伍培　彭江華　鄭潔

(1.重慶科技學(xué)院　重慶 401331；　2.重慶大學(xué)城環(huán)學(xué)院　重慶 400044)

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利用負(fù)離子的油煙多級凈化裝置的研究探討*

伍培1彭江華1鄭潔2

(1.重慶科技學(xué)院重慶 401331；2.重慶大學(xué)城環(huán)學(xué)院重慶 400044)

摘要針對目前餐飲油煙凈化技術(shù)去除細(xì)小顆粒物的不足，在總結(jié)現(xiàn)階段油煙凈化技術(shù)的研究應(yīng)用現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，分析濕式+過濾的復(fù)合式油煙凈化裝置基礎(chǔ)上應(yīng)用空氣負(fù)離子除污技術(shù)的可能性，提出了基于空氣負(fù)離子技術(shù)的新型多級油煙凈化裝置設(shè)想及其發(fā)展途徑與研究方向。

關(guān)鍵詞復(fù)合式油煙凈化負(fù)離子細(xì)小顆粒物多級凈化

0引言

近年來，餐飲油煙凈化裝置被廣泛使用。目前針對餐飲業(yè)使用較多的油煙凈化裝置有：①機械碰撞+靜電沉積；②液體洗滌+材料過濾。本文針對目前油煙凈化裝置的優(yōu)缺點，將機械碰撞、液體洗滌、負(fù)離子凈化、材料過濾技術(shù)綜合起來加以改善，討論應(yīng)用負(fù)離子技術(shù)的油煙多級凈化裝置的可行性和優(yōu)缺點，并提出該油煙多級凈化裝置的研究方向和內(nèi)容。

對空氣負(fù)離子的除塵凈化作用已有不少研究，常將其應(yīng)用到空氣品質(zhì)調(diào)節(jié)和改善，但目前尚未應(yīng)用到油煙凈化中。而人工空氣負(fù)離子發(fā)生器的小型化和高效化及負(fù)離子材料等技術(shù)的不斷發(fā)展也為負(fù)離子去除顆粒物提供了可能。油煙細(xì)小顆粒物的去除一直是油煙凈化技術(shù)的難題，應(yīng)用空氣負(fù)離子技術(shù)的油煙多級凈化裝置就是由此提出的。

1負(fù)離子凈化

1.1負(fù)離子凈化原理

電暈下產(chǎn)生的空氣負(fù)離子由于其弱電性，吸附空氣中大的微小污染物或其他帶電污染物，致使污染物質(zhì)量和體積增大，由于重力作用沉降或是因體積增大被攔截，進而增大了過濾材料對細(xì)小顆粒物的過濾。此 外，空氣負(fù)離子還具有一定的化學(xué)效應(yīng)，能夠去除污染物中部分可揮發(fā)性有機物(VOCS)[1]。

1.2負(fù)離子凈化技術(shù)研究現(xiàn)狀

饒松濤等[2]在開啟空氣負(fù)離子發(fā)生器下對食堂高峰期顆粒物和人員滯留密度進行了測量得出：負(fù)離子能夠有效降低可吸入顆粒物濃度，30 min后可吸入顆粒物濃度就可降低42%；負(fù)離子對小粒徑的可吸入顆粒凝并、沉降作用更為顯著，尤其是0.3～1 μm的顆粒物，這說明負(fù)離子對去除細(xì)小顆粒物有較好作用。葉靖等[3]在一定風(fēng)速下負(fù)離子對過濾器捕捉效率影響的研究中發(fā)現(xiàn)：負(fù)離子對過濾器的捕集具有增效作用，對0.5 μm以下粒徑的增效作用尤強，在風(fēng)速0.6～1.5 m/s時，增效在10%左右。陳晶晶等[4]對負(fù)離子技術(shù)處理餐廚油污廢水實驗研究中發(fā)現(xiàn)，向水中通入空氣負(fù)離子會產(chǎn)生高活性物質(zhì)，該物質(zhì)對處理餐廚油污廢水有較好效果。研究表明，處理8 h后的餐廚油污廢水pH值、CODCr的去除率、氨氮、總氮、總磷的濃度都達到了《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 8978—1996)的三級排放標(biāo)準(zhǔn)的要求。

鑒于空氣負(fù)離子對環(huán)境與健康的顯著促進作用，國內(nèi)外近年來對能產(chǎn)生空氣負(fù)離子的材料也進行了廣泛研究，利用自然界產(chǎn)生負(fù)離子的原理，出現(xiàn)各種人工合成或者配比的負(fù)離子材料，黃春松等[1]對負(fù)離子材料的凈化機理和效果進行了探討。負(fù)離子材料除了負(fù)離子本身的凈化功能外，運用破碎的負(fù)離子材料通過增大比表面積以增強物理吸附作用，而且將負(fù)離子材料本身與過濾材料結(jié)合后還可使纖維過濾效應(yīng)增強。

