王金鵬， 戚兆陽, 朱澤森， 劉 杰， 時(shí)運(yùn)來

(1.南京林業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院 南京，210037)(2.南京航空航天大學(xué)機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)及控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 南京，210016)

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超聲霧化在非過濾式空氣凈化裝置中的應(yīng)用*

王金鵬1， 戚兆陽1, 朱澤森1， 劉 杰1， 時(shí)運(yùn)來2

(1.南京林業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院 南京，210037)(2.南京航空航天大學(xué)機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)及控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 南京，210016)

總結(jié)了霧滴捕獲細(xì)顆粒物的理論，利用超聲霧化除塵技術(shù)和負(fù)離子技術(shù)設(shè)計(jì)了一種區(qū)別于傳統(tǒng)空氣凈化器的非過濾式空氣凈化裝置。在容積為8 m3的模擬實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)進(jìn)行了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，該空氣凈化裝置在20 min內(nèi)就可以使模擬實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)的PM2.5濃度降低44.2%，在50 min內(nèi)使模擬實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)的PM2.5濃度從382.7 μg/m3降到低于初始值的水平，即72.3 μg/m3，證實(shí)其對空氣中的PM2.5濃度抑制具有較好的效果。該空氣凈化裝置不需要定期更換濾網(wǎng)，無須擔(dān)心因?yàn)V網(wǎng)更換不及時(shí)而引起室內(nèi)空氣二次污染的問題，還具有調(diào)節(jié)室內(nèi)濕度的功能。

霧霾； 室內(nèi)環(huán)境； 空氣凈化； 負(fù)離子； 超聲霧化

引 言

細(xì)顆粒物(fine particulate matter，簡稱PM2.5)，自從它被納入我國空氣質(zhì)量監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)以來，一直被大家強(qiáng)烈關(guān)注。中國環(huán)境監(jiān)測總站每天播報(bào)的天氣質(zhì)量數(shù)據(jù)，其中就包括PM2.5濃度值。PM2.5顆粒物已成為國內(nèi)霧霾天氣的主要污染物。

PM2.5的來源主要有工業(yè)燃煤、汽車尾氣及工礦企業(yè)的廢氣排放等，而PM2.5的成分主要有碳顆粒、鹽顆粒及重金屬顆粒等[1]。最近，清華大學(xué)和美國健康影響研究所聯(lián)合發(fā)布的《中國燃煤和其他主要空氣污染源造成的疾病負(fù)擔(dān)》指出，空氣污染是中國疾病負(fù)擔(dān)的一個(gè)重要來源[2]。2013年，中國的PM2.5人口加權(quán)平均濃度為54 μg/m3，99.6%的人口生活在超出世界衛(wèi)生組織空氣質(zhì)量指南標(biāo)準(zhǔn)(10 μg/m3)的大氣環(huán)境里。2013年的大氣污染分析結(jié)果顯示，燃煤對PM2.5年均濃度的貢獻(xiàn)率為40%。霧霾天氣也會影響到室內(nèi)的空氣質(zhì)量。Branco等[3]的研究表明，幼兒園教室內(nèi)外的PM2.5濃度比值通常在1～2之間。石晶金等[4]闡述了室內(nèi)PM2.5濃度、來源及其影響因素。2015年4月，清華大學(xué)發(fā)布了室內(nèi)PM2.5污染公益調(diào)研報(bào)告，結(jié)果顯示，室內(nèi)PM2.5污染對人的影響更顯著，室內(nèi)PM2.5吸入量為室外的4倍。實(shí)際上，大部分人一生中有80%的時(shí)間在室內(nèi)度過，因此，室內(nèi)空氣質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響了人們的身體健康和生活質(zhì)量[5]。目前，室內(nèi)空氣的凈化方法主要包括植物凈化、通風(fēng)凈化和空氣凈化器凈化三種方式。植物凈化只能凈化特定的污染物，凈化能力極其有限；通風(fēng)凈化只能使室內(nèi)和室外的空氣形成對流，及時(shí)更換室內(nèi)的空氣，易受室外空氣的影響；相對而言，室內(nèi)空氣凈化器能夠有效地去除室內(nèi)的顆粒物。目前，室內(nèi)空氣凈化器的除塵技術(shù)主要是單一或部分采用了靜電除塵、過濾除塵、負(fù)離子除塵及水洗除塵等技術(shù)，各有特點(diǎn)。負(fù)離子技術(shù)占用空間小，產(chǎn)生的負(fù)氧離子對人體有益，水霧除塵技術(shù)可以有效去除水溶性離子污染，因此，筆者設(shè)計(jì)了一種以超聲霧化技術(shù)和負(fù)離子除塵技術(shù)為核心的非過濾式空氣凈化裝置，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。

