內(nèi)空氣的PM2.5和PM10的數(shù)值快速增長，當(dāng)11秒之后PM2.5和PM10的數(shù)值分別達到229.2ug/m3和407.9ug/m3，由于過濾器的作用，6分23秒之后車內(nèi)PM2.5和PM10的數(shù)值分別降到114.9 ug/m3和191.8 ug/m3，此時將熏香熄滅，由于熄滅后熏香處于不完全燃燒，故燃燒氣體中的有害氣體更多，所以車內(nèi)空氣的PM2.5和PM10的數(shù)值繼續(xù)增長，1分25秒后車內(nèi)空氣的PM2.5和PM10的數(shù)值分別升到355.5 ug/m3和737.6 ug/m3，此時熏香完全熄滅，由過濾器獨立凈化車內(nèi)空氣；經(jīng)過27分31秒之后，車內(nèi)空氣PM2.5和PM10的數(shù)值不再發(fā)生巨大變化，處于穩(wěn)定狀態(tài)。

根據(jù)表3-2和圖3-1(b)中所示的實驗數(shù)據(jù)可得：在使用新的普通過濾器的情況下，未點燃香之前，車內(nèi)空氣的PM2.5和PM10的值分別是12.2 ug/m3，當(dāng)點燃香之后，車內(nèi)空氣的PM2.5的數(shù)值快速增長，當(dāng)16秒之后PM2.5的數(shù)值達到301.5 ug/m3，由于過濾器的作用，6分28秒之后車內(nèi)PM2.5的數(shù)值降到193 ug/m3，此時將熏香熄滅，由于熄滅后熏香處于不完全燃燒，故燃燒氣體中的有害氣體更多，所以車內(nèi)空氣的PM2.5的數(shù)值升到223.6 ug/m3，此時熏香完全熄滅，由過濾器獨立凈化車內(nèi)空氣；經(jīng)過21分47秒之后，車內(nèi)空氣PM2.的數(shù)值達12.3 ug/m3，不再發(fā)生巨大變化，處于穩(wěn)定狀態(tài)。對比實驗可以得出，舊的過濾芯的過濾能力已經(jīng)下降，過濾相同的污染物，所需的時間比新的過濾芯多了5分43秒，多了約20%的時間。

圖3-2　椰殼碳過濾器測試實驗測試圖

3.3實驗2車內(nèi)狀態(tài)為一檔內(nèi)循環(huán)風(fēng)，采用椰殼碳過濾器處理空氣PM2.5的研究

椰殼碳過濾器的正面同普通過濾芯一樣，背面多了椰殼碳層，椰殼碳具有吸附降解作用。

根據(jù)上述的實驗方法，我們又進行了車內(nèi)狀態(tài)為循環(huán)風(fēng)，檔位是一檔，椰殼碳過濾器處理空氣PM2.5的實驗研究，并根據(jù)PM測試儀測試結(jié)果，得到表3-3所示結(jié)果。椰殼碳過濾器內(nèi)循環(huán)一檔過濾測試實驗曲線圖如圖3-2。

根據(jù)表3-3和圖3-2中所示的實驗數(shù)據(jù)可得：在椰殼碳過濾器打開的情況下，未點燃香之前，車內(nèi)空氣的PM2.5的值是3 ug/m3，當(dāng)點燃香之后，車內(nèi)空氣的PM2.5的數(shù)值快速增長，當(dāng)50秒之后PM2.5的數(shù)值達到188.9 ug/m3；由于過濾器的作用，7分鐘之后車內(nèi)PM2.5的數(shù)值降到55.3 ug/m3，此時將熏香熄滅，由于熄滅后熏香處于不完全燃燒，故燃燒氣體中的有害氣體更多，過濾器的過濾速度小于有害氣體生產(chǎn)速度，所以車內(nèi)空氣的PM2.5的數(shù)值繼續(xù)增長，18秒后車內(nèi)空氣的PM2.5的數(shù)值升到219.6 ug/m3，此時熏香完全熄滅，由過濾器獨立凈化車內(nèi)空氣；經(jīng)過9分53秒之后，車內(nèi)空氣PM2.5的數(shù)值不再發(fā)生巨大變化，處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3.4實驗3車內(nèi)為二檔內(nèi)循環(huán)風(fēng)，采用椰殼碳過濾器處理空氣PM2.5的研究

根據(jù)上述的實驗方法，我們又進行了車內(nèi)狀態(tài)為內(nèi)循環(huán)風(fēng)，檔位是二檔，椰殼碳過濾器處理空氣PM2.5的實驗研究，并根據(jù)PM測試儀測試結(jié)果，得到表3-4所示結(jié)果。汽車內(nèi)循環(huán)風(fēng)打在二檔位置，椰殼碳過濾器過濾測試實驗曲線圖如圖3-3。

表3-3一檔內(nèi)循環(huán)椰殼碳過濾器實驗數(shù)據(jù)

(實驗時間:2015.05.22上午)

表3-4二檔內(nèi)循環(huán)椰殼碳過濾實驗數(shù)據(jù)

(實驗時間:2015.05.2下午)