此外，負(fù)離子材料廣泛應(yīng)用于負(fù)離子功能紡織品,負(fù)離子涂料，負(fù)離子纖維產(chǎn)品以及基于其的過濾材料等。由此可見，空氣負(fù)離子技術(shù)是一項應(yīng)用廣泛，成本低，耗能低，無二次污染，便于管理，而且具有去除0.3～1 μm細(xì)小顆粒物的獨特優(yōu)勢。如果該技術(shù)應(yīng)用到餐飲業(yè)的油煙凈化裝置去，并對各環(huán)節(jié)工藝構(gòu)造和參數(shù)進行優(yōu)化協(xié)調(diào)，可極大提高油煙凈化效率，具有良好的發(fā)展前景和應(yīng)用價值。

2我國油煙凈化裝置研究的現(xiàn)狀

目前我國餐飲業(yè)使用的油煙凈化裝置仍然是基于單一主要凈化技術(shù)的簡單復(fù)合型(慣性沉降加物理吸附或物理過濾加靜電吸附)，無論在經(jīng)濟性還是效果上都存在著許多不足。

車慧子等[5]提出了一種將慣性分離、過濾和濕式洗滌相結(jié)合的復(fù)合式油煙凈化方法，并在數(shù)值模擬下確定了兼顧離心效果和壓損的轉(zhuǎn)速范圍，但并未對濕式洗滌和過濾材料做出研究。張秀東[6]研究了集慣性碰撞、攔截、擴散、過濾和液體洗滌于一體的超重力法凈化效率可達到92.2%，處理后油煙濃度滿足國家要求。李冠文[7]對濕式油煙處理法做了改進，通過超聲波霧化液體，使水霧顆粒直徑能夠處于1～10 μm之間，與空氣接觸面積大，有利于凝結(jié)于微細(xì)顆粒物上，對去除可吸入顆粒物有很大幫助，霧化液體是其關(guān)鍵技術(shù)。桂荔等[8]為提高芒刺靜電油煙裝置對微小油煙顆粒的搜集效率，對單極芒刺凈化裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了優(yōu)化以減少離子風(fēng)產(chǎn)生的附加湍流和反電暈現(xiàn)象以及縮短顆粒達到飽和荷電量的時間，進而提高總的凈化效率。左樂[9]研究了基于稀土氧化物和稀土元素的催化法凈化油煙，凈化效率可達90%左右。但催化凈化法在我國還屬于起步階段，成本比較高，目前在國外使用較多，但由于國內(nèi)外烹飪方式的不同引起的油煙成分不同也會導(dǎo)致凈化方式的不同，所以此方法的應(yīng)用還需進一步研究。

我國油煙監(jiān)測的相關(guān)規(guī)范目前只有《飲食業(yè)油煙排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18483—2001)，其中油煙排放標(biāo)準(zhǔn)中只對大中小型“最高允許排放濃度(mg/m3)”和“凈化設(shè)施最低去除效率”做了規(guī)定，沒有對可吸入顆粒物數(shù)量做出規(guī)定。多數(shù)研究都從這兩個方面檢測油煙凈化裝置凈化效率，從油煙排放氣體可吸入顆粒物角度考慮油煙凈化裝置優(yōu)良性的研究比較少。但是細(xì)小顆粒物尤其是10 μm以下的顆粒物對人體的傷害卻日益加重，近年愈加明顯，所以亟需研究能夠去除細(xì)小顆粒物的油煙凈化裝置來應(yīng)對現(xiàn)狀。

3基于負(fù)離子技術(shù)的油煙多級凈化裝置及其可行性分析

譚德勝等[10]對我國餐飲業(yè)油煙的顆粒物的粒徑分布情況作的研究表明，廚房內(nèi)可沉降顆粒的粒徑分布在10～400 μm，數(shù)量濃度峰值粒徑集中在10～100 μm；可吸入顆粒粒徑主要分布在1 μm以下，數(shù)量濃度峰值粒徑集中在0.063～0.109 μm，質(zhì)量濃度峰值粒徑在6.560～9.990 μm。

根據(jù)我國油煙凈化裝置的研究現(xiàn)狀和對負(fù)離子凈化技術(shù)以及廚房顆粒物粒徑分布范圍的分析，本文提出了具有去除細(xì)小顆粒物吸附功能的油煙多級凈化裝置，其對油煙處理的流程見圖1。