1 霧滴捕集微顆粒物的理論

文獻(xiàn)[6-7]研究了降雨對空氣中的親水性顆粒的清除效果及其與降雨強(qiáng)度、顆粒在水中的溶解度之間的關(guān)系模型。Duhanyan等[8]指出，空氣中顆粒污染物的去除率與水滴的尺寸分布高度相關(guān)，粒徑接近的時(shí)候去除率更高。關(guān)于霧滴對微顆粒物的清除效率問題，Pruppacher等[9]提出了綜合考慮布朗運(yùn)動(dòng)、熱泳和電泳等因素的經(jīng)典通量模型。Seifeld等[10]通過實(shí)驗(yàn)研究了霧滴對微顆粒物的捕集效率與霧滴粒徑、顆粒物粒徑、顆粒物濃度及其環(huán)境濕度等因素的關(guān)系，并提出了降水(霧滴)清除空氣中顆粒物的系數(shù)μ(單位是時(shí)間的倒數(shù))的理論公式

(1)

其中：da和Dr分別為顆粒物和雨滴的直徑；P為降水率(降水強(qiáng)度)；E(Dr,da)為霧滴捕集微顆粒物的效率。

在此基礎(chǔ)上，若將PM2.5的初始濃度考慮進(jìn)來，Seifeld給出了另一個(gè)公式

(2)

由式(2)可以算出，若要在30 min內(nèi)使初始PM2.5濃度為100，200和1 000 μg/m3的空間的空氣質(zhì)量降到35 μg/m3(美國national ambient air quality standard,簡稱NAAQS)，則需要清除系數(shù)μ分別為2.1，3.5和6.7 h-1。

Ladino等[11]進(jìn)行了霧滴捕集亞微米氣溶膠的實(shí)驗(yàn)研究，并把自己的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)[9]的通量模型進(jìn)行了對比，在分析了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，提出了捕集效率應(yīng)該由碰撞捕集效率和凝并捕集效率兩部分組成，其中碰撞捕集效率為

(3)

其中：mICPMS為采樣收集到的無水偏硼酸鋰(LiBO2)的質(zhì)量(μg)；Nr為霧滴的數(shù)量；Ca為氣溶膠濃度；ma為一個(gè)LiBO2顆粒的質(zhì)量(μg)；r和a分別為霧滴和LiBO2顆粒的直徑；L為霧滴和顆粒物在實(shí)驗(yàn)裝置的反應(yīng)通道里有效接觸的距離。

相比較于碰撞捕集效率，由于凝并捕集效率實(shí)驗(yàn)和理論分析難度極大，Ladino在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析對比當(dāng)中，將凝并捕集效率設(shè)為1來進(jìn)行分析和計(jì)算。結(jié)果表明，捕集效率的實(shí)驗(yàn)值與理論分析數(shù)值基本處于同一個(gè)量級，當(dāng)霧滴直徑為12.8 μm，相對濕度為88.3%～90%時(shí)，捕集效率隨著顆粒物的直徑(0.05～0.33 μm)的增大先減小后又增大，拐點(diǎn)出現(xiàn)在顆粒物直徑0.24 μm附近；而當(dāng)顆粒物直徑固定為0.24 μm時(shí)，則捕集效率隨著霧滴直徑(12.8～20 μm)的增大而降低。

對于模擬大氣降水來抑制空氣霧霾污染物的問題，Yu[12]提出了大氣噴水地球工程方法，并用有記錄的全國各地的降水與霧霾的演變數(shù)據(jù)對此進(jìn)行了直觀的說明。此大氣噴水地球工程方法就是在高樓及高塔的頂上安裝噴水裝置向建筑物外的受污染大氣噴水，給受污染的空氣洗淋浴。這需要一個(gè)模型來研判采用什么樣的壓力、流量來“噴水”，所建立的模型需包含大氣環(huán)境參數(shù)(溫度、濕度、風(fēng)速等)、顆粒物的參數(shù)(類型、分布、預(yù)計(jì)的變化過程等)以及噴頭距地面的距離、噴頭的布置位置等參數(shù)。