圖3-3　汽車內(nèi)循環(huán)風(fēng)打在二檔位置，椰殼碳過濾器測試實驗測試圖

根據(jù)表3-4和圖3-3中所示的實驗數(shù)據(jù)可得：在汽車空調(diào)檔位為二檔內(nèi)循環(huán)風(fēng)，椰殼碳過濾器打開的情況下，未點燃香之前，車內(nèi)空氣的PM2.5的值是2.4 ug/m3，當(dāng)點燃香之后，車內(nèi)空氣的PM2.5的數(shù)值快速增長，當(dāng)4秒之后PM2.5的數(shù)值達到291.3 ug/m3；由于過濾器的作用，5分鐘54秒之后車內(nèi)PM2.5的數(shù)值降到30.9 ug/m3，此時將熏香熄滅，由于熄滅后熏香處于不完全燃燒，故燃燒氣體中的有害氣體更多，過濾器的過濾速度小于有害氣體生產(chǎn)速度，所以車內(nèi)空氣的PM2.5的數(shù)值繼續(xù)增長，19秒后車內(nèi)空氣的PM2.5的數(shù)值升到377.5 ug/m3，此時熏香完全熄滅，由過濾器獨立凈化車內(nèi)空氣；經(jīng)過6分23秒之后，車內(nèi)空氣PM2.5的數(shù)值不再發(fā)生巨大變化，處于穩(wěn)定狀態(tài)。與一檔循環(huán)風(fēng)比較，凈化的時間縮短了3分30秒，但車內(nèi)瞬間的PM2.5值比一檔循環(huán)風(fēng)的PM2.5高。

3.5實驗4汽車為二檔外循環(huán)風(fēng)，兩種過濾器處理空氣PM2.5的研究

根據(jù)上述的實驗方法，我們又進行了車內(nèi)狀態(tài)為外循環(huán)風(fēng)，檔位是二檔，椰殼碳過濾器和新普通過濾器處理空氣PM2.5的實驗研究，并根據(jù)PM測試儀測試結(jié)果，得到表3-5和表3-6。汽車外循環(huán)風(fēng)，風(fēng)量打在二檔位置，圖3-4為椰殼碳過濾器車采用外循環(huán)風(fēng)時的過濾測試實驗曲線。圖3-5為新普通過濾器車采用外循環(huán)風(fēng)時的過濾測試實驗曲線。

根據(jù)表3-5和圖3-4中所示的實驗數(shù)據(jù)可得：在汽車空調(diào)檔位為二檔外循環(huán)風(fēng)，當(dāng)車外PM2.5為69ug/m3時經(jīng)椰殼碳過濾器處理，車內(nèi)的空氣可以達到14.4 ug/m3，切換到內(nèi)循環(huán)可處理到4.3 ug/m3。

根據(jù)表3-6和圖3-5中所示的實驗數(shù)據(jù)可得：在汽車空調(diào)檔位為二檔外循環(huán)風(fēng)，當(dāng)車外PM2.5為52.5ug/m3時經(jīng)新普通過濾器處理，車內(nèi)的空氣可以達到14.3ug/m3，切換到內(nèi)循環(huán)可處理到8.9 ug/m3。

表3-5椰殼碳過濾器車采用外循環(huán)風(fēng)

(實驗時間:2015.05.23)

表3-6新普通過濾器車采用外循環(huán)風(fēng)

(實驗時間:2015.05.24)

4不同過濾材料及不同車內(nèi)工況過濾

效果的總結(jié)及建議

圖3-4　椰殼碳過濾器，車采用外循環(huán)時的過濾測試實驗曲線

圖3-5　新普通過濾器，車采用外循環(huán)時的過濾測試實驗曲線

根據(jù)上述的測試數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)分析，得出：

(1)根據(jù)實驗1和實驗2的數(shù)據(jù)對比，可得當(dāng)汽車空調(diào)同為內(nèi)循環(huán)狀態(tài)下時，椰殼碳過濾器的過濾效果相比普通過濾器的過濾效果更顯著，凈化用時短，但椰殼碳過濾器價格較高，如果沒安裝椰殼碳過濾器，我們可以通過車內(nèi)放置竹炭等吸附材料，吸收車內(nèi)異味，也可提高空氣品質(zhì)，降低車廂內(nèi)PM2.5值。

(2)根據(jù)實驗2和實驗3的數(shù)據(jù)對比，可得當(dāng)汽車空調(diào)同為內(nèi)循環(huán)狀態(tài)，同是椰殼碳過濾器，但汽車空調(diào)內(nèi)循環(huán)檔位不同時，檔位大時汽車空調(diào)的過濾效果要更顯著，用時也更短，風(fēng)道阻力增大會增加油耗。

(3)根據(jù)實驗4的數(shù)據(jù)，可得當(dāng)汽車空調(diào)采用椰殼碳過濾器和新普通過濾器時，汽車空調(diào)處于外循環(huán)狀態(tài)時，椰殼碳過濾器的過濾效果比普通過濾器更顯著，用時也更短；如果外部環(huán)境PM2.5較高時，汽車應(yīng)該打在內(nèi)循環(huán)，否則車內(nèi)的空氣品質(zhì)會受外部PM2.5影響。

(4)由圖3.1(a)和圖3.1(b)得到空氣過濾器要定期更換，舊的空氣過濾器過濾能力已下降，否則影響車內(nèi)空氣品質(zhì)。

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