圖1　基于負(fù)離子技術(shù)的油煙多級凈化裝置流程圖

收集到油煙后，通過慣性碰撞或離心旋轉(zhuǎn)去除掉可沉降的大粒徑油滴，之后通過水膜，噴霧方式捕捉油滴，在洗滌室均勻發(fā)射負(fù)離子，使油滴可沉降或增大體積方便水霧捕捉和吸附過濾，水膜，水霧通過慣性、截留、擴散和化學(xué)作用粘附油滴，洗滌液滴依靠重力下降到油煙管道底部,然后通過回水管流到循環(huán)水箱,循環(huán)使用。經(jīng)過迷宮折板進行除水后最后通過含有負(fù)離子材料的濾料過濾后排出室外。裝置的可行性分析如下。

(1)本裝置除了綜合運用了液體洗滌和材料過濾外，還增加了負(fù)離子凈化的增效作用，能夠?qū)崿F(xiàn)吸附對人體有害微小顆粒物，可完善目前油煙處理技術(shù)的不足。

(2)負(fù)離子發(fā)生器技術(shù)已發(fā)展成熟，高頻負(fù)離子發(fā)射已不是難題，除了負(fù)離子數(shù)量上能夠滿足凈化油煙的需求外，其運行成本比較低；負(fù)離子材料發(fā)展迅速，過濾材料中主要添加天然負(fù)離子材料，工藝簡單，投資較小。

(3)基于濕式處理油煙的研究眾多，根據(jù)已有研究基礎(chǔ)進一步對工藝參數(shù)優(yōu)化是可以實現(xiàn)的，而且近年來基于生物凈化污水等無污染技術(shù)研究和應(yīng)用比較多，對濕式處理法的洗滌液廢水造成的二次污染可以得到很好的解決。

(4)過濾材料的研究逐漸在尋找過濾效率高，成本低的材料，而且添加負(fù)離子材料后過濾效果會更好，能夠保證油煙凈化的技術(shù)性和經(jīng)濟性要求。

4濕式油煙凈化技術(shù)的優(yōu)化現(xiàn)狀

在濕式油煙凈化裝置的結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)的優(yōu)化研究方面，李剛等[11]通過回歸分析等數(shù)理統(tǒng)計知識對水幕式油煙凈化裝置的噴嘴布置方式及其排風(fēng)量和液氣比三個參數(shù)進行了優(yōu)化以提高凈化效率。邵偉慶等[12]對由洗滌槽和洗滌塔二級串聯(lián)而成的油煙裝置在煙氣流率、入口濃度、噴淋量及曝氣深度4個控制條件上進行了優(yōu)化，使凈化效率達到80%。在凈化方法和捕捉方式方面，裴清清等[13]將濕法與離心分離法凈化機理相結(jié)合研制出旋風(fēng)噴霧油煙凈化裝置，凈化效率可達80%以上,最高可達92%。適合用于飲食業(yè)的油煙凈化。張金萍等[14]將霧化濕法和過濾吸附相結(jié)合，使油煙氣經(jīng)過了水幕、水霧和水膜一體化的三重作用，油煙顆粒與水霧顆粒充分接觸，能夠提高濕式處理效率，同時也可大大降低油煙溫度，有利于吸附材料的吸附過濾，通過充分的接觸不僅使水霧顆粒與油煙顆粒充分接觸，提高捕捉效率，而且提高了吸附材料的壽命，對油煙凈化裝置有整體提升效果。此種方式下的油煙凈化效率較高，但其產(chǎn)生的廢液也多，這是約束其大量推廣的難題。楊驥等[15]對液體洗滌的油煙處理技術(shù)工藝進行了研究，其自行設(shè)計了一套油煙處理裝置，并通過實驗對工藝參數(shù)做了優(yōu)化，最終得出采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的NaOH+1‰的洗滌劑的混合液為淋洗液,填料高度5～6 cm,則去除率最大，能達到80%以上。

基于濕式方法的油煙凈化研究在洗滌液配置，洗滌方式，噴霧粒徑和接觸方式以及油煙風(fēng)速等參數(shù)上都有研究，但濕式法最大的不足在于廢液產(chǎn)生的二次污染，如果能夠處理好廢液對環(huán)境的污染問題那么濕式法的應(yīng)用將更為廣泛，目前對廢水處理的研究也有許多。桑義敏等[16]提出膜法處理含油廢水是將來的主要研究方向，分別介紹了超濾-膜蒸餾分離，超濾-反滲透，膜生物反應(yīng)器等膜法聯(lián)合處理工藝，對COD、TOC、TDS的去除率都達到95%以上，但目前尚缺成本低，抗污染，凈化效果好的新型膜材料。馬瑞巧[17]對濕法油煙處理設(shè)備的廢水處理方法做了研究，通過比較后提出采用三氯化鐵作為絮凝劑對廢油水進行“混凝”，廢液經(jīng)該方法處理后能滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