2 空氣凈化裝置設(shè)計(jì)

2.1 超聲霧化器和負(fù)離子發(fā)生器選型設(shè)計(jì)

為了解決室內(nèi)PM2.5顆粒物污染的問題，筆者提出選擇一套能產(chǎn)生粒徑接近于2.5 μm的裝置，營造一個(gè)局部的適合這些微小霧滴捕獲PM2.5顆粒物并且能夠完成凝并、沉降整個(gè)過程的環(huán)境，以此達(dá)到抑制室內(nèi)PM2.5顆粒物濃度的目的。

超聲霧化是已知的恰好可以提供粒徑接近2.5 μm的技術(shù)，因此筆者選用超聲霧化器作為空氣凈化裝置的核心，希望能利用其產(chǎn)生的微小霧滴與空氣中的PM2.5顆粒更容易地發(fā)生相互作用、凝結(jié)、長大及沉降的云物理學(xué)過程，將PM2.5顆粒物從空氣中分離出來。超聲霧化器根據(jù)工作頻率高低不同又分兩大類，這里選用卓爾林Ф20型超聲霧化器，工作頻率為1.7 MHz的高頻，如圖1所示，單個(gè)功率為20 W，工作頭直徑為47 mm，高為40 mm。通過HELOS激光粒譜儀測試其產(chǎn)生的霧滴粒徑，結(jié)果顯示其霧滴中徑在10 μm左右，約是傳統(tǒng)的壓力噴霧所產(chǎn)生的霧滴粒徑的十分之一。

圖1 卓爾林Ф20超聲霧化器Fig.1 Ф20 type ultrasonic atomizer from Zhuoer′lin

圖2 山水韻A2206型負(fù)離子發(fā)生器Fig.2 Negative ion generator of A2206 type

負(fù)離子技術(shù)是用直流高壓將空氣電離，產(chǎn)生負(fù)離子和負(fù)氧離子，其中負(fù)氧離子可以改善人的心肺功能，負(fù)離子與空氣中的塵埃、煙霧等結(jié)合，可以促使其發(fā)生團(tuán)聚作用，也更容易吸附在其他物體的表面，從而達(dá)到了凈化空氣的效果。負(fù)離子發(fā)生器選用山水韻(Sansui)A2206型多頭負(fù)離子發(fā)生器，如圖2所示，負(fù)離子數(shù)量超過每平方厘米5 000萬個(gè)，適用面積可達(dá)15 m2，外形尺寸為40 mm×30 mm×20 mm。

2.2 空氣凈化裝置整體設(shè)計(jì)

微細(xì)水霧對抑制灰塵能起到較好的效果，負(fù)離子除塵也是行之有效的方法，但是二者結(jié)合是否能對PM2.5產(chǎn)生一定的抑制效果，而且如何將它們集成在一個(gè)裝置里也是一個(gè)挑戰(zhàn)。在超聲霧化器產(chǎn)生的水霧測試實(shí)驗(yàn)過程中，發(fā)現(xiàn)因水霧密度比空氣略重，水霧會自然下沉，并形成各種圖案，因此水霧發(fā)生裝置應(yīng)該布置在凈化裝置的上部。為了使與微細(xì)顆粒混合之后的水霧能夠有一個(gè)沉降的空間，還需要將凈化裝置的空間尺寸充分利用，因此把凈化裝置的下半部分設(shè)計(jì)成雙層玻璃的形式，允許上述混合水霧在其中反應(yīng)、沉降。由于僅僅靠水霧沉降帶動(dòng)的空氣流動(dòng)實(shí)現(xiàn)內(nèi)外的空氣交換所能產(chǎn)生的單位時(shí)間的潔凈空氣量(CADR)太小，因此在凈化裝置的中下部設(shè)置了兩個(gè)小風(fēng)扇輔助氣流交換。作為凈化空氣的裝置，不能僅凈化室內(nèi)外對流的空氣，還需要具備內(nèi)循環(huán)模式，因此設(shè)計(jì)了朝向室外和室內(nèi)的兩個(gè)進(jìn)氣口，并設(shè)計(jì)了單向閥。加工安裝完成后的空氣凈化裝置如圖3所示。

2.3 微細(xì)水霧反應(yīng)室設(shè)計(jì)

位于凈化裝置上部的微細(xì)水霧反應(yīng)室如圖4所示，其不僅包括超聲霧化器、水槽等，還包括負(fù)離子發(fā)生器。圖中左右兩側(cè)各布置了一個(gè)進(jìn)氣口，在進(jìn)氣口內(nèi)側(cè)設(shè)計(jì)有單向閥，可以分別允許室外或者室內(nèi)的空氣進(jìn)入反應(yīng)室。在進(jìn)氣口附近布置有負(fù)離子發(fā)生器，左右各一個(gè)。在反應(yīng)室的內(nèi)部有幾個(gè)支柱支撐起一個(gè)長方形水槽，槽深約110 mm，槽內(nèi)水深約90 mm，槽寬為66 mm，其中布置2～4個(gè)超聲霧化器。在水槽與反應(yīng)室內(nèi)壁之間構(gòu)成了空氣與水霧向下流動(dòng)的通道，支撐水槽的支柱是小長方體，并未完全遮擋住這一通道。

圖3 基于超聲霧化的非過濾式空氣凈化裝置Fig.3 The non-filter air cleaning device based on ultrasonic atomizer

圖4 微細(xì)水霧反應(yīng)室側(cè)面示意圖Fig.4 Schematic diagram of the reaction chamber of fine droplet and PM2.5

2.4 空氣凈化裝置的功能

空氣凈化裝置具有內(nèi)循環(huán)、外循環(huán)兩種工作模式，含塵空氣進(jìn)入微細(xì)水霧反應(yīng)室，其中的微細(xì)顆粒物與水霧混合之后通過下落通道進(jìn)入雙層玻璃之間的沉降室，伴隨著含塵霧滴的凝并、沉降以及大霧滴的沖刷，經(jīng)過凈化的空氣從出風(fēng)口進(jìn)入室內(nèi)。由于超聲霧化器隨著工作時(shí)間的延長會發(fā)熱，因此通過控制器上的旋鈕設(shè)置其工作時(shí)長和停頓時(shí)長(0～60 min)。配合濕度傳感器，還可以自動(dòng)控制霧化器的啟停。另外，為了進(jìn)一步增加美感，在裝置雙層玻璃沉降室四周設(shè)置了霓虹燈。負(fù)離子發(fā)生器、超聲霧化器、強(qiáng)制通風(fēng)風(fēng)扇以及霓虹燈可以通過控制器上的按鍵手動(dòng)單獨(dú)控制。

在雙層玻璃的底部設(shè)置有集污槽，凝結(jié)的水珠滴落在集污槽中，雙層玻璃靠近室內(nèi)的一側(cè)設(shè)計(jì)成可以開合的形式，方便人們在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候打開裝置對其內(nèi)部進(jìn)行清理。

綜上所述，筆者設(shè)計(jì)的空氣凈化裝置，不僅可以降低室外霧霾對室內(nèi)人員的影響，還可以通過內(nèi)循環(huán)抑制室內(nèi)的PM2.5濃度，同時(shí)具有調(diào)節(jié)室內(nèi)濕度以及為室內(nèi)補(bǔ)充負(fù)氧離子的功能，耗水少，能耗低，清理方便，不需要定期更換濾網(wǎng)，不會因?yàn)V網(wǎng)更換不及時(shí)而引起室內(nèi)空氣二次污染的問題。

3 空氣凈化裝置的性能實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)搭建

空氣凈化裝置實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖5所示。將裝置放置在8 m3的由鋁型材和有機(jī)玻璃搭建的密封的模擬實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)，測試儀器采用型號為3016IAQ的LIGHTHOUSE手持式粒子濃度測試儀，見圖6。為了控制實(shí)驗(yàn)?zāi)M艙內(nèi)的濕度，增加了簡易冷凝器和一個(gè)空氣泵。

圖5 空氣凈化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.5 Experimental system of air purifier

圖6 LIGHTHOUSE 3016IAQ手持式粒子測試儀Fig.6 LIGHTHOUSE 3016IAQ handheld particle counter

3.2 空氣凈化效果實(shí)驗(yàn)