5顆粒過濾的研究現(xiàn)狀

李彩亭等[18]研究了海泡石顆粒對油煙的吸附實驗，并提出了“分散—提出—活化—成型”的制備海泡石的工藝流程，并對比了海泡石與活性炭吸附油煙的效果，雖然活性炭的吸附效率高出海泡石8%，但是活性炭的價格高出海泡石10倍。于先坤[19]對纖維過濾介質(zhì)進行了模擬研究，研究表明，濾速的增大對1 μm以上的顆粒物過濾效率有明顯的提升，對1 μm以下的顆粒物則相反。這是因為過濾1 μm以上顆粒物是依靠慣性碰撞，而捕集1 μm以下顆粒物則是根據(jù)布朗運動的原理，因此濾速對二者的影響不同。此外研究還表明，纖維過濾介質(zhì)的容密度越大，纖維介質(zhì)的空隙越小，對顆粒物的捕集作用越強，但是纖維介質(zhì)的空隙越小，阻力就越大，耗能越大。

6結(jié)語

基于負(fù)離子的油煙多級凈化裝置是在目前濕式+過濾凈化設(shè)備的凈化基礎(chǔ)上應(yīng)用負(fù)離子助降顆粒物和負(fù)離子材料增效的原理增強油煙凈化的效率，除了負(fù)離子技術(shù)的應(yīng)用外，還應(yīng)分析研究其他環(huán)節(jié)與該技術(shù)的協(xié)調(diào)性，著重在濕式處理的方式上尋找更高效的油煙凈化方式，以及根據(jù)已有研究尋找出廉價高效的過濾材料。具體的研究方向包括：①空氣負(fù)離子對油煙顆粒沉降影響的進一步定量研究，明確空氣負(fù)離子產(chǎn)生量與沉降效率之間的關(guān)系；②油煙顆粒沉降的迷宮折板構(gòu)造、材質(zhì)與凈化效率的研究；③降溫除油水霧的產(chǎn)生方式和最佳粒徑研究；④油煙吸附凈化段粗濾與精濾材料的比較和篩選，適宜的過濾材料的粒徑及其級配和厚度；⑤小型油煙洗滌廢水的高效化處理。

從以上的途徑研究可以實現(xiàn)負(fù)離子在濕式油煙凈化裝置的高效利用，先可針對濕式凈化裝置本身實現(xiàn)慣性碰撞—降溫除油—迷宮除水—過濾吸附的凈化工藝，對各環(huán)節(jié)的工藝參數(shù)進行優(yōu)化，提升濕式油煙凈化裝置的凈化效率，其次是將負(fù)離子應(yīng)用在降溫除油和過濾吸附環(huán)節(jié)中，通過負(fù)離子與油煙顆粒的充分接觸和負(fù)離子材料在吸附材料中的添加提升凈化裝置對細(xì)小顆粒物的捕捉效率。在這樣的方向上研究負(fù)離子油煙凈化裝置不僅能實現(xiàn)較高的油煙凈化效率，而且還能高效去除細(xì)小的可吸入顆粒物，積極改善建筑室內(nèi)外空氣環(huán)境。

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Discussion on Anion Multistage Lampblack Purification Device

WU Pei1PENG Jianghua1ZHENG Jie2

(1.ChongqingCollegeofScienceandTechnologyChongqing401331)

AbstractAimed at the shortcomings of tiny particles removal in dining lampblack purification technologies, this paper summarizes the present application situation of lampblack purification technologies, analyzes the possibility of wet + filter composite lampblack purification device based on air anion decontamination technology and puts forward the development path and research direction of this new type multistage lampblack purification device thinking.

Key Wordscomposite lampblack purificationnegative ionstiny particlesmultistage purification

(收稿日期：2015-03-17)

作者簡介伍培，男，1969年生，教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向為市政及建筑安全工程。

*基金項目：重慶市建設(shè)科技計劃項目(城科2013152號)，重慶市沙坪壩區(qū)2015 年決策咨詢與管理創(chuàng)新指導(dǎo)性計劃項目(jcd201503)，重慶科技學(xué)院研究生科技創(chuàng)新計劃項目(YKJCX2015048)。