接通電源，關(guān)閉艙門和懸掛于實(shí)驗(yàn)艙頂部的風(fēng)扇，利用LIGHTHOUSE 3016IAQ型粒子測試儀分別測量實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)顆粒物濃度。首先，測試儀自動(dòng)記錄PM2.5，PM10、溫度及濕度等數(shù)據(jù)；然后，在實(shí)驗(yàn)艙中點(diǎn)燃兩根香煙，待香煙燃盡后，開啟風(fēng)扇，使得實(shí)驗(yàn)艙中的空氣與煙霧均勻混合，通過在實(shí)驗(yàn)艙側(cè)壁上的預(yù)留孔，利用粒子測量儀測量實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)顆粒物濃度數(shù)值。整個(gè)過程中實(shí)驗(yàn)艙處于密閉狀態(tài)。開啟空氣凈化裝置實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，9 min后打開測試儀，采樣時(shí)間為1 min，得到第1組數(shù)據(jù)。重復(fù)上述步驟，每隔10 min測得1組數(shù)據(jù)，直至PM2.5濃度接近或低于初始值。

3.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

綜合利用負(fù)氧離子和超聲霧化技術(shù)的空氣凈化裝置的凈化效果實(shí)驗(yàn)所測得的部分?jǐn)?shù)據(jù)如表1所示，繪制的曲線如圖7所示。

表1 空氣凈化裝置凈化效果實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖7 空氣凈化裝置凈化效果Fig.7 Purifying effect of air cleaning device

分析上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，模擬實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)PM2.5初始濃度值為94.9 μg/m3，2只香煙點(diǎn)完后，顆粒物的濃度上升到最大值382.7 μg/m3。開啟凈化裝置之后，實(shí)驗(yàn)艙中PM2.5顆粒物濃度持續(xù)下降，在20 min內(nèi)就使得模擬實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)的PM2.5濃度從382.7 μg/m3降到213.5 μg/m3，降低約44.2%。經(jīng)過50 min左右，各種顆粒物的濃度降低到低于初始值的水平，PM2.5物濃度從382.7 μg/m3降到72.3 μg/m3，PM10從801.7 μg/m3降到了226.9 μg/m3。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，筆者設(shè)計(jì)的空氣凈化裝置對空氣中的PM2.5濃度抑制具有較好的效果。PM10在凈化裝置剛啟動(dòng)的時(shí)候有短暫上升，10 min后才開始逐漸下降，這可能是因?yàn)閮艋到y(tǒng)剛啟動(dòng)時(shí)，部分微細(xì)水霧霧滴沒有充分冷凝，導(dǎo)致測試儀誤把小水滴當(dāng)作PM2.5顆粒物所致，這一變化也與實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)的初始階段的濕度變化相吻合。

4 結(jié) 論

1) 筆者利用超聲霧化除塵技術(shù)和負(fù)離子技術(shù)設(shè)計(jì)制作了一種區(qū)別于傳統(tǒng)空氣凈化器的非過濾式空氣凈化裝置。

2) 在搭建的8 m3的模擬實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)進(jìn)行了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的空氣凈化裝置在20min內(nèi)就可以使得模擬實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)的PM2.5濃度降低44.2%，在50 min后使PM2.5濃度從382.7 μg/m3降到72.3 μg/m3，PM10從801.7 μg/m3降到了226.9 μg/m3，表明其對空氣中的PM2.5濃度抑制具有較好的效果。

3) 該空氣凈化裝置還具有調(diào)節(jié)室內(nèi)濕度以及為室內(nèi)補(bǔ)充負(fù)氧離子的功能，耗水少，能耗低，方便清理，無須因?yàn)闉V網(wǎng)的不及時(shí)更換而引起室內(nèi)空氣二次污染的問題。

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(第36卷卷終)

10.16450/j.cnki.issn.1004-6801.2016.06.030

*國家自然科學(xué)基金青年基金資助項(xiàng)目(51408311)；南京林業(yè)大學(xué)人才基金資助項(xiàng)目(GXL2014044)

2016-08-29；

2016-09-27

TB559; X513

王金鵬，男，1979年10月生，講師。主要研究方向?yàn)檗r(nóng)林機(jī)械化、超聲霧化及其應(yīng)用。曾發(fā)表《直線超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)的精密運(yùn)動(dòng)平臺位移分辨率》(《振動(dòng)與沖擊》2015年第34卷第22期)等論文。 E-mail:mejpw@aliyun.com